超特高壓交直流同塔多回結(jié)構(gòu)可靠度分析

梁 成，張志強(qiáng)，張海威，安利強(qiáng)

(華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北保定071003)

超特高壓交直流同塔多回結(jié)構(gòu)可靠度分析

梁 成，張志強(qiáng)，張海威，安利強(qiáng)

(華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北保定071003)

針對(duì)河西走廊即將出現(xiàn)的±800 kV/750 kV及±800 kV/330 kV超、特高壓交直流多回同塔架設(shè)線路，國(guó)內(nèi)目前沒(méi)有專門(mén)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。因此，采用目前工程上廣泛接受的JC法，針對(duì)現(xiàn)有不同標(biāo)準(zhǔn)下設(shè)計(jì)的桿塔進(jìn)行可靠度分析，并考慮經(jīng)濟(jì)性，推薦更為合理的超、特高壓交直流同塔多回線路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的選擇方案。分析結(jié)果表明：±800 kV/750 kV共塔時(shí)，800 kV及各自電壓等級(jí)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)可靠度均滿足，但各自設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下塔重較輕，推薦采用各自設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；±800 kV/330 kV共塔時(shí),800 kV標(biāo)準(zhǔn)可靠度滿足，各自標(biāo)準(zhǔn)下出現(xiàn)部分桿件可靠度指標(biāo)較小，采用局部加強(qiáng)后可靠度滿足要求，且塔重較800 kV標(biāo)準(zhǔn)輕，因此推薦采用各自標(biāo)準(zhǔn)但需對(duì)局部桿件加強(qiáng)。

超、特高壓；交直流同塔；可靠度

0 引言

作為新疆與西北電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)及西電東送的重要通道，河西走廊密集分布著輸電線路、鐵路、高速公路、“西氣東輸”油氣管線及各種軍事禁區(qū)，走廊較為狹窄。正在開(kāi)展前期工作的新疆準(zhǔn)東送出±1 100 kV、酒泉送出±800 kV直流線路、遠(yuǎn)期規(guī)劃的750 kV、330 kV也將從此通過(guò)，因此特高壓直流線路本身或與超、特高壓交流線路平行架設(shè)、共用走廊已不可避免。對(duì)于出現(xiàn)的超、特高壓交直流同塔架設(shè)，其鐵塔的安全性及可靠性對(duì)線路的正常運(yùn)行至關(guān)重要，同樣影響著河西走廊地區(qū)的電網(wǎng)發(fā)展。因此，對(duì)超、特高壓交直流同塔的結(jié)構(gòu)可靠度展開(kāi)研究就顯得尤為重要。

可靠度在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用始于20世紀(jì)40年代，然而直到20世紀(jì)90年代，由于世界范圍內(nèi)的幾次大范圍的倒塔事故，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，輸電塔的可靠度研究才開(kāi)始飛速發(fā)展[1]。Natarajan[2]將風(fēng)荷載和構(gòu)件抗力作為隨機(jī)變量研究了輸電塔線體系的可靠度；李茂華[3]等人采用Ditlevsen窄界限的計(jì)算值和一次二階矩方法對(duì)某一500 kV輸電塔的可靠性進(jìn)行了分析；張卓群[4]等人以典型的500 kV角鋼塔和220 kV鋼管塔為例進(jìn)行了可靠度分析，研究了按照現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)計(jì)的桿塔構(gòu)件，是否滿足跨越輸電線桿塔構(gòu)件可靠度的要求，并提出了提高可靠度指標(biāo)的方法。馮云芬[5]等人研究確定了跨越高速鐵路輸電線路的可靠度水平，并對(duì)按照現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計(jì)的線路桿塔可靠度進(jìn)行了校準(zhǔn)。張卓群[6]等人對(duì)一個(gè)耐張段進(jìn)行了整體可靠度研究，提出了四層次子體系遞歸計(jì)算方法，并提出了提高可靠度的方法。安利強(qiáng)[7]等人采用SORM算法對(duì)超特高壓同塔多回線路桿塔防風(fēng)偏閃絡(luò)可靠度進(jìn)行分析，兩種塔型防風(fēng)偏閃絡(luò)可靠度滿足正常使用要求，并對(duì)于較為危險(xiǎn)的橫擔(dān)下表面提出可以通過(guò)適當(dāng)增加絕緣子長(zhǎng)度來(lái)提高可靠度指標(biāo)。

如上所述，學(xué)者們對(duì)鐵塔結(jié)構(gòu)可靠性進(jìn)行了大量研究，而對(duì)超、特高壓交直流同塔多回架設(shè)的可靠性分析卻很少。超、特高壓交直流同塔多回架設(shè)，其桿塔高度及重量會(huì)明顯增加，而對(duì)于受風(fēng)荷載影響較大的輸電塔而言，隨著桿塔高度的增大，其可靠性就顯得越來(lái)越重要。目前，在超、特高壓交直流同塔多回線路設(shè)計(jì)方面沒(méi)有成熟的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，因此有必要對(duì)其進(jìn)行可靠性分析。本文應(yīng)用可靠性理論，以±800 kV/750 kV和±800 kV/330 kV同塔為例，對(duì)比分析了按照現(xiàn)行規(guī)范[8-9]不同設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下桿塔構(gòu)件的可靠度，并考慮經(jīng)濟(jì)性的影響，推薦更為合理的超、特高壓交直流同塔多回線路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的選擇方案。

1 構(gòu)件功能函數(shù)及可靠度計(jì)算參數(shù)

1.1 桿塔構(gòu)件功能函數(shù)

目前，國(guó)內(nèi)輸電桿塔設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)大都采用以概率為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)法，采用分項(xiàng)系數(shù)的表達(dá)式進(jìn)行設(shè)計(jì)。其中承載力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式為

γ0(γG·SGK+ψ∑γQi·QQKi)≤RK/γR

(1)

式中：γ0和γR分別為桿塔結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)和抗力分項(xiàng)系數(shù)；γG和SGK分別為永久荷載的分項(xiàng)系數(shù)及其標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng)；γQi和SQKi分別為第i項(xiàng)可變荷載的分項(xiàng)系數(shù)及其標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng)；Ψ為可變荷載組合系數(shù)；RK為結(jié)構(gòu)抗力的標(biāo)準(zhǔn)值。

在桿塔可靠度分析中，一般用X=[X1X2…Xn]T表示影響結(jié)構(gòu)安全的基本隨機(jī)向量，則與此功能對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)功能函數(shù)為：

Z=R-SG-∑SQi

(2)

式中:R=RK/γR為結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力，服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布；SG=γGSGK為結(jié)構(gòu)永久荷載效應(yīng)，服從正態(tài)分布；SQi=ψγQSQKi為結(jié)構(gòu)可變荷載效應(yīng)，服從極值Ⅰ型分布。

1.2 桿塔構(gòu)件抗力計(jì)算

在極限荷載作用下，輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)的受拉構(gòu)件一般為強(qiáng)度破壞，受壓構(gòu)件則大多是穩(wěn)定破壞。對(duì)于桿塔結(jié)構(gòu)的軸心受拉構(gòu)件，其破壞形式為強(qiáng)度破壞，抗力R可表示為

(3)

式中：RK為按現(xiàn)行規(guī)范計(jì)算的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力標(biāo)準(zhǔn)值；γR為桿塔結(jié)構(gòu)的抗力分項(xiàng)系數(shù)；m為構(gòu)件強(qiáng)度折減系數(shù)；f為鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；An為構(gòu)件凈截面面積，mm2；fk為鋼材強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

對(duì)于軸心受壓構(gòu)件，其破壞形式多為穩(wěn)定破壞，抗力R可表示為

(4)

式中：φ為桿塔軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)；mN為壓桿穩(wěn)定強(qiáng)度折減系數(shù)；A為構(gòu)件毛截面面積。

1.3 變量統(tǒng)計(jì)參數(shù)

桿塔作為輸電線路的重要支撐結(jié)構(gòu)，主要承受線路的重力荷載、風(fēng)荷載、覆冰荷載等作用。盡管按規(guī)范設(shè)計(jì)時(shí)荷載和桿塔構(gòu)件承載力取用規(guī)定的值，但實(shí)際中荷載和桿塔構(gòu)件的承載力都是隨機(jī)的，所以需從概率角度考慮桿塔的安全問(wèn)題。

考慮可變荷載主要為風(fēng)荷載和冰荷載，永久荷載主要為導(dǎo)地線、絕緣子和桿塔自重荷載。式(1)各變量的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差為：

(5)

(6)

(7)

式中：kSG、δSG為自重載荷的均值系數(shù)和變異系數(shù)；SGK為自重載荷標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的軸力；kSQ、δSQ為風(fēng)載荷的均值系數(shù)和變異系數(shù)；SQK為風(fēng)載荷標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的軸力；kR、δR為抗力計(jì)算模式不定性系數(shù)的均值系數(shù)和變異系數(shù)；RK為根據(jù)桿塔設(shè)計(jì)圖紙中桿件的型號(hào)和強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算的抗力標(biāo)準(zhǔn)值。

各變量的統(tǒng)計(jì)參數(shù)(均值系數(shù)和變異系數(shù))和概率分布見(jiàn)表1[4，10]。

表1 輸電塔結(jié)構(gòu)荷載與抗力可靠度統(tǒng)計(jì)參數(shù)

2 超、特高壓交直流同塔可靠度分析

現(xiàn)有的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)±800 kV選擇重現(xiàn)期100年，重要性系數(shù)取1.1設(shè)計(jì)；750 kV按重現(xiàn)期50年，重要性系數(shù)1.0設(shè)計(jì)；330 kV按照重現(xiàn)期30年，重要性系數(shù)0.9設(shè)計(jì)。因此，針對(duì)同塔多回線路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，西北院擬定兩種方案設(shè)計(jì)：第一種，按照高電壓等級(jí)，即±800 kV的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一進(jìn)行設(shè)計(jì)；第二種，按照±800 kV、750 kV和330 kV各自電壓等級(jí)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，即低電壓等級(jí)部分線路荷載計(jì)算采用低電壓等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，而高電壓等級(jí)部分線路荷載計(jì)算采用高電壓等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。由于超、特高壓交直流同塔多回桿塔的規(guī)定使用時(shí)間為100年，按照可靠度的定義，可靠度是指結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)和規(guī)定的條件下完成預(yù)定功能的概率，因此對(duì)超、特高壓交直流同塔進(jìn)行可靠度分析時(shí)，均采用±800 kV桿塔設(shè)計(jì)條件進(jìn)行計(jì)算。

在可靠性分析中，《±800 kV直流架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》在可靠度計(jì)算方面規(guī)定基于最小設(shè)計(jì)風(fēng)速30 m/s(離地高20 m)設(shè)計(jì)的500 kV線路桿塔結(jié)構(gòu)構(gòu)件按JC法計(jì)算的承載力極限狀態(tài)可靠度指標(biāo)β≥3.2，并要求±800 kV線路桿塔的安全等級(jí)要較500 kV線路提高一個(gè)安全等級(jí)，因此本文采用JC法對(duì)超、特高壓交直流同塔多回輸電線路可靠度指標(biāo)進(jìn)行求解。

輸電線路桿塔在不同計(jì)算工況下的荷載，除結(jié)構(gòu)自重等永久荷載以外，還有風(fēng)荷載及導(dǎo)、地線張力荷載產(chǎn)生的效應(yīng)。由于河西走廊地區(qū)沒(méi)有覆冰情況，本文取下述5種荷載組合進(jìn)行計(jì)算。

工況1：90°最大風(fēng)荷載+無(wú)冰+未斷線。

工況2：60°最大風(fēng)荷載+無(wú)冰+未斷線。

工況3：45°最大風(fēng)荷載+無(wú)冰+未斷線。

工況4：斷任意三相導(dǎo)線+無(wú)冰+無(wú)風(fēng)。

工況5：斷任意一相地線及任意兩相導(dǎo)線+無(wú)冰+無(wú)風(fēng)。

2.1 ±800 kV/750 kV交直流同塔可靠度分析

采用JC法，分別計(jì)算兩種標(biāo)準(zhǔn)下±800 kV/750 kV同塔桿塔在5種工況下的可靠度指標(biāo)，分別選出各標(biāo)準(zhǔn)下可靠度指標(biāo)最小的10根桿件及對(duì)應(yīng)工況列于表2～表3，圖1給出了相應(yīng)構(gòu)件的具體位置。

(a) ±800 kV設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) (b) 各自設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)圖1 ±800 kV/750 kV共塔桿塔可靠度指標(biāo)最小桿件對(duì)應(yīng)位置

對(duì)于±800 kV/750 kV同塔架設(shè)，由表2和表3數(shù)據(jù)可知，兩種設(shè)計(jì)方案下桿件最小可靠度指標(biāo)均大于3.7，也就是說(shuō)各桿件滿足一級(jí)安全等級(jí)的可靠度設(shè)計(jì)要求。對(duì)比兩種設(shè)計(jì)方案下可靠度指標(biāo)大小，發(fā)現(xiàn)±800 kV設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下可靠度指標(biāo)較大。這是因?yàn)榈诙N設(shè)計(jì)方案中，考慮750 kV的風(fēng)荷載重現(xiàn)期為50年，而實(shí)際上±800 kV直流輸電桿塔風(fēng)荷載重現(xiàn)期為100年，人為地降低了外部風(fēng)荷載，導(dǎo)致桿塔設(shè)計(jì)可靠度相對(duì)±800 kV設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏小。

表2 ±800 kV設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下±800 kV/750 kV同塔桿塔構(gòu)件可靠度指標(biāo)

表3 各自設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下±800 kV/750 kV同塔桿塔構(gòu)件可靠度指標(biāo)

除此之外，各桿件最小可靠度對(duì)應(yīng)工況均為90°風(fēng)，對(duì)應(yīng)桿件主要為背風(fēng)側(cè)主材。這是因?yàn)楸筹L(fēng)側(cè)主材受壓，對(duì)于軸心受壓構(gòu)件，其破壞形式多為穩(wěn)定破壞。由公式(2)、(3)可知，相對(duì)于迎風(fēng)側(cè)的受拉構(gòu)件，受壓桿件的抗力計(jì)算中多了一個(gè)穩(wěn)定系數(shù)，其取值與桿件長(zhǎng)細(xì)比有關(guān)，均小于1，這就造成了鐵塔同一高度主材荷載大小一樣，而背風(fēng)側(cè)受壓構(gòu)件抗力小，進(jìn)而導(dǎo)致可靠度指標(biāo)較小。

2.2 ±800 kV/330 kV交直流同塔可靠度分析

采用JC法，計(jì)算兩種標(biāo)準(zhǔn)下±800 kV/330 kV同塔桿塔在5種工況下的可靠度指標(biāo)，分別選出各標(biāo)準(zhǔn)下可靠度指標(biāo)最小的10根桿件及對(duì)應(yīng)工況列于表4～表5，圖2給出了相應(yīng)構(gòu)件的具體位置。

(a) ±800 kV設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) (b)各自設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)圖2 ±800 kV/330 kV共塔桿塔可靠度指標(biāo)最小桿件對(duì)應(yīng)位置

序號(hào)桿件編號(hào)桿件類型永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值/kN風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值/kN斷線荷載標(biāo)準(zhǔn)值/kN抗力標(biāo)準(zhǔn)值/kN失效形式可靠度指標(biāo)對(duì)應(yīng)工況1215橫隔材0.35-21.90--33.43軸心受壓3.7160°風(fēng)2216橫隔材0.44-21.91--33.43軸心受壓3.7260°風(fēng)322主材-167.79-1432.60--2430.65軸心受壓3.7390°風(fēng)423主材-167.79-1432.60--2430.65軸心受壓3.7390°風(fēng)554主材-66.00-406.27--722.39軸心受壓3.7990°風(fēng)655主材-66.00-406.27--722.39軸心受壓3.7990°風(fēng)7217橫隔材0.47-20.89--33.43軸心受壓3.8845°風(fēng)8218橫隔材0.38-20.87--33.43軸心受壓3.8845°風(fēng)914主材-180.41-1538.90--2733.70軸心受壓3.9090°風(fēng)1015主材-180.41-1538.90--2733.70軸心受壓3.9090°風(fēng)

表5 各自設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下±800 kV/330 kV同塔桿塔構(gòu)件可靠度指標(biāo)

對(duì)于±800 kV/330 kV同塔架設(shè)，由表4和表5可知，第一種設(shè)計(jì)方案下桿件最小可靠度指標(biāo)均大于3.7，各桿件滿足一級(jí)安全等級(jí)的可靠度設(shè)計(jì)要求；第二種設(shè)計(jì)方案下出現(xiàn)7根桿件可靠度指標(biāo)小于3.7。這是因?yàn)榈诙N設(shè)計(jì)方案中，考慮330 kV的風(fēng)荷載重現(xiàn)期為30年，而實(shí)際上±800 kV直流輸電桿塔風(fēng)荷載重現(xiàn)期為100年，較大程度上降低了外部風(fēng)荷載，導(dǎo)致桿塔設(shè)計(jì)可靠度偏小。除此之外，可以發(fā)現(xiàn)各桿件最小可靠度對(duì)應(yīng)工況主要為90°風(fēng)，對(duì)應(yīng)桿件主要為背風(fēng)側(cè)主材，可靠度指標(biāo)較小的橫隔材主要受60°風(fēng)及45°風(fēng)控制。

對(duì)于出現(xiàn)的部分桿件可靠度指標(biāo)較小，在此采用局部加強(qiáng)的方法，對(duì)表5中可靠度指標(biāo)小于3.7的7根桿件選材型號(hào)適當(dāng)增大，并計(jì)算其各桿件可靠度指標(biāo)。選取局部加強(qiáng)后可靠度指標(biāo)最小的10根桿件如表6所示，其對(duì)應(yīng)位置如圖3所示，不同標(biāo)準(zhǔn)下鐵塔重量列于表7。

圖3 局部加強(qiáng)后桿塔可靠度指標(biāo)最小桿件對(duì)應(yīng)位置

顯然，表6中最小的可靠度指標(biāo)為3.71，也就是說(shuō)局部加強(qiáng)后各桿件滿足一級(jí)安全等級(jí)的可靠度設(shè)計(jì)要求。考慮到經(jīng)濟(jì)性，由表7數(shù)據(jù)可知，建議±800 kV/750 kV多回同塔架設(shè)鐵塔設(shè)計(jì)時(shí)采用各自標(biāo)準(zhǔn)，±800 kV/330 kV多回同塔架設(shè)同樣選擇各自設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，但需對(duì)部分桿件進(jìn)行加強(qiáng)。

表6 局部加強(qiáng)后各自設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下±800 kV/330 kV同塔桿塔構(gòu)件可靠度指標(biāo)

表7 不同標(biāo)準(zhǔn)下的鐵塔重量

3 結(jié)論

(1)對(duì)于±800 kV/750 kV超、特高壓交直流同塔多回架設(shè)線路，鐵塔按照現(xiàn)行800 kV標(biāo)準(zhǔn)和各自標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)均滿足可靠度的要求。但考慮線路設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性，推薦采用各自設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(2)對(duì)于±800 kV/330 kV超、特高壓交直流同塔多回架設(shè)線路，現(xiàn)行800 kV標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)完全滿足可靠度的要求；然而鐵塔按照各自標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)會(huì)出現(xiàn)部分桿件不滿足可靠度要求，局部桿件加強(qiáng)后能達(dá)到可靠度要求。并且考慮到經(jīng)濟(jì)性，由表7數(shù)據(jù)可知，推薦采用各自標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過(guò)對(duì)部分桿件進(jìn)行加強(qiáng)來(lái)使鐵塔構(gòu)件完全達(dá)到可靠度要求。

(3)在±800 kV/750 kV和±800 kV/330 kV同塔桿塔中，各桿件最小可靠度對(duì)應(yīng)工況主要為90°風(fēng)，對(duì)應(yīng)桿件主要為背風(fēng)側(cè)主材。

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Reliability Analysis on Structure of Multi-Circuit for EHV and UHV of AC and DC Transmission Lines on One Tower

LIANG Cheng,ZHANG Zhiqiang,ZHANG Haiwei,AN Liqiang

(School of Energy Power and Mechanical Engineering,North China Electric Power University,Baoding 071003,China)

Considering of the absence of the design standards for the multi-circuit AC/DC transmission lines on the same tower for EHV and UHV with the voltage level ±800 kV/750 kV and±800 kV/330 kV in Hexi Corridor,the JC method,as a widely accepted reliability engineering method,is used for the reliability analysis on the towers under different design standards.Reasonable options of different design standards will be recommended in view of the reliability and economy.It is indicated that the towers with the voltage level 800 kV and others designed by using all the standards meet the requirements of the national standard when ±800 kV and 750 kV are on the same tower.Due to the tower designed based on the second design is lighter,we prefer the second one.When ±800 kV and 330 kV lines are on the same tower,the reliability index of some parts of the tower designed by the second code becomes relatively small.The reliability can meet the requirements by reinforcing some parts of the tower.Meanwhile,the tower is still lighter than the one designed based on the design of 800kV voltage.It is recommended to adopt the very design of each voltage level,but it is necessary to strengthen some parts of the tower.

EHV and UHV; AC and DC on one tower; reliability

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.01.001

2016-07-12。

國(guó)家自然科學(xué)基金(51675179)。

TM726.3

A

1672-0792(2017)01-0001-06

梁成(1990-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)檩旊娋€路工程。