姜 嵐，羅曼平，黃 力，吳 田，唐 偉，陳 大

（1.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北宜昌 443002；2.湖北省輸電線路工程技術(shù)研究中心（三峽大學(xué)），湖北宜昌 443002；3.中國葛洲壩集團(tuán)電力有限責(zé)任公司，湖北武漢 430034；4.貴州省送變電有限責(zé)任公司，貴州貴陽 550002）

0 引言

隨著材料技術(shù)的發(fā)展，針對各行各業(yè)所出現(xiàn)的難題，新型材料無疑為解決各類難題提供了新的途徑，就輸電線路而言，針對其局限性，復(fù)合橫擔(dān)桿塔應(yīng)運(yùn)而生。復(fù)合橫擔(dān)桿塔與傳統(tǒng)桿塔相比，其橫擔(dān)采用高強(qiáng)度復(fù)合絕緣材料，導(dǎo)線與復(fù)合橫擔(dān)端部可直接通過金具相連[1-6]，基于此特點(diǎn)，可減小導(dǎo)線風(fēng)偏擺動(dòng)的區(qū)間，由此大幅度降低輸電走廊，降低土地用量，同時(shí)由于復(fù)合橫擔(dān)水平布置，可杜絕鳥害，提升防雷、耐污閃、耐雨閃、耐冰閃水平[7-13]。復(fù)合橫擔(dān)桿塔具有良好的電氣性能和經(jīng)濟(jì)性能，但由于復(fù)合橫擔(dān)桿塔取消了懸垂絕緣子串，懸垂串的長度將大幅度降低，對于采用分裂導(dǎo)線的高壓輸電桿塔，其縱向不平衡張力將急劇增加[12，14]，這對復(fù)合橫擔(dān)桿塔強(qiáng)度提出了考驗(yàn)，研究表明，縱向不平衡張力主要控制桿塔塔身側(cè)面斜材和塔身橫隔面的部分桿件。如果不考慮一定的縱向不平衡張力，就會(huì)導(dǎo)致塔身側(cè)面剛度太低，當(dāng)發(fā)生導(dǎo)線斷線、覆冰等縱向不平衡張力時(shí)，鐵塔側(cè)面斜材因承受不了縱向不平衡荷載而倒塔[15]，因此，輸電線路不平衡張力問題一直是工程領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)。

文獻(xiàn)[16]分析了2008 年輸電線路冰災(zāi)倒塔原因，分析得出鐵塔倒塌破壞的最主要原因在于導(dǎo)線覆冰過載及其產(chǎn)生過大的縱向不平衡張力。文獻(xiàn)[17]通過等線長法原理編制計(jì)算程序精確計(jì)算了不均勻覆冰條件下桿塔所受的不平衡張力。文獻(xiàn)[18]通過有限元法計(jì)算線路不平衡張力，并考慮多種因素對線路不平衡張力的影響。文獻(xiàn)[19]通過瞬態(tài)有限元的方法計(jì)算導(dǎo)線脫冰時(shí)的不平衡張力，探討不同脫冰方式下對線路不平衡張力的影響?，F(xiàn)有文獻(xiàn)主要集中在傳統(tǒng)線路不平衡張力的計(jì)算與分析方面，而針對復(fù)合橫擔(dān)桿塔不平衡張力分析及應(yīng)對措施方面的研究則未見報(bào)道。

針對500 kV 復(fù)合橫擔(dān)桿塔，本文設(shè)計(jì)了一種調(diào)節(jié)復(fù)合橫擔(dān)桿塔不平衡張力的裝置，并給出計(jì)算模型及算法來計(jì)算桿塔在使用裝置時(shí)承受的不平衡張力，通過對比使用裝置前后復(fù)合橫擔(dān)桿塔承受不平衡張力大小來驗(yàn)證裝置的有效性。

1 不平衡張力調(diào)節(jié)裝置設(shè)計(jì)

1.1 固定掛點(diǎn)不平衡張力分析

復(fù)合橫擔(dān)桿塔宜使用金具成串[20]，但由于取消了絕緣子串使懸垂串長度大大縮短，就500 kV 線路而言，傳統(tǒng)鐵塔懸垂串長度達(dá)到6 m，而其典型300 kN金具串長度僅1.255 m[21]，現(xiàn)針對這2 種串長，設(shè)定工況計(jì)算直線桿塔承受的不平衡張力，工況參數(shù)設(shè)置為：檔數(shù)7 檔，檔距均為400 m，高差均為0，導(dǎo)線采用4×LGJ-500/45 鋼芯鋁絞線，線路位于10 mm覆冰區(qū)，不均勻覆冰工況為前4 檔覆冰100%，后3檔覆冰20%[22]。

利用文獻(xiàn)17 中的計(jì)算方法，計(jì)算得到6 m 串長時(shí)桿塔承受的最大不平衡張力為5 715.59 N；1.255 m串長時(shí)桿塔承受的最大不平衡張力為13 294.25 N，可知，由于串長的大幅度減小，桿塔承受的最大不平衡張力成倍數(shù)增長。如果將1.255 m 的金具串應(yīng)用于500 kV 復(fù)合橫擔(dān)桿塔，桿塔設(shè)計(jì)強(qiáng)度將需大大提高，使成本陡然上升，故提出應(yīng)對措施意義重大。

1.2 不平衡張力調(diào)節(jié)裝置

傳統(tǒng)懸垂型桿塔的懸垂串端點(diǎn)與橫擔(dān)的連接采用固定式掛點(diǎn)，當(dāng)直線塔兩側(cè)出現(xiàn)不平衡張力時(shí)，懸垂串向大張力側(cè)傾斜，使大張力側(cè)導(dǎo)線松弛，張力減小，而另一側(cè)張力增大，使直線塔承受的不平衡張力降低，且懸垂串越長，其能夠偏移的距離就越大，降低桿塔承受的不平衡張力的效果越好[15]，而復(fù)合橫擔(dān)桿塔由于其金具串長度較短，其偏移距離有限，致使復(fù)合橫擔(dān)桿塔易承受較大不平衡張力。

現(xiàn)通過在復(fù)合橫擔(dān)端部掛點(diǎn)增加1 個(gè)滑動(dòng)裝置，將金具串端部與復(fù)合橫擔(dān)的連接方式由固定式掛點(diǎn)改為滑動(dòng)式掛點(diǎn)，通過掛點(diǎn)的滑動(dòng)距離來補(bǔ)償復(fù)合橫擔(dān)桿塔金具串偏移距離有限的不足，當(dāng)導(dǎo)線因不均勻覆冰等原因產(chǎn)生不平衡張力時(shí)，能夠通過掛點(diǎn)的滑動(dòng)調(diào)節(jié)以及懸垂串的傾斜來調(diào)節(jié)桿塔承受的不平衡張力，保障線路安全。裝置示意圖如圖1 所示。

圖1 新型滑動(dòng)式掛點(diǎn)裝置裝置整體圖FIG.1 Overall diagram of new sliding hanging point device

掛點(diǎn)的移動(dòng)通過軸承在隧道式軌道上滾動(dòng)實(shí)現(xiàn)，金具串、自恢復(fù)彈簧與2 個(gè)軸承的連接軸同軸心連接，軸承兩側(cè)彈簧剛度、長度相等，彈簧的恢復(fù)力作用可使當(dāng)桿塔承受的不平衡張力減小時(shí)掛點(diǎn)回到裝置中間位置，裝置金具間具體連接示意圖如圖2 所示。

圖2 新型滑動(dòng)式掛點(diǎn)裝置局部圖FIG.2 Local view of new sliding point device

2 不平衡張力調(diào)節(jié)裝置設(shè)計(jì)方法

采用滑動(dòng)式掛點(diǎn)裝置后，在計(jì)算耐張段連續(xù)檔不平衡張力時(shí)，在經(jīng)典算法[17，23-26]的基礎(chǔ)上，需考慮裝置上彈簧剛度、彈簧形變量的影響。

2.1 力學(xué)模型

輸電線路在架線時(shí)各檔的水平應(yīng)力相等，各檔的懸垂串均處于鉛錘狀態(tài)，但當(dāng)氣象條件發(fā)生變化，如各檔覆冰不均勻時(shí)，各檔的水平應(yīng)力不再相等，造成懸垂串發(fā)生偏移、導(dǎo)線掛點(diǎn)滑動(dòng)，各檔檔距隨之發(fā)生變化，計(jì)算示意圖如圖3 所示。其中，σi為第i檔的水平應(yīng)力；li為耐張段內(nèi)懸垂串處于中垂位置第i檔的檔距；Δli為第i檔檔距的增量；δi為第i基直線桿塔上懸垂串導(dǎo)線懸掛點(diǎn)順線路水平偏距；λi為第i基桿塔上懸垂串的串長；xi為裝置上掛點(diǎn)的水平移動(dòng)量；h1為懸垂串處于中垂位置時(shí)，第1 檔導(dǎo)線懸掛點(diǎn)之間的高差；β1為懸垂串處于中垂位置第1 檔的高差角。

圖3 計(jì)算示意圖Fig.3 Calculation diagram

由狀態(tài)方程式可得到第i檔檔距變化量與第i檔一相子導(dǎo)線應(yīng)力的關(guān)系，如式（1）所示：

式中：α，E為導(dǎo)線的溫度膨脹系數(shù)、彈性系數(shù)；tm，σm，Δte，γm分別為導(dǎo)線架線時(shí)的氣溫、相應(yīng)氣溫下耐張段內(nèi)架空線的水平應(yīng)力、架線時(shí)考慮初伸長降低的等效溫度、架線時(shí)各檔的自重比載；t，γi分別為計(jì)算不平衡張力時(shí)的氣溫、架線時(shí)各檔的比載。

桿塔承受不平衡張力時(shí)，一相分裂導(dǎo)線掛點(diǎn)的等效受力分析圖如圖4 所示。其中，Wci為一相子導(dǎo)線作用于掛點(diǎn)的垂向荷載；N為導(dǎo)線分裂數(shù)；A為子導(dǎo)線截面積；Gi為第i基桿塔上懸垂串的荷載。

由力矩平衡關(guān)系可得式（2）：

Wci計(jì)算如式（3）所示：

將式（3）代入式（2）可得第i+1 檔子導(dǎo)線的應(yīng)力可由第i檔子導(dǎo)線的應(yīng)力和懸垂串的偏移量求得，如式（4）所示：

考慮彈簧偏移量得：

式中：ki為彈簧剛度。

第i基直線桿塔上懸垂串導(dǎo)線懸掛點(diǎn)順線路水平偏距為：

由于耐張段兩側(cè)桿塔為耐張塔，故有各檔的檔距變化量之和為0，即：

耐張段內(nèi)若有n檔，則有n-1 基直線桿塔。利用式（1）可列出n個(gè)方程；利用式（4）可列出n-1 個(gè)方程；利用式（5）可列出n-1 個(gè)方程；利用式（6）可列出n-1 個(gè)方程；利用式（7）可列出1 個(gè)方程，共可列出4n-2 個(gè)方程，有xi，δi，σi，Δli共4n-2 個(gè)未知量，可得到求解。

2.2 計(jì)算方法

由于式（1），式（4）—式（7）組成的方程組為高元多次非線性方程組，需借助計(jì)算機(jī)編程求解，對方程組直接求解比較困難，而采用試湊法更加方便快捷且精度較高，試湊法步驟如下：

驟1）重新假定σ1，直至滿足式（7）為止。

3 算例分析

本文設(shè)計(jì)的滑動(dòng)式掛點(diǎn)裝置釋放不平衡張力的效果可以通過對比復(fù)合橫擔(dān)桿塔在使用裝置前后桿塔承受不平衡張力的大小來驗(yàn)證，而由于桿塔承受較大不平衡張力往往發(fā)生在不均勻覆冰工況下[16，18，27-29]，故在不均勻覆冰工況下來驗(yàn)證裝置的使用效果。

3.1 計(jì)算參數(shù)

設(shè)有500 kV 四分裂線路在某一耐張段的直線塔使用復(fù)合橫擔(dān)桿塔，在直線桿塔上使用本文裝置，導(dǎo)線采用4×LJG-500/45 鋼芯鋁絞線，線路處于20 mm 覆冰區(qū)，不均勻覆冰工況為前4 檔覆冰100%，后3 檔覆冰20%[22]，計(jì)算氣溫-5℃，無風(fēng)，懸垂金具串長度為1.255 m，重量為762 N[21]，子導(dǎo)線安裝應(yīng)力為45.1 MPa，各檔具體參數(shù)如表1 所示，高差為負(fù)值表示該檔導(dǎo)線左懸掛點(diǎn)高于右懸掛點(diǎn)。

表1 各檔具體參數(shù)Table 1 Specific parameters of each span

3.2 結(jié)果對比

根據(jù)3.1 節(jié)參數(shù)，分別計(jì)算采用傳統(tǒng)固定式掛點(diǎn)與采用新型滑動(dòng)式掛點(diǎn)裝置后各復(fù)合橫擔(dān)直線桿塔承受的不平衡張力，新裝置上的彈簧取多個(gè)剛度，不平衡張力計(jì)算結(jié)果對比如表2 所示（表中編號為直線塔編號，下同，另一種掛點(diǎn)系新裝置上的彈簧取3 種剛度）。

表2 2種掛點(diǎn)下各直線塔所受不平衡張力計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculation results of unbalanced tension of linear towers under two kinds of hanging points kN

從表2 可知，承受最大不平衡張力塔為不均勻覆冰的分界塔4，在采用新型滑動(dòng)式掛點(diǎn)裝置后，裝置彈簧剛度設(shè)置為40 kN/m 時(shí)，與固定式掛點(diǎn)相比，分界塔4 的不平衡張力明顯降低，降低了約22%，而其他塔的不平衡張力由于裝置的調(diào)節(jié)作用有所增大，但不構(gòu)成控制條件，說明裝置在承受最大不平衡張力的桿塔處作用顯著。

新型裝置在承受最大不平衡張力桿塔處的效果最明顯，而由于裝置對不平衡張力的調(diào)節(jié)作用使得其他桿塔承受的不平衡張力有所增大，因此在各基直線桿塔均采用該裝置顯然不經(jīng)濟(jì)，基于此特點(diǎn)，若只在第4 基桿塔采用裝置，并將裝置上自恢復(fù)彈簧剛度設(shè)置為40 kN/m，其他桿塔采用固定式掛點(diǎn)，計(jì)算結(jié)果與表2 中數(shù)據(jù)對比如下表3 所示。

表3 2種情況下的不平衡張力Table 3 Unbalanced tension under two cases kN

從表3 可知，若只在承受最大不平衡張力的第4 基塔使用裝置，與各直線塔均使用裝置相比，第4基塔承受的不平衡張力進(jìn)一步降低4.5%，而其他塔則有較小幅度升高，且不構(gòu)成控制條件，因此，建議只在承受最大不平衡張力塔處使用本文設(shè)計(jì)裝置。

新型裝置掛點(diǎn)偏移量隨彈簧剛度變化如表4所示。

表4 不同彈簧剛度下的掛點(diǎn)偏移量Table 4 Hanging point offset under different spring stiffness m

結(jié)合表4 與表2 可知，隨著裝置彈簧剛度從40 kN/m 增大到80 kN/m，各直線塔掛點(diǎn)彈簧形變量均減小，在承受最大不平衡張力的不均勻覆冰分界塔4，彈簧的形變量降低了0.184 m，使得其承受的不平衡張力增大了3.94 kN，說明裝置的效果與彈簧的剛度的負(fù)相關(guān)性，彈簧剛度越小，彈簧越易發(fā)生形變，裝置調(diào)節(jié)桿塔所受不平衡張力的效果越好。

4 結(jié)論

1）本文設(shè)計(jì)的裝置能夠有效降低桿塔承受的最大不平衡張力，能夠改善復(fù)合橫擔(dān)桿塔懸垂串長度過短導(dǎo)致其不平衡張力過大的缺陷，可有效降低桿塔設(shè)計(jì)強(qiáng)度，降低成本，具有工程應(yīng)用價(jià)值。

2）裝置降低不平衡張力的效果與裝置上自恢復(fù)彈簧剛度有關(guān)，彈簧的剛度越小，掛點(diǎn)的滑動(dòng)越易發(fā)生，調(diào)節(jié)桿塔不平衡張力的效果越明顯。

3）綜合使用效果和經(jīng)濟(jì)性原則，建議本文設(shè)計(jì)裝置在承受較大不平衡張力桿塔處使用，而不宜在耐張段全部直線塔使用。