双回输电塔单回路运行时的导线拆除方案研究

上海电力设计院有限公司 王福祯

某500kV 双回线路工程是“皖电东送”西通道的重要组成部分，但近年来连续发生了较为严重的冰灾事故。为保证此通道和线路安全，并结合差异化设计理念，考虑采用新建一回路、另一回路拆除一回三相导线改造为单回路的方案，以提高线路抗冰能力和通道安全。

同塔双回铁塔拆除一回三相导线后改造为单回路，需要对原铁塔的承载力进行校验。在设计条件不变的前提下，导线的线条荷载减小一半，铁塔主材内力会减小。但拆除导线后受到一相导线产生的不平衡力及铁塔埃菲尔效应的影响，部分塔身斜材可能会出现利用率增大的情况，当出现不满足规程、规范要求的利用率超标杆件，在拆除导线之前须替换。因此，需要对拆除导线的方案进行比较分析。

1 铁塔埃菲尔效应

塔架设计中的埃菲尔效应，是指塔架的外形似著名的法国埃菲尔塔形状，主材采用多个坡度段，使之呈抛物线形状，由此而产生的对塔架腹杆（斜材）系统受力的影响，其物理概念如图1所示。

图1 埃菲尔效应示意图

假定交叉斜材单根斜材内力为S 且两根斜材内力大小相等，方向相反，则S 为：

根据上式（1）可知：由于塔架的多个坡度段使主材有了转折点，斜材内力S 就不一定正比于总的外荷载值，而是取决于P上d上和P下d下的差值。当P上d上和P下d下的值非常接近时，塔身交叉斜材的内力几乎近似为0。对于输电线路而言，风灾是最为严重的一种自然灾害。风速作为随机过程，在空间三个方向都随着时间发生变化，会使斜材内力产生较大的变化，严重时甚至会引发事故。

2 导线拆除方案

原线路采用同塔双回路铁塔架设，对原通道线路进行局部改造（拆除一回三相导线）。按照拆除单边（左边或右边）三相导线，铁塔会出现单侧挂线的情况，对铁塔受力极为不利，因此下文仅考虑按照三角排列的方式拆除导线，则有六种方案：一是拆除上导线2相，中导线1相；二是拆除上导线2相，下导线1相；三是拆除中导线2相，上导线1相；四是拆除中导线2相，下导线1相；五是拆除下导线2相，上导线1相；六是拆除下导线2相，中导线1相。拆除导线方案示意图如图2所示（O 表示导线挂线，X 表示导线拆除）。

图2 拆除一回三相导线的方案

采用通用杆塔设计软件对以上六种方案进行计算。

3 铁塔验算

3.1 计算原则

原线路采用的设计规程为：《110～500kV 架空送电线路设计技术规程》（DL/T 5092-1999）[1]及《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》（DL/T 5154- 2002）[2]，本次计算仍采用上述规程。

原工程杆塔设计时，各塔型均考虑了正常运行、断线、安装、覆冰、不均匀冰等工况，本次仍按相同工况开展杆塔的承载力计算。

3.2 计算条件

设计最大风速：29m/s（10m 基准高）；覆冰：导线10mm，地线15mm；导线为4×LGJ-630/45钢芯铝合金绞线，地线1根为JLB20-150铝包钢绞线，另1根采用OPGW-150光缆。

耐张塔的塔身斜材一般受不平衡张力（事故、安装工况）的控制，埃菲尔效应的影响不起控制作用，在此不作计算。因此，选取本工程典型直线塔SZT13-30，原工程铁塔挂双回导线时所受荷载及应力示意图如图3所示。

图3 典型直线塔SZT13-30荷载及应力图

根据图3可知，变坡以下主材延长线的交点0近似在中导线横担附近，且杆件的利用率均未超标。

3.3 计算方法

进行埃菲尔效应计算时，一般采用以下3种方法：折减系数法、剪力比法和内力比法。本文采用折减系数法进行计算。折减系数法主要适用于90°大风或0°大风情况，是以杆塔变坡段塔身主材延长线的交点0为分界点，将杆塔分成为上、下两部分，在各部分上分别作用设计风载和考虑折减系数的折减风载，组成若干不同的风荷载工况，从而求得塔身风荷载最不利分布下的斜材最大内力，如图4所示。

图4 折减系数法计算简图

对于悬垂型杆塔，折减系数一般取0.3。故本工程典型直线塔SZT13-30的塔身折减风载按照折减系数0.3进行计算。

3.4 计算结果

经计算，直线塔SZT13-30按照上述六种方案拆除一回三相导线后的应力示意图如图5所示。

图5 拆除三相导线后铁塔的应力图

图5中显示的粗红色为应力超标杆件，对比应力图发现：拆除3相导线后塔身主材利用率降低，但塔身斜材利用率增大。不同的导线拆除方案导致塔身斜材超标杆件的位置和数量也大不相同。

各种方案中，拆除中导线2相及下导线1相导线（即方案4）对原结构产生的影响最小，没有出现应力超标的杆件。以下仅对拆除中导线2相及下导线1相导线（即方案4）的杆件利用率进行研究，表1为利用率增大的杆件信息。

表1 拆除中导线2相及下导线1相（方案4）利用率增大的杆件信息

根据表1可知，拆除中导线2相及下导线1相导线（共计一回三相）后，部分塔身斜材出现了利用率增大的情况，但均未超标。塔身斜材利用率增大的百分比范围为1.1%～11%。利用率平均增大了6.8%。

4 原因分析

根据埃菲尔效应原理可知，斜材内力S 取决于P上d上和P下d下的比值或者差值。根据式（1）可知，当P上d上与P下d下的差值最小时，斜材内力S 最小。变坡以下主材延长线的交点0近似在中导线横担附近，则中导线2相导线的线条荷载对0点产生的力矩很小，可近似忽略不计。因此，拆除中横担两相导线对铁塔的影响最小。同时，拆除下导线横担一相导线后产生的不平衡力的影响范围也最小。与通用软件计算结果相吻合。

综上，双回路铁塔拆除中导线2相及下导线1相（共计1回3相导线），即方案4，当按原工程气象条件和原设计规程进行计算时，塔身斜材内力增大的比例最小，为最优方案。实际设计过程中还需考虑施工难度、工程经济等因素综合考虑来确定最终方案。

一是双回路铁塔拆除一回（共计3相）导线后，主材的利用率降低，但由于铁塔埃菲尔效应的影响，部分塔身斜材的利用率增大。二是不同的导线拆除方案对塔身斜材内力的影响不同。根据铁塔埃菲尔效应原理，拆除中导线2相及下导线1相导线（共计1回3相）时，塔身斜材内力利用率增大百分比最小。三是当曲线形输电塔需在拆除部分导线后继续运行时，应优先选择沿高度方向距离主材延长线交点最近的导线进行拆除，以期尽可能减小塔身斜材受力计算时的上部弯矩，从而最大限度地降低铁塔改造费用和施工难度。