特高压直流线路悬垂转角塔设计
2017-11-14谭莲飞张亮如余明智
谭莲飞 ,李 菁 ,张亮如 ,李 帅 ,余明智
(1.中国能源建设集团云南省电力设计院有限公司,云南 昆明 650051;2.国网山东省电力公司经济技术研究院,山东 济南 250021;3.国网山东省电力公司茌平县供电公司,山东 聊城 252100)
特高压直流线路悬垂转角塔设计
谭莲飞1,李 菁2,张亮如3,李 帅2,余明智1
(1.中国能源建设集团云南省电力设计院有限公司,云南 昆明 650051;2.国网山东省电力公司经济技术研究院,山东 济南 250021;3.国网山东省电力公司茌平县供电公司,山东 聊城 252100)
悬垂转角塔是特高压直流输电线路工程中常用的塔型,通过悬垂的L串承受较小转角度数的线路荷载,减少线路走廊宽度并有效防止导线的风偏。根据设计理论和工程经验,推导该塔型线条荷载在加载挂点时的精确解,介绍杆塔头部规划及结构整体特性。经比较分析,该塔型较同条件转角塔节省大量金具及绝缘子串,降低杆塔钢材指标和基础材料量,具有明显的经济效益和社会效益。
悬垂转角塔;荷载分解;铁塔设计;经济性
0 引言
特高压直流输电是目前世界上解决高电压、大容量、远距离送电和电网互联的一个重要手段[1],具有输送灵活、容量大损耗小、能够节约输电走廊和便于快速控制等优点。目前山东境内正在建设着内蒙古锡盟—江苏泰州、山西晋北—江苏南京、上海庙—山东等多条±800 kV直流项目,处于特高压建设的高峰期。
悬垂转角塔作为直流输电线路中的常用塔型,在村庄房屋密集和通道紧张位置,减小了路径的走廊宽度,降低了选线难度;根据线路耐张段内的障碍物情况在档内进行适当的路径调整,使选线更加灵活;同时在连续同向转角的特殊路径上合理划分耐张段和导线的开断位置,减少了后期维护和运行的工作量。在塔型规划时,该塔型在水平、垂直档距、摇摆角等条件与直线塔相当,设计转角一般为3°~12°,较同条件转角塔节省大量的钢材、混凝土和金具材料[2],具有较好的经济性。
图1 悬垂转角塔L串荷载作用示意图(x′y′z′坐标系)
1 荷载分解
悬垂转角塔的线条荷载作用在L型绝缘子串的交汇位置,荷载通过L串重新分布后传递至铁塔上的左右挂点上,如图1 所示(x′y′z′坐标系)。 首先将线条荷载(Fx′,Fy′,Fz′)通过坐标系转换后,过程详见式(1),成为常规的V串荷载,再进行荷载的V串分解,如图2所示(xyz坐标系)。
图2 转换坐标后的V串荷载分解(xyz坐标系)
式中:γ为左、右挂点连线与水平的夹角。
在纵向力作用下V串与XOZ平面夹角为θ,则左挂点荷载(x2,y2,z2)和右挂点荷载(x1,y1,z1)根据力平衡在O点列方程可得:
图中可知V串合力方向应沿OJ线,可知y1、y2与 z1、z2应同向可得:
式中:Fx、Fy、Fz分别为转换坐标体系后的水平、纵向、垂直荷载。
在图2三角形ONJ、OMJ的几何关系中可得:
在图中可看出x1与z1异号而x2与z2同号,故得:
将计算的 x1,x2代入式(2),式(4)可得:
将在 xyz 坐标系中求解的左挂点荷载(x2,y2,z2)和右挂点荷载(x1,y1,z1)进行坐标转化,重新转换至x′y′z′坐标系中,转换逆矩阵如式(10)所示,将荷载反向作用在结构模型中的挂点上进行铁塔受力分析。
在荷载分解的极少数工况中 (如大风工况下的小垂荷条件),背风侧的绝缘子串易受压,因此需要对悬垂转角塔的L串角度进行合理计算来保障其处于安全受力状态[3]。若在计算中遇此情况,建议验算背风侧绝缘子串退出工作情况,线条荷载完全加载在迎风侧的挂点上进行结构分析。
2 铁塔设计
2.1 塔头规划
在进行铁塔设计时,首先应依据导线、地线的排列布置和电气间距要求规划杆塔的外形尺寸与构件布置形式,尽量以结构简单、受力均衡、传力清晰、外形美观为基本原则[4];其次结合杆塔材料、运行维护、施工和制造等因素进行优化布置。该部分内容重点体现在塔头的规划布置上,如开口尺寸、地线支架和导线横担的布设,最终在满足电气间隙的前提下,塔头尺寸紧凑,结构传力简洁明确。
根据山西晋北—江苏南京线路系列六中悬垂转角塔的规划:v=30 m/s、b=10 mm、平丘(0m<H<1 500 m)、6×JL1/G3A-1250/70 导线,与挂接地极线路共塔,结合表1中悬垂转角塔ZGJ3010的使用条件,得到图3所示的悬垂转角塔ZGJ3010优化后的塔头型式。
表1 悬垂转角塔ZGJ3010的规划条件
2.2 结构坡度优化
在明确的荷载作用下,塔身坡度的取值直接影响结构杆件的规格:塔身坡度越大,主材受力变小从而导致其规格的降低,或者主材节间的支撑杆件数量的减少;斜材受力上虽也减少,但由于塔身变宽,斜材的计算长度增加以及长细比构造要求,塔身斜材的规格可能增大,导致主材重量降低而斜材重量增加。另塔身坡度越大则根开越大,致使建设时占地面积的增加;塔身坡度越大则基础作用力减少,将降低基础规格及相应的造价成本,反之亦然。综上所述,塔身坡度的优化需要结合塔重、占地面积、基础等多因素进行分析,应做到综合造价最低。
图3 悬垂转角塔ZGJ3010塔头尺寸规划
2.3 整体刚度
铁塔在有限元分析中通常采用桁架模型,分析时偏重于强度计算,而对整体结构刚度的把握主要体现在构造上。比如合理控制塔身坡度和塔身的高宽比;在杆塔塔身坡度变化位置、直接承受扭力的断面和塔顶及塔腿与塔身的连接断面处设置横隔面;隔面设置通常按不大于5倍平均宽和4个主材接间分段[5],且所有塔身隔面应采用刚性隔面;重冰区的杆塔应注意在塔重增加不明显的情况下,应尽量加大塔身的宽度和坡度以保障结构整体的刚度。
除采用桁架模型对悬垂转角塔ZGJ3010进行内力分析,另利用Midas软件建立梁单元模型对其进行特征值分析,其前8个自振周期和模态特征如表2所示,前4个自振模态形状如图4~7所示。悬垂转角塔的第一自振模态为塔头侧向位移及横担的上下摆动,其第二、三自振模态都为横担的扭转,可以得出该塔型最容易发生的变形为结构的侧向位移、横担竖向位移和扭转,为结构整体刚度的薄弱点。
通过调整导地线横担的高度和宽度尺寸、挂点处的起台高度和连接隔面的刚度,使前3自振的周期比为0.552/0.606=0.91,自振周期虽较大,但频率相近,各方向刚度分布均匀,整体结构布置合理。
图4 第一自振模态
图5 第二自振模态
图6 第三自振模态
图7 第四自振模态
表2 悬垂转角塔ZGJ3010-51.0 m呼高的自振模态
3 经济性比较
依据铁塔设计规程规范[5-6]和基础设计规程[7],对山西晋北—江苏南京直流输电线路工程中相同条件下设计的悬垂转角塔(ZJ2710)、转角塔(J27101A)进行比较分析。在满足相同的对地情况下,对比方案中悬垂转角塔采用ZJ2710-51,转角塔采用J27101A-48。
地质条件:地貌上为黄河冲积平原,地表旱地;地基岩土主要为第四系统全新冲洪积形成的粉土、粉质粘土。粉土为稍密~中密状态,粉质黏土为可塑~硬塑状态,地基承载力特征值为80~120 kPa。
表3 上部结构材料量及造价比较
表4 基础材料量及造价比较
从表3中的绝缘子型号和数量以及金具的重量可知,在安装和运行检修方面,悬垂转角塔较耐张塔更为便捷。
结合表3和表4可知,采用悬垂转角塔方案(ZJ2710-51)本体造价约90.47万元/基;而采用转角塔方案(J27101A-48)本体造价约 167.32万元/基,在塔材、金具及绝缘子和基础方面总共可节省投资约76.85万元/基,本体投资节省效果明显,但是由于规程[5,7]中悬垂转角塔的设计荷载和安全系数取值与常规转角塔不完全相同,且不具有转角塔在工程中具有的施工架线功能,因此不能简单地在同一平台进行二者的经济性比较。
4 结语
通过掌握悬垂L串的线条荷载分解、塔头规划、结构整体刚度等设计环节,并遵循杆塔设计的相关规程和规范要求,悬垂转角塔的结构安全性能够满足实际工程的需要。
在同使用条件下,悬垂转角塔具有比常规转角塔重量轻、电气绝缘子串和金具使用量少,基础混凝土和钢筋材料省等优势;另在路径上障碍物情况复杂时,悬垂转角塔可以较好地用来进行路径微调;悬垂转角塔的金具、绝缘子的数量较转角塔少且布置方式简洁,运行和检修较为方便。综上所述,悬垂转角塔具有良好的经济性。
[1]李晓黎,陈祖胜.特高压直流输电技术发展综述[J].广西电力,2009,32(1):23-26.
[2]张瑚,黄欲成,马凌,等.500 kV双回路直线小转角塔设计[J].高压电器,2014,50(11):92-96.
[3]陈立华,程思勇,厉天威,等.直线转角塔L形绝缘子串夹角取值分析[J].广西电力,2016,39(5):21-24.
[4]中华人民共和国住房和城乡建设部.±800 kV直流架空输电线路设计规范:GB 50790—2013[S].北京:中国计划出版社.
[5]中华人民共和国国家能源局.架空输电线路杆塔结构设计技术规定:DL/T 5154—2012[S].北京:中国计划出版社.
[6]中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑结构荷载规范:GB 50009—2012[S].北京:中国建筑工业出版社.
[7]中华人民共和国国家发展和改革委员会.架空送电线路基础设计技术规定:DL/T 5219—2005[S].北京:中国电力出版社.
The Design of Suspended Angle Tower Used in UHV Transmission Lines
TAN Lianfei1,LI Jing2,ZHANG Liangru3,LI Shuai2,YU Mingzhi1
(1.China Energy Engineering Group Yunnan Electric Power Design Institute Co.,Ltd.Kunming 650051,China;2.State Grid Shandong Electric Power Company Economic Research Institute,jinan 250021,China;3.State Grid Chiping Power Supply Company,Liaocheng 252100,China)
The suspended angle tower is the common type used in construction of UHV transmission lines,withstanding the transmission line load of little angle by suspended L-type insulators,effectively reducing the width of the route line and preventing the wind-deviation of conductors.Based on design theory and engineering experience,this article deduces the exact solution of line load acting on load point,presents the planning of tower head and the property of the whole structure.Compared with angle tower under the same condition,the suspended one saves lots of electrical fittings and insulators,reduces steel weight of the tower and material cost of the foundation,having obvious economic and social benefits.
suspended angle tower;load analyze;tower design;economy
TM752
A
1007-9904(2017)10-0054-04
2017-06-25
谭莲飞(1986),男,工程师,从事线路结构设计工作。