雙回輸電塔單回路運行時的導線拆除方案研究

上海電力設計院有限公司 王福禎

某500kV 雙回線路工程是“皖電東送”西通道的重要組成部分，但近年來連續發生了較為嚴重的冰災事故。為保證此通道和線路安全，并結合差異化設計理念，考慮采用新建一回路、另一回路拆除一回三相導線改造為單回路的方案，以提高線路抗冰能力和通道安全。

同塔雙回鐵塔拆除一回三相導線后改造為單回路，需要對原鐵塔的承載力進行校驗。在設計條件不變的前提下，導線的線條荷載減小一半，鐵塔主材內力會減小。但拆除導線后受到一相導線產生的不平衡力及鐵塔埃菲爾效應的影響，部分塔身斜材可能會出現利用率增大的情況，當出現不滿足規程、規范要求的利用率超標桿件，在拆除導線之前須替換。因此，需要對拆除導線的方案進行比較分析。

1 鐵塔埃菲爾效應

塔架設計中的埃菲爾效應，是指塔架的外形似著名的法國埃菲爾塔形狀，主材采用多個坡度段，使之呈拋物線形狀，由此而產生的對塔架腹桿（斜材）系統受力的影響，其物理概念如圖1所示。

圖1 埃菲爾效應示意圖

假定交叉斜材單根斜材內力為S 且兩根斜材內力大小相等，方向相反，則S 為：

根據上式（1）可知：由于塔架的多個坡度段使主材有了轉折點，斜材內力S 就不一定正比于總的外荷載值，而是取決于P上d上和P下d下的差值。當P上d上和P下d下的值非常接近時，塔身交叉斜材的內力幾乎近似為0。對于輸電線路而言，風災是最為嚴重的一種自然災害。風速作為隨機過程，在空間三個方向都隨著時間發生變化，會使斜材內力產生較大的變化，嚴重時甚至會引發事故。

2 導線拆除方案

原線路采用同塔雙回路鐵塔架設，對原通道線路進行局部改造（拆除一回三相導線）。按照拆除單邊（左邊或右邊）三相導線，鐵塔會出現單側掛線的情況，對鐵塔受力極為不利，因此下文僅考慮按照三角排列的方式拆除導線，則有六種方案：一是拆除上導線2相，中導線1相；二是拆除上導線2相，下導線1相；三是拆除中導線2相，上導線1相；四是拆除中導線2相，下導線1相；五是拆除下導線2相，上導線1相；六是拆除下導線2相，中導線1相。拆除導線方案示意圖如圖2所示（O 表示導線掛線，X 表示導線拆除）。

圖2 拆除一回三相導線的方案

采用通用桿塔設計軟件對以上六種方案進行計算。

3 鐵塔驗算

3.1 計算原則

原線路采用的設計規程為：《110～500kV 架空送電線路設計技術規程》（DL/T 5092-1999）[1]及《架空送電線路桿塔結構設計技術規定》（DL/T 5154- 2002）[2]，本次計算仍采用上述規程。

原工程桿塔設計時，各塔型均考慮了正常運行、斷線、安裝、覆冰、不均勻冰等工況，本次仍按相同工況開展桿塔的承載力計算。

3.2 計算條件

設計最大風速：29m/s（10m 基準高）；覆冰：導線10mm，地線15mm；導線為4×LGJ-630/45鋼芯鋁合金絞線，地線1根為JLB20-150鋁包鋼絞線，另1根采用OPGW-150光纜。

耐張塔的塔身斜材一般受不平衡張力（事故、安裝工況）的控制，埃菲爾效應的影響不起控制作用，在此不作計算。因此，選取本工程典型直線塔SZT13-30，原工程鐵塔掛雙回導線時所受荷載及應力示意圖如圖3所示。

圖3 典型直線塔SZT13-30荷載及應力圖

根據圖3可知，變坡以下主材延長線的交點0近似在中導線橫擔附近，且桿件的利用率均未超標。

3.3 計算方法

進行埃菲爾效應計算時，一般采用以下3種方法：折減系數法、剪力比法和內力比法。本文采用折減系數法進行計算。折減系數法主要適用于90°大風或0°大風情況，是以桿塔變坡段塔身主材延長線的交點0為分界點，將桿塔分成為上、下兩部分，在各部分上分別作用設計風載和考慮折減系數的折減風載，組成若干不同的風荷載工況，從而求得塔身風荷載最不利分布下的斜材最大內力，如圖4所示。

圖4 折減系數法計算簡圖

對于懸垂型桿塔，折減系數一般取0.3。故本工程典型直線塔SZT13-30的塔身折減風載按照折減系數0.3進行計算。

3.4 計算結果

經計算，直線塔SZT13-30按照上述六種方案拆除一回三相導線后的應力示意圖如圖5所示。

圖5 拆除三相導線后鐵塔的應力圖

圖5中顯示的粗紅色為應力超標桿件，對比應力圖發現：拆除3相導線后塔身主材利用率降低，但塔身斜材利用率增大。不同的導線拆除方案導致塔身斜材超標桿件的位置和數量也大不相同。

各種方案中，拆除中導線2相及下導線1相導線（即方案4）對原結構產生的影響最小，沒有出現應力超標的桿件。以下僅對拆除中導線2相及下導線1相導線（即方案4）的桿件利用率進行研究，表1為利用率增大的桿件信息。

表1 拆除中導線2相及下導線1相（方案4）利用率增大的桿件信息

根據表1可知，拆除中導線2相及下導線1相導線（共計一回三相）后，部分塔身斜材出現了利用率增大的情況，但均未超標。塔身斜材利用率增大的百分比范圍為1.1%～11%。利用率平均增大了6.8%。

4 原因分析

根據埃菲爾效應原理可知，斜材內力S 取決于P上d上和P下d下的比值或者差值。根據式（1）可知，當P上d上與P下d下的差值最小時，斜材內力S 最小。變坡以下主材延長線的交點0近似在中導線橫擔附近，則中導線2相導線的線條荷載對0點產生的力矩很小，可近似忽略不計。因此，拆除中橫擔兩相導線對鐵塔的影響最小。同時，拆除下導線橫擔一相導線后產生的不平衡力的影響范圍也最小。與通用軟件計算結果相吻合。

綜上，雙回路鐵塔拆除中導線2相及下導線1相（共計1回3相導線），即方案4，當按原工程氣象條件和原設計規程進行計算時，塔身斜材內力增大的比例最小，為最優方案。實際設計過程中還需考慮施工難度、工程經濟等因素綜合考慮來確定最終方案。

一是雙回路鐵塔拆除一回（共計3相）導線后，主材的利用率降低，但由于鐵塔埃菲爾效應的影響，部分塔身斜材的利用率增大。二是不同的導線拆除方案對塔身斜材內力的影響不同。根據鐵塔埃菲爾效應原理，拆除中導線2相及下導線1相導線（共計1回3相）時，塔身斜材內力利用率增大百分比最小。三是當曲線形輸電塔需在拆除部分導線后繼續運行時，應優先選擇沿高度方向距離主材延長線交點最近的導線進行拆除，以期盡可能減小塔身斜材受力計算時的上部彎矩，從而最大限度地降低鐵塔改造費用和施工難度。