復(fù)合橫擔(dān)桿塔不平衡張力調(diào)節(jié)裝置及其設(shè)計方法研究

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，可減小導(dǎo)線風(fēng)偏擺動的區(qū)間，由此大幅度降低輸電走廊，降低土地用量，同時由于復(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)桿塔強度提出了考驗，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，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。

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算程序精確計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)有限元的方法計算導(dǎo)線脫冰時的不平衡張力，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道。

針對500 kV 復(fù)合橫擔(dān)桿塔，本文設(shè)計了一種調(diào)節(jié)復(fù)合橫擔(dān)桿塔不平衡張力的裝置，并給出計算模型及算法來計算桿塔在使用裝置時承受的不平衡張力，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證裝置的有效性。

1 不平衡張力調(diào)節(jié)裝置設(shè)計

1.1 固定掛點不平衡張力分析

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 中的計算方法，計算得到6 m 串長時桿塔承受的最大不平衡張力為5 715.59 N；1.255 m串長時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)計強度將需大大提高，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與橫擔(dān)的連接采用固定式掛點，當(dāng)直線塔兩側(cè)出現(xiàn)不平衡張力時，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)端部掛點增加1 個滑動裝置，將金具串端部與復(fù)合橫擔(dān)的連接方式由固定式掛點改為滑動式掛點，通過掛點的滑動距離來補償復(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，能夠通過掛點的滑動調(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 新型滑動式掛點裝置裝置整體圖FIG.1 Overall diagram of new sliding hanging point device

掛點的移動通過軸承在隧道式軌道上滾動實現(xiàn)，金具串、自恢復(fù)彈簧與2 個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掛點回到裝置中間位置，裝置金具間具體連接示意圖如圖2 所示。

圖2 新型滑動式掛點裝置局部圖FIG.2 Local view of new sliding point device

2 不平衡張力調(diào)節(jié)裝置設(shè)計方法

采用滑動式掛點裝置后，在計算耐張段連續(xù)檔不平衡張力時，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，各檔的水平應(yīng)力不再相等，造成懸垂串發(fā)生偏移、導(dǎo)線掛點滑動，各檔檔距隨之發(fā)生變化，計算示意圖如圖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為裝置上掛點的水平移動量；h1為懸垂串處于中垂位置時，第1 檔導(dǎo)線懸掛點之間的高差；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、架線時考慮初伸長降低的等效溫度、架線時各檔的自重比載；t，γi分別為計算不平衡張力時的氣溫、架線時各檔的比載。

桿塔承受不平衡張力時，一相分裂導(dǎo)線掛點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個方程；利用式（4）可列出n-1 個方程；利用式（5）可列出n-1 個方程；利用式（6）可列出n-1 個方程；利用式（7）可列出1 個方程，共可列出4n-2 個方程，有xi，δi，σi，Δli共4n-2 個未知量，可得到求解。

2.2 計算方法

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，需借助計算機編程求解，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)計的滑動式掛點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證裝置的使用效果。

3.1 計算參數(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)線左懸掛點高于右懸掛點。

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)，分別計算采用傳統(tǒng)固定式掛點與采用新型滑動式掛點裝置后各復(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剛度，不平衡張力計算結(jié)果對比如表2 所示（表中編號為直線塔編號，下同，另一種掛點系新裝置上的彈簧取3 種剛度）。

表2 2種掛點下各直線塔所受不平衡張力計算結(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，在采用新型滑動式掛點裝置后，裝置彈簧剛度設(shè)置為40 kN/m 時，與固定式掛點相比，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，基于此特點，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，計算結(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)計裝置。

新型裝置掛點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)計強度，降低成本，具有工程應(yīng)用價值。

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，掛點的滑動越易發(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)濟性原則，建議本文設(shè)計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。