新型输电线路重冰区转角塔设计研究

谢 芳 冯 炳 李攀峰

(1.绍兴文理学院 元培学院，浙江 绍兴312000；2．绍兴供电公司，浙江 绍兴312000)

新型输电线路重冰区转角塔设计研究

谢 芳1冯 炳2李攀峰2

(1.绍兴文理学院 元培学院，浙江 绍兴312000；2．绍兴供电公司，浙江 绍兴312000)

通过对传统重冰区输电线路单回路转角塔型的技术经济比较分析，提出了一种新型的水平排列莲花型转角塔.该塔型导线采用水平排列，中相导线跳线采用复合材料支撑铝合金穿管的形式从地线横担中间穿过，较好地解决了传统塔型在导线脱冰跳跃时防闪络能力差的问题.通过有限元分析软件对莲花塔进行了线性和非线性分析，结果表明，该塔型受力合理，结构稳定，过载能力好.

输电线路；重冰区；转角塔；莲花塔；有限元分析

我国是发生输电线路覆冰事故较多的国家之一，覆冰事故已严重威胁到我国电力系统的安全运行，并造成了巨大的经济损失[1].覆冰事故形式多种多样，除了常见的铁塔结构破坏外，由于脱冰跳跃引起的线路跳闸也是覆冰事故的主要形式之一.究其原因主要是线路上的覆冰在特定的气象条件下发生脱落，输电线由于覆冰脱落会产生上下跳跃，导致线间安全距离不足，造成闪络或短路，烧伤导线，使线路跳闸[2]，这就是脱冰闪络事故.传统重冰区干字形转角塔导线呈三角形布置(如图1所示)，这使得上下相导线之间发生脱冰闪络的几率大大提高.而导线呈水平排列的酒杯型转角塔，虽然其防闪络能力优于干字型塔，但是其曲臂结构在承受较大的不均匀冰荷载下，位移较大，覆冰过载能力较差，也存在结构隐患.

1 新型重冰区莲花型转角塔

结合上述两种塔型的特点，我们提出了一种新的转角塔型——莲花型塔，见图2.这个塔型的三相导线呈水平排列，中相导线跳线采用复合材料支撑铝合金穿管的形式从地线横担中间穿过，因为其外形像一朵盛开的莲花，因此命名为莲花型转角塔.

图1 常见转角塔型式 图2 莲花型转角塔效果图

该塔型通过将三相导线水平布置，能大幅降低导线间脱冰闪络的几率.同时，由于没有中间塔窗，其结构受力特点与干字型塔基本一致，因此不存在类似酒杯塔K节点那样的薄弱点.通过初步计算和分析，3种重冰区常用转角塔的技术特点和指标比较见表1.

表1 3种转角塔型特点比较

从表1可见，干字型塔各项指标适中，施工及运行经验也比较丰富，但是其在重冰区的防闪络能力较差；而酒杯型塔塔材指标较大，但是其防闪络能力优于干字型塔；莲花型塔各项指标均要优于其他两种塔型.

2 莲花型转角塔电气规划

2.1导地线及气象条件

以220 kV输电线路为例，在重冰区段采用莲花型转角塔，相应的导线型号为1×JLHA3-775，地线型号为JLB20A-120.设计气象条件为：基本风速27.0 m/s，覆冰20 mm.

2.2塔头布置

2.2.1 基本要求

塔头的布置要保证导地线间、导线间以及它们与杆塔构件和运行检修人员之间的必要间隙.为保证线路正常运行，需要考虑的控制条件可以分为塔头上的电气间隙、档距中的线间距离、防御档距中雷电绕击或反击导线所需要的导地线相对布置.

(1)塔头上的电气间隙.在有塔头间隙圆中的工频电压、操作及雷电过电压以及带电检修等工况下，导线风偏轨迹对杆塔构件和运行检修人员之间的最小间隙，都属于导线对杆塔或相对地的电气间隙，与档距中的线间距离没有关系.

(2)塔头上的线间距离.塔头布置中的线间距离，专指在档距中央为满足必要的线间电气间距，而在塔头上导地线绝缘子串挂点间需要保持的线间距离.线路设计技术规范以源于线路工程实践的经验公式或数值关系表，对线路塔头上的水平线间距离和垂直线间距离、水平偏移等线间距离做出了一般规定.

(3)防御档距中雷电绕击或反击导线所需要的导地线相对布置.为防御雷击导线，需确定导线和地线之间的最小空间距离，以及两地线之间的距离.

2.2.2 防雷保护角

根据规程要求，山区段220 kV单回路线路地线对导线的防雷保护角不小于20°.为了加强对中相跳线的防雷保护，同时增加导地线水平偏移值，应尽可能缩小两根地线间距，因此莲花型转角塔保护角取20°.

2.2.3 导地线的垂直间距

根据导地线配合计算及重冰区规范要求，莲花型转角塔导地线垂直间距取7.5 m，水平偏移取2.5 m，两相导线间的水平距离取8 m.

2.2.4 跳线绝缘子串

莲花型转角塔中相导线通过支撑绝缘子加铝合金管的方式，从地线顶架中间穿过，如图3所示，其余两相导线采用防冰闪能力更强的V型跳线串.

2.3莲花型转角塔电气间隙圆

根据以上原则，规划出的 莲花型塔塔头间隙圆 图如图 4 所示.由图 4 可知，莲花型塔塔头间隙完全符合输电线路的规范要求.

图3 莲花塔中相导线跳线效果图

图4 莲花塔塔头间隙尺寸及间隙圆图

2.4莲花塔地线防雷计算

由于莲花型塔的中相跳线是绕跳于塔顶的，故需校验其是否处于地线的防雷保护范围内.根据DL/T 620—1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》中5.2条的规定，两等高避雷针防雷保护高度为

两根平行地线防雷保护高度为

(a)高为h的两等高避雷针 (b)高为h的两平行避雷线

图6 莲花塔的中相跳线防护范围

3 莲花型转角塔结构线性分析

同样以220 kV输电线路重冰区转角塔为例，取风速V=27.0 m/s，覆冰20 mm,在结构外荷载及呼高相同的情况下，对莲花型塔和干字型塔两种塔型的受力进行线性计算与对比.总体来说，莲花型塔的中相导线高度较低，导线张力产生的弯矩相对更小，因此其塔身主材和斜材受力均较小.根据计算结果，两种塔型塔身主材及斜材的控制工况基本相同，受力比较见表2.

表2 塔身段主、斜材关键参数对比

由表2可知，两种塔型塔身主材和斜材均由覆冰大转角工况控制，莲花型塔的主、斜材内力均小于常规塔型.线性计算结果表明，莲花型塔受力合理，传力清晰，且主、斜材内力均略优于常规干字型塔.

4 莲花型转角塔结构非线性分析

目前对输电杆塔的计算多采用线性设计方法，即计算结构内力时不考虑杆塔变形的影响.莲花型塔是一种新塔型，其结构形式也比较特殊，因此是否考虑几何变形对构件内力的影响需要重点审视.

本文采用有限元分析软件ANSYS，对莲花型转角塔在多种荷载工况下的非线性变形和构件受力情况进行计算，并将构件应力与线性计算结果进行对比.计算主要考虑结构承载的几何非线性，而未涉及材料非线性问题.

4.1莲花型转角塔有限元模型

利用ANSYS分析软件中的Link 8单元模拟铁塔的杆件，该单元为可承受杆轴方向拉压的三维杆，可用于模拟桁架、缆索、连杆、弹簧等结构.每个节点具有3个自由度(沿节点坐标系X，Y，Z方向的平动).该单元具有塑性、蠕变、膨胀、应力刚化、大变形、大应变等功能.莲花型转角塔有限元模型如图7所示.

图7 莲花型转角塔ANSYS计算模型图

4.2莲花型塔几何非线性分析

采用ANSYS软件对莲花型塔进行非线性有限元计算，并将计算结果与线性计算进行对比，分析结果见表3和表4.考虑几何非线性后，可以得出如下结论：

(1)塔身主材的内力变化不大，应力比增长均小于1%.

(2)塔身斜材应力比变化很小,应力比增长基本控制在1%以内.

(3)应注意的是，隔面内原不受力的辅助材在考虑几何非线性后均成为受力构件，但构件内力均不大，无须调整规格.

(4)在各种工况下，塔顶最大位移286 mm，出现在覆冰大转角工况.此时杆塔顶部挠度约为7.15‰h(这里h=40 m,为杆塔全高)，符合规范要求，说明莲花型塔刚度较好.

表3 莲花塔线性与非线性计算结果对比

5 莲花型转角塔技术经济分析比较

同样以风速27.0 m/s、覆冰20 mm的重冰区220 kV输电线路为例，采用的导线型号为JLHA3-775，采用的地线型号为JLB20A-120.对相同30 m呼高、不同角度下的莲花型转角塔、酒杯型塔以及干字型塔等3种塔型进行计算分析，比较结果见表5和表6.

表5 各塔型计算塔重对比 kg

表6 各塔型基础作用力对比 kN

由表5可见，莲花型塔结构合理，其塔重比干字型塔平均塔重轻5%左右；酒杯型塔在小角度时塔重与干字型塔差距不大，但随着角度增加，塔重越来越大，说明酒杯型转角塔结构特点不适合用于大水平荷载的塔型.莲花型塔和酒杯型塔由于总塔高较低，其基础作用力较小，两者基础作用力均比常规干字型塔小10%左右.结合运行经验，以酒杯塔各参数为基准，3种塔型的综合比较结果见表7.

表7 各塔型综合对比

由表7可知，莲花型塔各项指标均优于干字型塔，且其防上下导线间脱冰闪络性能要优于干字型塔.因此在重冰区采用莲花塔具有一定的优势.

6 结论

(1)莲花型塔是一种新型的重冰区转角塔，该塔型导线采用水平排列方式，能较好地解决传统塔型在导线脱冰跳跃时防闪络能力差的问题.

(2)由于中相导线跳线采用复合材料支撑铝合金穿管的形式从地线横担中间穿过，莲花型塔的电气间隙能完全满足规范要求.同时在地线顶架高度大于7.5 m时，莲花型塔能满足防雷要求.

(3)通过对莲花型塔线性和非线性结构分析，莲花型转角塔主材、斜材受力均小于干字型塔.考虑几何非线性后，塔身主材及斜材的内力变化可以忽略，横隔材变化较大，但都在控制范围内.两种计算模式均表明，莲花型塔结构合理，受力清晰，在各工况下的受力及位移均符合规范要求.

(4)通过对莲花型塔和传统重冰区常用转角塔型的技术经济比较可知，莲花型塔各项指标均较优，且其防上下导线间脱冰闪络性能要优于干字型塔.因此在重冰区采用莲花型塔具有一定的优势.

[1]冯超.输电塔-线体系覆冰荷载下的断线分析及分灾研究[D].沈阳：辽宁工程技术大学,2009.

[2]徐亮.分裂导线-间隔棒体系覆冰脱落的数值模拟研究[D].杭州：浙江大学,2011.

[3]陈勇,胡伟,王黎明,侯镭.覆冰导线脱冰跳跃特性研究[J].中国电机工程学报,2009,29(28):115-12.

[4]胡毅.电网大面积冰灾分析及对策探讨[J].高电压技术,2008,34(2):215-219.

[5]GB50545—2010,110～750kV架空输电线路设计规范[S].北京：人民出版社,2010.

[6]DL/T5154—2012架空输电线路杆塔结构设计技术规定[S].北京：中国电力出版社,2012.

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[8]张朝晖.ANSYS11.0结构工程应用实例解析[M].2版.北京：机械工业出版社,2008.

Planning and Design of New Angle Tower for Transmission Lines in Heavy Ice-coating Areas

Xie Fang1Feng Bing2Li Panfeng2

(1.Yuanpei College， Shaoxing Universty， Shaoxing， Zhejiang 312000；2.Shaoxing Electric Power Bureau， Shaoxing， Zhejiang 312000)

Based on the technical and economic comparison of classic angle towers for single-circuit transmission lines in heavy ice areas, we propose a new type of angle tower named Lotus-tower. With the wire horizontal layout of the tower and the crossing of the mid-wire through the middle of two earth wire Crossarm by a tube of aluminum alloy with composite materials insulator, the Lotus-tower can enhance the ability of the prevention of the icing flashover. The paper also does a linear and nonlinear analysis of Lotus-tower by the FEM analysis software, the results showing that the structure of the proposed tower is rational, stable and safe.

transmission line; heavy ice-coating area; angle tower; Lotus-tower; FEM analysis

2014-07-07

2014年度绍兴市级公益性技术应用研究计划项目“输电线路塔抗冰灾能力的关键技术研究”阶段性成果；绍兴文理学院元培学院精品课程建设项目“土力学及基础工程”阶段性成果.

谢 芳(1981-)，女，浙江绍兴人，讲师，硕士.研究方向：土木工程教学与研究.

TM753

A

1008-293X(2014)09-0008-07

(责任编辑邓颖)