直流输电线路双柱悬索拉线塔设计

2012-03-04郭峰李晨施菁华吴启维刘玮

电力建设 2012年5期

郭峰，李晨，施菁华，吴启维，刘玮

(华北电力设计院工程有限公司，北京市，100120)

0 引言

从20世纪80年代开始，除双柱悬索拉线塔外的拉线塔在我国330、500 kV线路中得到了广泛应用。但是由于拉线塔占地面积大，运行维护工作量较大［1］，在后来工程中使用较少。

与国内不同，美国、加拿大、南非［2］及俄罗斯［3］等国家在345～765 kV电压等级的线路中大面积使用了拉线塔。魁北克水电局对自力式铁塔、拉V塔、双柱悬索拉线塔进行了经济性比较，结果表明双柱悬索拉线塔经济性较好，其造价为自力式铁塔的50％左右，为拉V塔的90％左右［4］。

1973年，魁北克水电局对双柱悬索拉线塔进行了放线、紧线和动力问题研究。魁北克省内詹姆斯电力系统的3条735 kV线路(2 000 km)采用双柱悬索拉线塔［4］。国内尚未有关于双柱悬索拉线塔的研究。

随着我国西部大开发的发展，部分输电线路工程经过西北戈壁荒漠地区，这些地区地形平坦，基础占地费用较低，使用拉线塔的经济性优势明显。哈密—郑州±800 kV特高压直流输电线路工程，线路沿线主要为荒漠戈壁，为降低工程造价本文对双柱悬索拉线塔的工程应用进行了综合比较和研究。

本文采用有限元软件对双柱悬索拉线塔的动力特性、静力特性、拉线及金具设计等方面进行分析。双柱悬索拉线塔在绝缘、间隙、防雷和金具方面与自立塔差别不大；在占地因素不成为制约条件的情况时，双柱悬索拉线塔经济性较好，再考虑运输、人力等费用，其经济效益明显。

1 双柱悬索拉线塔设计

1.1 设计条件

为分析双柱悬索拉线塔的经济性、静力特性、动力学特性，本文依托哈密—郑州±800 kV特高压直流输电线路工程，按照以下输入条件进行直线塔设计：电压等级为 ±800 kV；单回路；设计风速为33 m/s；设计覆冰为5 mm；海拔高度为1 000 m；水平档距为530 m；垂直档距为650 m；导线为6×JL/ G3A－900/40；左地线为BGJ－180－20AC；右地线为OPGW－180；转角度数为0°；计算呼高为51 m。

本文采用美国Power Line System公司的Tower软件进行双柱悬索拉线塔及羊角形拉线塔设计分析。此程序采用SAPS有限元分析内核，计算中考虑几何非线性，可以分析有大变形的柔索结构。

1.2 铁塔外形尺寸

双柱悬索拉线塔在外力作用下，悬索变形较大，计算过程中必须考虑几何非线性。各种不同负荷状态下挂点的位置变化很大，造成双柱悬索拉线塔的电气间隙设计不同于传统杆塔，因此必须根据电气间隙初步确定双柱悬索拉线塔的外形尺寸。然后结合电气负荷计算悬索各工况荷载作用下的变形，根据变形后的挂点位置进行第2次电气间隙校验，调整双柱间距，以相同的方式进行多次迭代直至满足要求。进而确定双柱悬索拉线塔的外形尺寸。双柱悬索拉线塔的塔身尺寸确定流程如图1所示。

图2为第1次迭代中大气过电压、操作过电压和工频过电压工况下考虑几何非线性的悬索拉线塔的变形情况。可见双柱悬索拉线塔变形量并不大，实际设计过程中经过2次迭代应该即可满足使用要求，此部分工作量不大。

经过2次迭代，即得到了满足要求的铁塔外形尺寸，最终挂点位移及外形尺寸如表1所示。

表1 挂点最终位移Tab.1 Final disp lacement of hanging points

由于本次设计铁塔的操作过电压和大气过电压工况的荷载输入条件一致，因此挂点位移相同。最终计算结果：立柱支座根开为31.9 m；立柱顶部水平距离为42.1 m；拉线正面根开为109.2 m；拉线侧面根开为45 m；塔质量为21 870 kg。

2 双柱悬索拉线塔的动力特性

采用有限元软件ANSYS建立双柱悬索拉线塔有限元模型，进行杆塔动力特性分析。在建立双柱悬索拉线塔有限元模型中主材采用Beam188单元模拟，斜材采用Link8杆单元模拟，拉索采用Link10杆单元模拟。

双柱悬索拉线塔的各阶阵型及频率如图3所示，本文仅给出了拉线和支柱的前3阶阵型。

图3 双柱悬索拉线塔阵型Fig.3 Dynam icmodels of double column suspended guyed tower

结果表明：双柱悬索拉线塔的前16阶阵型都是拉线的振动，设计过程中应对拉线及拉线金具进行疲劳计算。第16阶阵型之后是格构柱的振动，该塔的第17阶和18阶振型分别为垂直线路和顺线路的弯曲振型，振型频率较接近，结果与多数输电铁塔的计算结果相似，表明该塔型在垂直线路和顺线路方向的刚度虽存在差异，但仍很接近，这对于输电塔的设计来说是一种比较理想的情况。第18阶振型为绕z向的扭转阵型，其扭转频率与1阶频率比值为4.032。本次动力分析结果表明，扭转阵型出现的频率为4.032 Hz，比1阶阵型高200％左右，阵型频率处于较合理的范围。对于以纵横向1阶振型为主进行设计的输电塔而言，是比较合理的。

3 拉线及金具设计

拉线塔依靠拉线承受荷载和维持自身稳定，一旦拉线元件受到破坏，铁塔安全将受到威胁［2］。1根拉线遭破坏，铁塔就失去稳定，所以对拉线的设计十分必要。

双柱悬索拉线塔的拉线计算拉力为773.586 kN，依据文献［5］的拉线计算公式，在不考虑安全系数的前提下，需要选用拉线规格为2根37股(3.5 mm直径钢丝)公称抗拉强度1 570 MPa的镀锌钢绞线；考虑到拉线的重要性，安全系数取2.2，这样就需要拉线规格为3根37股(4.0 mm直径钢丝)公称抗拉强度1 470 MPa的镀锌钢绞线，这是文献［3］给出的最大规格的钢绞线。根据文献［6］前言说明，选用的钢丝公称抗拉强度级别高于日本标准［7］。

根据双柱悬索拉线塔的拉线负荷，通过试验研制新型的拉线压接线夹、拉线连接金具等连接金具。根据计算，每基双柱悬索拉线塔的拉线及金具材料量为：拉线规格为3×37－28.0－1470A，长度为64 m，分裂根数为3，组数为4，质量为2 973 kg；拉线金具质量为750 kg；

由以上计算可知，全塔的拉线质量达到3.7 t，占全塔质量的17％，相对于常规500 kV拉线塔，增大7％左右。

常规500 kV拉线塔多采用1根拉线，750 kV拉线塔使用的2根拉线。而本文铁塔算例由于荷载大，经计算需要采用3根拉线，需要研究拉线金具新的连接方式。选用的拉线金具连接方式如图4所示。