某500 kV 架空老旧线路拉V 塔结构优化设计研究

2021-01-25冯超乔磊李伟曹先慧岳一石

湖南电力 2020年6期

冯超，乔磊，李伟，曹先慧，岳一石

(1. 国网湖南省电力有限公司电力科学研究院，湖南长沙410007；2. 国网湖南省电力有限公司输电检修公司，湖南衡阳421000；3. 国网湖南省电力有限公司衡阳供电分公司，湖南衡阳421000；4. 湖南省湘电试验研究院有限公司，湖南长沙410004)

0 引言

老旧输电线路铁塔由于当时的设计规范荷载取值标准低、计算条件限制, 结构分析都依靠简化后的平面桁架通过人工计算来完成, 且荷载工况仅凭既有经验来选取[1-4], 结构可靠性相对较低。近年来, 随着环境条件的恶化、灾害性天气增多[5-9],铁塔受力条件发生改变, 材质及防腐等问题导致的线路隐患问题较多[10-15]。同时, 调查发现多起倒塔事故均是塔型设计缺陷、塔型结构使用不合理等引起, 如某220 kV ZM3-30 拉门塔由于基础定位短筋设计不合理而在风振中倒塔[16], 某500 kV 拉V塔也出现过横担与主柱联板变形故障[17]等。因此,亟需开展老旧典型铁塔安全评估校核, 对在役输电铁塔进行风险评级, 制定针对性的结构优化设计方案。

1 塔线模型建立

1.1 三维塔线结构建模

选取ZV22-33 m 型拉V 塔进行典型工况设计校核, 先依托solidworks 软件建立输电塔三维线条模型, 再将三维模型导入到hypermesh 有限元软件中建立输电塔有限元模型, 之后导出到ANSYS 分析软件进行计算, 如图1 所示。

图1 软件分析模型

1.2 参数配置

根据该线路台帐信息, ZV22-24-33 m 型拉V 塔档距最大的桩号为C51 的杆塔, 受力最大, 其水平档距为421 m, 垂直档距为410 m, 导线的型号为LGJQ-4×300 (1) 10, 地线的型号为1×19-11-1270-A-YB/T 183-2000, 导线绝缘子串金具组装型号为3DX-1, 地线绝缘子串金具组装型号为2BX-1。同时, 该线路处于湖南境内, 气象条件对应典型气候区V, 基本风速为25 m/s, 覆冰厚度为10 mm。

2 载荷加载方法

2.1 塔身风载荷

将塔身分成8 段, 分别选取和计算各段的风载荷系数, 最后计算出每段的风载荷具体数值。依据DL/T 5551-2018 要求, 杆塔风载荷的标准值应按公式 (1) 计算:

式中,W0为基本风压；μz为风压高度变化系数；μs为构件体型系数；βz为高度z 处的杆塔风振系数；B2为杆塔构件覆冰风载荷增大系数；As为迎面风构件的投影面积计算值。

2.2 导、地线风载荷

导线及地线、跳线风载荷的标准值应按公式(2) 计算:

式中,βC为导地线阵风系数；αL为档距折减系数；W0为基本风压；μz为风压高度变化系数；μSC为构件体型系数；d为导线或地线的外径或覆冰时的计算外径；LP为杆塔的水平档距；B1为导、地线覆冰风载荷增大系数；θ为迎面风构件的投影面积计算值。

2.3 绝缘子串风载荷

绝缘子串的风载荷标准值应按公式 (3)计算:

式中,n为垂直风向绝缘子联数；λ1为顺风向绝缘子串风载荷屏蔽折减系数；W0为基本风压；μz为风压高度变化系数；μS1为绝缘子串体型系数；B3为绝缘子串覆冰风载荷增大系数；A1为单联绝缘子串承受风压面积计算值。

2.4 覆冰载荷

在有冰情况下, 各类荷载取值均应计入覆冰的影响, 冰荷载的标准应按公式 (4) 计算:

式中,nS为导线分裂数；g为峰值因子；ρ1为冰密度；c为设计冰厚；d为导线或地线的外径或覆冰时的计算外径；LV为覆冰时的杆塔垂直档距。

2.5 导、地线张力

依据 DL/T 5551-2018 和 DL/T 5154-2012 等标准的要求, 两分裂导线的断线张力 (不平衡张力) 对平地及山地线路分别应取一根导线最大使用张力的40%及50%；两分裂以上导线的纵向不平衡张力, 分别取一相导线最大使用张力的15%、20%及25%且不小于20 kN。对于500 kV 拉线铁塔, 地线断线张力取最大使用张力的40%。

3 典型工况安全性评估

3.1 工况选择

根据设计规范要求, 并结合实际运行工况, 对典型工况进行设计校核: ①设计大风工况 (风速v＝25 m/s)；②设计覆冰工况 (风速v＝ 10 m/s,冰厚10 mm)；③断线工况；④断拉线工况。

3.2 设计大风工况

根据规范的要求, 在设计大风工况计算时, 需要对杆塔进行与线路方向成 0°、45 ° (或 60 °) 及90 °角的3 种基本风速的风向的计算。当90 °风向时, 受力最大, 此工况下, 杆塔受恒载作用: ①杆塔重力；②导、地线重力；③绝缘子串重力；④金具、防震锤重力。计算应力时载荷系数取1.2, 计算位移时载荷系数取1.0。受活载作用: ①杆塔所受风载荷；②导、地线所受风载荷；③绝缘子串所受风载荷。计算应力时载荷系数取1.4, 计算位移时载荷系数取1.0。

拉V 塔最大应力为205.8 MPa, 位于横担与地线支架连接处的主材上, 材质为Q355, 其许用应力为315 MPa, 所以最大应力小于材料的许用应力, 强度满足设计要求。拉 V 塔最大位移为156.12 mm, 位于横担导线悬挂点位置, 《钢结构设计规范》中规定容许挠度值为L/250, 由于拉V塔最大位移小于L/250 ＝39 200/250 ＝156.8 mm,其中L为拉 V 塔的总高度, 所以刚度满足设计要求。

3.3 设计覆冰工况

在此工况下, 杆塔受恒载作用: ①杆塔重力；②导、地线重力；③绝缘子串重力；④金具、防震锤重力。计算应力时载荷系数取1.2, 计算位移时载荷系数取1.0。受活载作用: ①杆塔所受风载荷；②导、地线所受风载荷；③绝缘子串所受风载荷；④导、地线覆冰载荷；⑤绝缘子串、金具覆冰载荷。计算应力时载荷系数取1.4, 计算位移时载荷系数取1.0。

拉V 塔最大应力为124.456 MPa, 位于横担与地线支架连接处的主材上, 最大应力小于材料的许用应力315 MPa, 强度满足设计要求。输电塔最大位移为 40.32 mm, 位于支腿中部位置, 小于L/250＝39 200/250＝156.8 mm, 刚度满足设计要求。

3.4 断导线工况

3.4.1 断两侧的一相导线、地线未断

在此工况下, 杆塔受恒载作用: ①杆塔重力；②导、地线重力；③绝缘子串重力；④金具、防震锤重力。计算应力时载荷系数取1.2, 计算位移时载荷系数取1.0。受活载作用: ①一侧导线的张力；②导、地线所受风载荷；③绝缘子串所受风载荷；④导、地线覆冰载荷；⑤绝缘子串、金具覆冰载荷。计算应力时载荷系数取1.4, 计算位移时载荷系数取1.0。

导线的额定抗拉力为82 kN, 使用安全系数取2.5, 所以导线的最大使用张力为32.8 kN。导线为四分裂导线, 取四分裂导线中一根子导线断线时的断线张力为导线的断线张力, 每一根子导线的最大使用张力为32.8 kN, 取系数0.25, 由于32.8×0.25 ＝8.125 kN, 小于20 kN, 所以导线的断线张力取20 kN, 断线张力加载在断线位置, 方向为顺线路方向。计算应力时载荷系数取1.26, 计算位移时载荷系数取1.0。

拉V 塔最大应力为449.158 MPa, 位置为塔身最下段的斜材, 最大应力大于材料的许用应力315 MPa, 其结构已失效, 不满足设计要求, 需要在此处结构进行局部加强。拉 V 塔最大位移为453.592 mm, 位于横担断线位置, 大于L/250 ＝39 200/250 ＝156.8 mm, 刚度不满足设计要求。

3.4.2 断中间的一相导线、地线未断

在此工况下, 杆塔受恒载作用: ①杆塔重力；②导、地线重力；③绝缘子串重力；④金具、防震锤重力。计算应力时载荷系数取1.2, 计算位移时载荷系数取1.0。受活载作用: 中间导线的张力(20 kN, 加载在断线位置, 顺线路方向)。计算应力时载荷系数取1.26, 计算位移时载荷系数取1.0。

拉V 塔最大应力为75.533 MPa, 位于横担中间位置的主材上, 最大应力小于材料的许用应力315 MPa, 强度满足设计要求。拉V 塔最大位移为29.58 mm, 位于地线支架最顶端, 小于L/250 ＝39 200/250 ＝156.8 mm, 刚度满足设计要求。

3.4.3 断任意一根地线, 导线未断

在此工况下, 杆塔受恒载作用: ①杆塔重力；②导、地线重力；③绝缘子串重力；④金具、防震锤重力。计算应力时载荷系数取1.2, 计算位移时载荷系数取1.0。受活载作用: ①导、地线覆冰载荷；②绝缘子串、金具覆冰载荷；③一根地线的张力。

地线的额定抗拉力为82.55 kN, 使用安全系数取3, 所以导线的最大使用张力为27.5 kN, 取系数40%, 所以地线的断线张力取11 kN, 断线张力加载在断线位置, 方向为顺线路方向。计算应力时载荷系数取1.26, 计算位移时载荷系数取1.0。

拉V 塔最大应力为128.78 MPa, 位于支腿最底端, 最大应力小于材料的许用应力315 MPa, 强度满足设计要求。拉V 塔最大位移为144.036 mm,位于横担悬挂导线的位置, 小于L/250 ＝39 200/250 ＝156.8 mm, 刚度满足设计要求。

3.5 断拉线工况

断一根拉线时, 此工况下, 杆塔受恒载作用:①杆塔重力；②导、地线重力；③绝缘子串重力；④金具、防震锤重力。计算应力时载荷系数取1.2, 计算位移时载荷系数取1.0；无活载。

拉V 塔最大应力为130.471 MPa, 位于横担上安装拉线的位置, 最大应力小于材料的许用应力315 MPa, 强度满足设计要求。输电塔最大位移为224.468 mm, 位于横担悬挂导线的位置, 大于L/250 ＝39 200/250 ＝ 156.8 mm, 刚度不满足设计要求。经综合分析, 无需局部补强可满足安全运行要求。