潘峰，姜文東，宋剛，蔡勇

(1.中國能源建設(shè)集團浙江省電力設(shè)計院有限公司，杭州 310012; 2.國網(wǎng)浙江省電力公司，杭州 310007)

0 引言

國內(nèi)外同塔雙回路桿塔一般采用3層導(dǎo)線橫擔(dān)垂直排列的傘形塔或鼓形塔，對于覆冰地區(qū)線路，考慮相鄰導(dǎo)地線間的水平位移要求，以及“I”串布置時大風(fēng)間隙對導(dǎo)線橫擔(dān)長度的限制，推薦采用3層橫擔(dān)垂直排列的鼓形塔。國家電網(wǎng)公司220 kV輸電線路通用設(shè)計中，雙回路采用鼓形塔。220 kV輸電線路工程中，鐵塔造價占輸電線路總投資的35%以上，降低鐵塔工程量將有效降低工程造價。鐵塔工程量與塔頭尺寸息息相關(guān)，減小塔頭尺寸主要從減小絕緣子串搖擺角，限制懸垂串風(fēng)偏角度等方面考慮。以220 kV典型直線塔為例，大風(fēng)工況下懸垂串最大風(fēng)偏角減小10°，可減小橫擔(dān)長度0.4 m左右。

采用“V”串可消除“I”串風(fēng)偏問題，但“V”串夾角也受風(fēng)偏角控制，按照GB 50545—2010《110 kV～750 kV架空輸電線路設(shè)計規(guī)范》[1]的規(guī)定，輸電線路懸垂“V”串兩肢間夾角的一半可比最大風(fēng)偏角小5°～10°。如果“V”串夾角太小，容易造成“V”串背風(fēng)肢受壓，導(dǎo)致球碗處脫銷、脫落等，嚴重時會掉串。因此，一般采用“V”串塔型的橫擔(dān)較“I”串更長，單基塔質(zhì)量較大，且“V”串絕緣子數(shù)量比“I”串多1倍，增加了本體投資。對于走廊寬度不受限制的山區(qū)，采用“I”串經(jīng)濟性較優(yōu)。

“I”串風(fēng)偏角與風(fēng)速、導(dǎo)線荷載、Kv(Kv=垂直檔距Lv/水平檔距Lh)值、懸垂串質(zhì)量等多因素有關(guān)，在這些因素都無法改變的情況下，考慮采用外力來限制“I”串風(fēng)偏擺動，220 kV輸電線路采用的防風(fēng)偏固定式跳線串就是利用金具的固定作用來限制跳線串?dāng)[動。導(dǎo)線懸垂串無法采用防風(fēng)偏固定式，主要是因為導(dǎo)線的水平荷載很大，如采用固定式，容易造成絕緣子串彎曲、折斷。

本文重點將對倒“Y”串鐵塔的塔型規(guī)劃、絕緣子串受力、金具設(shè)計、結(jié)構(gòu)受力、工程造價等方面進行分析，為該塔在輸電線路工程中的應(yīng)用提供設(shè)計依據(jù)。

1 山區(qū)線路Kv值選擇

在氣象條件、導(dǎo)線型號等確定的情況下，直線塔懸垂串風(fēng)偏搖擺角主要與Kv值有關(guān)：Kv值越大風(fēng)偏角越小，Kv值越小風(fēng)偏角越大。在塔型規(guī)劃時會根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)或工程經(jīng)驗規(guī)定各種直線塔的最小Kv值，實際使用時只要該塔的Kv值大于設(shè)計最小Kv值，即可認為滿足搖擺角要求，各種工況下不會因懸垂串搖擺而導(dǎo)致帶電導(dǎo)線與鐵塔距離不足，進而發(fā)生閃絡(luò)。

山區(qū)輸電線路桿塔排位時，Kv值是桿塔選擇的重要限制因素之一。山區(qū)線路中經(jīng)常出現(xiàn)導(dǎo)線對地距離滿足要求，水平檔距、垂直檔距均不大，Kv值很小的情況，此時設(shè)計人員只能增加塔高、采用設(shè)計Kv值更小的塔型或采取耐張塔開斷措施，均會導(dǎo)致鐵塔工程量增加。圖1所示的典型山地斷面1中，#50塔由于受Kv值控制，開斷為耐張塔，而實際使用條件在I型直線塔范圍內(nèi)，導(dǎo)致工程造價大大提高；圖2所示的典型山地斷面2中，#95塔使用條件在I型直線塔范圍內(nèi)，受Kv值限制，選擇設(shè)計Kv值更小的III型直線塔，且要增加塔高，導(dǎo)致塔重增大，導(dǎo)線對地距離產(chǎn)生不必要的增加。

圖1 山地線路典型斷面1Fig.1 Typical section of mountainous transmission line 1

圖2 山地線路典型斷面2Fig.2 Typical section of mountainous transmission line 2

如能采取一種措施限制懸垂串搖擺角，將大大壓縮塔頭尺寸；同時，在山區(qū)線路塔型選擇中不受Kv值控制，將大大降低工程造價。

2 倒“Y”串塔設(shè)計

220 kV雙回輸電線路采用3層橫擔(dān)布置，可考慮在橫擔(dān)上安裝輔助絕緣子，限制“I”串風(fēng)偏擺動，相當(dāng)于每相布置了一個倒“Y”串，最下層布置一個輔助橫擔(dān)，如圖3所示。

表1 大風(fēng)工況下各絕緣子串受力Tab.1 Stress of insulator strings under strong wind condition kN

圖3 倒“Y”串布置示意Fig.3 Schematic layout of inverted “Y” string

采用此布置方式后，可基本限制“I”串風(fēng)偏搖擺，壓縮橫擔(dān)長度。常規(guī)塔型橫擔(dān)長度受大風(fēng)工況下工頻電壓間隙限制，采用倒“Y”串布置后，塔頭尺寸由外過電壓和帶電作業(yè)間隙值控制。

圖3中，上相橫擔(dān)長度由間隙和線間距離兩個因素控制，按間隙控制布置時可以使用的檔距在800 m左右，如果檔距超過該值，需增大線間距離；中、下相導(dǎo)線考慮了水平偏移，線間距離更大，整個塔型采用了傘形布置方式。

由于限制了“I”串風(fēng)偏搖擺，該塔不受實際Kv值限制，只要導(dǎo)線對地距離滿足規(guī)程要求，鐵塔荷載和張力滿足設(shè)計要求，絕緣子串和金具不超使用條件即可使用。因此，該塔型主要應(yīng)用于Kv值較小(0.1～0.6)的山區(qū)，可以節(jié)約工程量。在無風(fēng)靜止、無縱向張力差情況下，兩支輔助固定絕緣子串處于不受力的“松弛”狀態(tài)；當(dāng)出現(xiàn)大風(fēng)或有縱向張力差時，允許“I”串絕緣子串和輔助固定絕緣子串有小幅度擺動。在兩支輔助固定絕緣子串上，通過金具設(shè)置，能有一定的可調(diào)節(jié)長度，隨受力方向在一定范圍內(nèi)擺動，可改善絕緣子串受力。下面將具體分析不同工況下各絕緣子串的受力情況。

2.1 絕緣子串受力分析

大風(fēng)工況下，“I”串和其中一支輔助固定絕緣子串受力，另一支輔助固定絕緣子串不受力。首先計算絕緣子串長度不可調(diào)節(jié)，“I”串零風(fēng)偏情況下的絕緣子串受力，基本計算條件如下。

(1)導(dǎo)線采用2×JLHA3-675中強度鋁合金絞線，雙分裂水平布置，分裂間距為500 mm。

(2)設(shè)計氣象條件為：基本風(fēng)速25 m/s，覆冰10 mm。

(3)采用合成絕緣子，結(jié)構(gòu)高度為2 350 mm，可通過金具調(diào)節(jié)長度。受導(dǎo)線荷載控制，常規(guī)塔型“I”串合成絕緣子采用單聯(lián)120 kN合成絕緣子。

(4)每支絕緣子金具串質(zhì)量按50 kg考慮。

3支絕緣子受力分別為F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，兩支輔助固定絕緣子夾角α為60°或80°，如圖4所示。在大風(fēng)工況下，各絕緣子串的受力見表1。

圖4 倒“Y”串受力示意Fig.4 Schematic of stress characteristic for inverted “Y” string

從表1可知，隨著α的減小和Lh，Lv的增大，絕緣子串受力增大，當(dāng)Lh=380 m，Lv=550 m，α=80°時，“I”串絕緣子受力為31.3 kN，常規(guī)塔型使用時受力為22.2 kN，受力增大41%，可使用120 kN合成絕緣子；當(dāng)Lh=600 m，Lv=1 000 m，α=60°時，“I”串絕緣子受力為62.20 kN，常規(guī)塔型使用時受力為39.44 kN，受力增大58%，需使用210 kN絕緣子。

大風(fēng)工況下，“I”串懸垂串受力增大，可增大絕緣子串強度；輔助固定絕緣子串受力隨著夾角α而變化，夾角越大，受力越小，選用常規(guī)絕緣子串即可滿足強度要求。

假設(shè)輔助固定絕緣子串可伸縮范圍Δd=200 mm(通過金具設(shè)置)，當(dāng)“I”串?dāng)[動一定角度后，其中一支輔助固定絕緣子串伸長達200 mm，限制了“I”串繼續(xù)擺動，另一支輔助固定絕緣子串長度縮短至200 mm以下，處于不受力狀態(tài)。計算此情況下各絕緣子串受力，計算結(jié)果見表2。

表3 覆冰工況下各絕緣子串受力Tab.3 Stress of insulator strings under ice coating condition kN

表4 存在縱向張力差時各絕緣子串受力Tab.4 Stress of insulator strings under longitudinal tension difference kN

表2 大風(fēng)工況下各絕緣子串受力(可調(diào)節(jié))Tab.2 Stress of insulator strings under strong wind condition(adjustable) kN

對比表1和表2可知，由于輔助固定絕緣子的可伸縮性，使得絕緣子串受力明顯減小，F(xiàn)1減小11.6%，F(xiàn)2和F3減小32.6%。

隨著可調(diào)節(jié)范圍增大，絕緣子串受力進一步減小，但調(diào)節(jié)范圍增大將導(dǎo)致“I”串搖擺范圍增加，間隙增大，橫擔(dān)增長。經(jīng)計算，“I”串大風(fēng)工況擺動15°以內(nèi)，受外過電壓間隙控制，整體間隙圓大小不發(fā)生變化。考慮到輔助固定絕緣子串可調(diào)節(jié)范圍太大，較難實現(xiàn)，推薦調(diào)節(jié)范圍在200～ 300 mm，大風(fēng)工況下“I”串最大可擺5°左右，可實現(xiàn)絕緣子串受力減小，塔窗尺寸不變。

覆冰工況下導(dǎo)線承受覆冰垂直荷載，同時也有覆冰風(fēng)荷載。取導(dǎo)線覆冰10 mm，Δd=200 mm，α=80°，各絕緣子串受力見表3。

從表2、表3可見，當(dāng)覆冰垂直荷載較大時，輔助固定絕緣子串處于不受力的“松弛”狀態(tài)，“I”串承受全部荷載。

導(dǎo)線架設(shè)完成后，懸垂“I”串處于鉛垂?fàn)顟B(tài)，當(dāng)氣溫、荷載等條件變化時，懸垂串兩側(cè)出現(xiàn)縱向不平衡張力，“I”串偏移直至兩側(cè)受力平衡。采用倒“Y”串設(shè)置時由于3支絕緣子串基本將懸垂線夾固定，如果不發(fā)生任何偏移，出現(xiàn)縱向張力時，絕緣子串張力將無窮大，因此實際使用時也需在兩支輔助固定絕緣子串上設(shè)置可伸長調(diào)節(jié)范圍。此時，各絕緣子串受力如圖5所示。

圖5 倒“Y”串受力示意(存在縱向張力差)Fig.5 Schematic of stress characteristic for inverted “Y” string(longitudinal tension difference)

計算時垂直荷載按覆冰10 mm考慮，無風(fēng)，導(dǎo)線最大使用張力為61.446 kN，不平衡張力取相導(dǎo)線最大使用張力的10%，Δd=100 mm或200 mm，由此得到各絕緣子串的受力，見表4。

從表4中可知：當(dāng)承受縱向不平衡張力時，“I”串受力較大，輔助固定絕緣子串受力不大；當(dāng)同時承受垂直荷載時，輔助固定絕緣子可能失去作用，處于不受力的“松弛”狀態(tài)，能調(diào)節(jié)長度越大，垂直荷載越大，越容易出現(xiàn)松弛狀態(tài)，此時全部張力和荷載全部由“I”串承擔(dān)。

如果考慮斷線工況，斷線張力按規(guī)程取最大使用張力的30%，垂直荷載按Lv=300 m的覆冰工況計算，輔助固定絕緣子最大可伸縮長度Δd=200 mm，各絕緣子串受力見表5。

表5 斷線工況下各絕緣子串受力Tab.5 Stress of insulator strings under break condition kN

可見，斷線工況下，當(dāng)覆冰垂直檔距Lv小于300 m時，采用120 kN合成絕緣子可滿足強度要求。

2.2 絕緣子金具串設(shè)計

采用倒“Y”串布置時，給輔助固定絕緣子串提供200 mm左右的可伸縮長度，對絕緣子串受力有較大好處，因此金具串組裝時在兼顧轉(zhuǎn)動靈活、受力均勻的情況下還需設(shè)置成長度可調(diào)。3支絕緣子串連接處的聯(lián)板也需單獨設(shè)計。為保證3支絕緣子串連接，同時懸垂線夾風(fēng)偏時不與聯(lián)板相碰，單獨設(shè)計的聯(lián)板如圖6所示。

圖6 倒“Y”串金具聯(lián)板Fig.6 Fitting plate for inverted “Y” string

輔助固定絕緣子串在正常工況下不受力，受力后最長能伸出200 mm，受力消失后絕緣子串又能恢復(fù)原長。本文考慮了兩種方案，如圖7、圖8所示，設(shè)計了如圖9所示的新型金具串。

圖7 輔助固定絕緣子串(帶PT調(diào)整板)Fig.7 Schematic of auxiliary fixed insulator strings(with PT adjustment plate)

圖8 輔助固定絕緣子串(帶延長環(huán))Fig.8 Schematic of auxiliary fixed insulator strings (with extension ring)

3 倒“Y”串塔結(jié)構(gòu)特性分析

設(shè)計的倒“Y”串塔Lh=380 m，Lv=550 m，倒“Y”串塔和常規(guī)塔的尺寸和間隙圓如圖10所示。

利用ANSYS對鐵塔進行建模，鋼材的彈性模量E=2.06×1011N/m2，密度ρ=7 850 kg/m3，泊松比μ=0.3。選用分塊Lanczos法，并分別采用梁系模型和桿系模型計算輸電塔的模態(tài)和頻率，倒“Y”串塔的前6階模態(tài)如圖11所示，前6階頻率計算結(jié)果見表6。從表中數(shù)據(jù)可知：倒“Y”串塔的前6階頻率采用桿系模型與梁系模型的計算值基本一致，一般采用桿系模型可以滿足工程要求；第1、第2階頻率>1.5 Hz，說明塔整體剛度較好；由于輸電塔受力分析主要研究輸電塔水平方向的振動，因此重點考慮塔的前兩階彎曲振型。

根據(jù)我國規(guī)范，風(fēng)振系數(shù)β的定義為：一定時間內(nèi)風(fēng)對結(jié)構(gòu)的總效應(yīng)與平均風(fēng)產(chǎn)生的效應(yīng)之比。β可表示為以下形式

(1)

具體到輸電塔結(jié)構(gòu)，各高度處的風(fēng)振系數(shù)βL(z)的定義為

表6 倒“Y”串塔前6階頻率Tab.6 The first six frequencies of inverted “Y” string towers

注：x向為垂直線路方向，y向為順線路方向。

圖9 倒“Y”型絕緣子金具串Fig.9 Fitting string for inverted “Y” insulator

圖10 倒“Y”串塔和常規(guī)塔單線圖Fig.10 Schematic of inverted “Y” string towers and conventional towers

圖11 倒“Y”串塔前6階模態(tài)Fig.11 The first six-order modes of inverted “Y” string towers

(2)

按照GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[2]的定義，結(jié)構(gòu)在z高度的風(fēng)振系數(shù)為

(3)

式中：ξ為脈動增大系數(shù)；v為脈動影響系數(shù)；φz為振型系數(shù)；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)。

按照GB 50135—2006《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[3]中的規(guī)定

βz=1+ξε1ε2，

(4)

式中：ε1為考慮風(fēng)壓脈動和風(fēng)壓高度變化等的修正系數(shù)；ε2為考慮振型、結(jié)構(gòu)外形的影響系數(shù)。

結(jié)合文獻[4-7]的方法，表7為塔身主要節(jié)點的風(fēng)振系數(shù)，表8為地線架及橫擔(dān)主要節(jié)點的風(fēng)振系數(shù)。

表10 #4塔方案對比Tab.10 Scheme comparison for No.4 tower

注：合成絕緣子按500元/支計，盤式絕緣子按160元/片計，塔材按11 000元/t計。

從表7、表 8 可知：倒“Y”串塔的塔身風(fēng)振系數(shù)與常規(guī)塔分布一致，具體表現(xiàn)為下小上大；地線支架及橫擔(dān)的風(fēng)振系數(shù)的推薦取值2.50偏大，建議地線支架及上中下橫擔(dān)風(fēng)振系數(shù)取值為2.40，2.30，2.20，2.00。

表7 塔身部位的風(fēng)振系數(shù)取值對比Tab.7 Wind vibration coefficient of tower bodies

表8 地線架及橫擔(dān)風(fēng)振系數(shù)Tab.8 Wind vibration coefficient of ground frame and cross-arm

4 倒“Y”串塔技術(shù)經(jīng)濟分析

兩種塔型的塔質(zhì)量對比見表9。由表9可見，倒“Y”串塔比常規(guī)塔質(zhì)量大10%～15%，平均大13%。

倒“Y”串塔主要用在Kv值較小的地區(qū)，如圖12中的斷面，#4塔在滿足最小對地距離的情況下，呼高需27 m，此時Lh=350 mm，Lv=117 mm，Kv=0.334，該塔型選擇可以有幾種方案，在滿足各種塔型最小規(guī)劃Kv值情況下的塔高、塔質(zhì)量等信息見表10。

表9 倒“Y”串塔與常規(guī)塔質(zhì)量對比Tab.9 Weight comparison of inverted “Y” string towers and conventional towers

圖12 山區(qū)輸電線路塔型選擇示意Fig.12 Schematic of tower type selection for transmission lines in mountainous areas

從表10可知，由于#4塔Kv值較小，采用常規(guī)塔型時，如果要滿足Kv值要求，需要塔高或者采用耐張塔，此時使用倒“Y”串塔具有優(yōu)勢，最少比采用46 m呼高的Ⅰ型直線塔節(jié)省3.1萬元， 最多比采用Ⅰ型耐張塔節(jié)約19.1萬元。

如果#4塔在滿足對地距離情況下Kv值更小，常規(guī)塔型還需要繼續(xù)升高才能滿足要求，甚至最高設(shè)計塔高也不滿足要求，此時設(shè)計人員一般只能采取耐張開斷措施，應(yīng)用倒“Y”串塔的經(jīng)濟優(yōu)勢將會更加明顯。表11為常規(guī)塔型與倒“Y”串塔型綜合投資基本相當(dāng)時的呼高對比。

倒“Y”串塔由于使用時不受Kv值控制(Kv需大于0)，可選擇滿足導(dǎo)線對地距離要求的最小呼高，而選擇常規(guī)塔型也必須大于此呼高，否則對地距離將不足。

表11 倒“Y”串塔與其他塔型投資相當(dāng)時的呼高對比Tab.11 Contrast of nominal height between inverted “Y” string towers and other type of towers

從上表總結(jié)可知，如果山區(qū)輸電線路鐵塔選型時因Kv值選擇Ⅲ型直線塔或者開耐張，或選擇比倒“Y”串塔呼高大3 m的Ⅱ型直線塔、呼高大6 m的Ⅰ型直線塔，經(jīng)濟性均不如倒“Y”串塔。

若某一基塔采用倒“Y”串塔最小呼高為30 m，Kv值為0.4，如果采用46 m的Ⅰ型直線塔、39 m的Ⅱ型直線塔、35 m的Ⅲ型直線塔或27 m的耐張塔可以滿足使用要求，則采用倒“Y”串塔具有優(yōu)勢。

5 結(jié)論

本文重點對倒“Y”串鐵塔的塔型規(guī)劃、絕緣子串受力、金具設(shè)計、結(jié)構(gòu)受力、工程造價等方面進行對比分析，可以得出以下結(jié)論。

(1)倒“Y”串塔基本限制了“Ⅰ”串風(fēng)偏搖擺，可縮小橫擔(dān)長度，設(shè)計排桿時不受Kv值限制。

(2)輔助固定絕緣子串通過金具設(shè)置成可伸縮長度為200 mm，夾角為80°，正常狀態(tài)下不受力；倒“Y”串塔大風(fēng)時“Ⅰ”串絕緣子受力為31.3 kN，較常規(guī)I型直線塔“Ⅰ”串受力增大41%，選用120 kN合成絕緣子滿足強度要求。

(3)當(dāng)存在縱向不平衡張力時，“Ⅰ”串絕緣子受力增加較大，輔助固定絕緣子受力不大，在不平衡張力為最大使用張力的10%、垂直檔距Lv小于400 m的覆冰工況下，懸垂“Ⅰ”串可采用120 kN絕緣子。

(4)斷線工況下，當(dāng)覆冰垂直檔距Lv小于300 m時，采用120 kN合成絕緣子可滿足強度要求。

(5)得出了倒“Y”串塔的自振頻率和自振周期，塔整體剛度較好，與常規(guī)塔一致，主要考慮1階、2階模態(tài)的作用。

(6)利用時程分析法對倒“Y”串的風(fēng)振系數(shù)進行了分析，結(jié)合我國設(shè)計規(guī)范，得出了不同部位的風(fēng)振系數(shù)的建議取值，建議倒“Y”串塔塔身加權(quán)風(fēng)振系數(shù)取值1.60，地線架與上橫擔(dān)、中橫擔(dān)、下橫擔(dān)和托架分別取2.40，2.30，2.20，2.00。

(7)倒“Y”串塔與常規(guī)的Ⅰ型直線塔相比，塔質(zhì)量平均增加13%左右。在滿足導(dǎo)線對地距離的情況下，如因Kv值原因，選擇呼高大于6 m的Ⅰ型塔、呼高大于3 m的Ⅱ型塔或Ⅲ型直線塔，經(jīng)濟性均不如倒“Y”串塔。

(8)一些Kv值特別小的塔，采用最高設(shè)計的常規(guī)直線塔也可能不滿足Kv值要求，必須通過開耐張解決，此時采用倒“Y”串塔，塔質(zhì)量能減小45%，單基節(jié)約投資19萬元左右。