貼身拉線在在役輸電鐵塔加固中的應用

王進平

（太原供電分公司，太原市，030012）

0 引言

受2008年特大冰雪災害的影響，我國南方地區發生大面積倒塔事故，鐵塔損壞呈現數量大、倒向一邊、塔頭折彎等特點，其中數量大和倒向一邊反映的是群體損壞；塔頭折彎反映的是個體損壞[1-6]。高壓輸電線路設計規范規定，數基直線塔間需要設1基耐張塔，即使直線塔發生連鎖倒塌，也應在耐張塔處截止。而在此次冰雪災害中，連鎖倒塔突破了耐張塔防線，造成輸電線路全線倒塔。可見，在役鐵塔需要有效的加固手段。

2008年冰災之后，山西省電力公司與山西新長城機電科研所協作，共同完成了抗覆冰、抗狂風線路桿塔加固技術研究，提出了一種簡單有效的貼身拉線加固高壓輸電鐵塔技術，并在太原市南郊冶小線32號塔安裝試用。本文從結構設計、理論分析角度，對貼身拉線加固在役桿塔技術進行介紹。

1 高壓輸電鐵塔的損壞特點

2008年我國南方冰災倒塔事故中某鐵塔塔頭折彎損壞狀態如圖1所示。圖中：塔頭在塔身與塔頭的結合處（稱為瓶口）折彎；一相電線斷開，斷頭從絕緣子串掛線點懸垂下墜，塔頭倒在未斷線一側；塔身的瓶口段主材略彎；塔身的中下段完好；塔腿和塔基雖障于樹叢，均完好無損。

地線雙線邊置和電線一字布線時，塔頭受斷線張力折彎損壞分析如圖2所示。一線頂置地線和中相電線處于塔縱向中軸面內，其斷線張力只產生使塔頭向未斷線一側彎曲的彎矩。塔頭下曲臂根的抗彎剛度弱，塔頭從其與塔身銜接的瓶口處向未斷線側折彎，如圖2雙點畫線所示。由于電壓高，所需絕緣氣隙大，使橫向布線的邊相電線和邊置地線遠離鐵塔縱向中軸面[7]。因此，當邊相電線或邊置地線斷開時，不僅產生使塔頭向未斷線一側彎曲的彎矩，同時還產生使塔頭繞塔中軸線扭轉的扭矩，彎矩和扭矩使塔頭偏轉塔縱向中軸面一定角度，向未斷線側折彎，如圖2虛線所示（只畫出不與其他圖線重合的部分）。邊置地線或邊相電線斷開時，另一邊置地線或邊相電線失去已斷線側的重力平衡，還會使塔頭朝橫向未斷線側彎折少許。

2 貼身拉線加固高壓輸電鐵塔技術

2.1 結構模式

貼身拉線的結構如圖3所示。橫擔左、右鉸板分別固定在橫擔兩端吊掛絕緣子串的懸臂架的根部；拉線左、右支的上端分別與橫擔左、右鉸板鉸聯；下端均與上撐架外伸端鉸聯；上撐架根部鉸聯在塔體頸部有橫隔處；上撐架外伸端與緩沖器的上端鉸聯；拉線干線上端與緩沖器下端鉸聯，下端與緊線器上端鉸聯；下撐架根部固定在塔腿上段，外伸端裝著撐架鉸座；鉸支桿后端與撐架鉸座鉸聯，前端與緊線器下端和上、下撐架拉桿上端鉸聯，上、下撐架拉桿下端分別與塔腳左、右鉸板鉸聯。

貼身拉線每塔2套，對稱安裝在承受電線張力的塔側面。調節緊線器使拉線適度張緊，以消除拉線明顯下垂為度[8-9]。采用貼身拉線后，還可去掉下撐架，將拉線下固結點直接鉸接在塔腰，這樣可使抗拔力直傳塔頭，不僅簡化結構，降低制造使用成本，而且防盜性好。上撐架還可做成矩形，左、右支線鉸接于外伸端兩角。拉線干線、根線交叉配置，這樣可使左邊相斷線張力傳至塔體右側，右邊相斷線張力傳至塔體左側，讓塔體更有效地抵抗塔頭受到的扭矩[10]。

2.2 作用機理

塔體的力學抽象是1個固定地面的懸臂梁，外伸端兩側的電線對塔體形成方向相反的集中載荷。當兩側電線完好時，兩側電線所受張力相互平衡。兩側對稱安裝的貼身拉線也不顯現對塔的抗彎作用。當鐵塔一側的電線因故障斷開1條或數條時，另一側電線的張力因瞬時失去斷線側電線的張力而顯現，對塔體產生動載荷。因邊相斷線概率是中相的2倍，故斷線多始于邊相。邊相斷線時，塔體所受的電線張力經過拉線左、右支傳給上撐架，上撐架承受邊相斷線所產生的扭矩，并將其傳給緩沖器；緩沖器受拉變形，吸收斷線張力的沖擊能，經緩沖后把斷線張力傳給拉線干線；爾后再經過緊線器、撐架拉桿、塔腳左鉸板和塔腳右鉸板，傳給固定塔腳左鉸板、塔腳右鉸板的地腳螺栓；最終把斷線張力傳到塔體地基并由其平衡。貼身拉線的傳力構件，除過鉸支桿是通過下撐架與塔體鉸聯外，其余各件均是直接與塔體鉸聯，這是為了在傳送斷線張力時，不在與塔體聯結處，對塔體產生彎矩。

2.3 力學效果

瓶口為矩形，正面邊長1 m多，側面邊長數m，是塔體最薄弱的斷面，扭彎常發生于此。貼身拉線的上撐架鉸連于該結合面兩側，可使該結合面的慣性矩增加2～3倍。貼身拉線與塔體形成的組合體，其各斷面的慣性矩和抗彎系數均有明顯增加。因此，塔體抗彎能力較不加貼身拉線明顯提高。未安裝貼身拉線的輸電鐵塔的受力為：當邊相斷線時，斷線張力使塔頭先扭，繼而塔體受彎。安裝貼身拉線的塔體受力為：鐵塔和貼身拉線的組合體在承受邊相斷線張力所生彎矩時，是拉線受拉，塔體受壓。以ZM1-21塔為例，由于塔體的承壓能力遠大于抗彎能力，檔距為400 m時，所承電線重力26.53 kN，塔的下壓力為144.89 kN，所以貼身拉線大大增加了塔體抵抗斷線張力的能力。因為塔體地基是鋼筋混凝土結構，深度數m至數10 m，所以鐵塔的損壞多數是塔頭的損壞，而塔體，特別是塔體下部和塔腳仍然完好。貼身拉線正是基于這種實際，巧妙地挖掘了塔體強度潛力，加強了鐵塔最薄弱的塔頭和塔頸。此外，與地錨拉線相比，貼身拉線鐵塔加固技術具有無需拉線基礎、無需征地、適于山頭孤丘無地錨點以及便于施工等優點。

2.4 電學設計

以ZM1-21鐵塔為例，其塔頭結構尺寸及電學數據為：絕緣子串長2 855 mm，風偏角為35°，雙分裂導線的下導線距塔身的距離為1.450 m。貼身拉線的上固結點A距絕緣子串吊掛點水平間距700 mm。貼身拉線上撐架在鐵塔正面的投影完全落在塔身范疇內。貼身拉線支線、貼身拉線干線的連接點B，在鐵塔正面的投影正好落在鐵塔的中軸線上。因此貼身拉線在鐵塔正面的投影，完全落入外輪廓的包絡面內，所以貼身拉線的絕緣氣隙較絕緣子串的絕緣氣隙還要大，電學設計安全合理。

2.5 結構設計

（1）拉線地夾角。地錨拉線的地夾角約為60°時，既可以使拉線產生能夠平衡電線張力的水平分力，又可以使桿塔與拉線的總體結構比較緊湊[10]。因此，貼身拉線支線段的地夾角在電線方位面內的投影定為60°。

（2）拉線與塔體構件的夾角。計算拉線支線、拉線根線長度和進行拉線傳力的分解合成時，均要用到拉線支線、拉線根線和塔體相關構件的夾角。由于這些夾角均是空間角，須用畫法幾何學圖解。經圖解：拉線支線與橫擔下弦桿夾角為35°；拉線根線與塔腿主材夾角為30°；2者余角均與地錨拉線的地夾角為60°。

（3）上固結點遴選。上固結點應盡可能選在離絕緣子串吊掛點的最近處，以便直接承受斷線張力。按此要求，上固結點應在塔頭橫擔兩端離絕緣子串最近節點的六連板上，其距地高度即為塔的呼稱高。

（4）上撐架及其固結位置確定以及撐離量。上撐架為受壓件，為保證其軸向受壓的穩定性，設計為等腰三角柁形，下弦桿固結于瓶口有橫隔處。由于上撐架頂鉸連拉線，使拉線撐離塔身，并保證與地面夾角為60°，上撐架的高為500 mm。

（5）下撐架及其固結位置確定以及撐離量。下撐架亦為受壓件，因此也設計為等腰三角柁形，下弦桿固結于塔腿根有橫隔處，即塔腿高3 m處。下撐架頂同樣鉸連拉線，使拉線撐離塔體。但因塔體中下部抗彎強度足夠，無需增加慣性矩，且拉線干線不必撐離塔體很大，故下撐架的高定為950 mm。

（6）下固結點遴選。下固結點必須選在塔腳板或塔主材根部，而不能選在任何一條地腳螺栓上。因為后者只是一條地腳螺栓承載，前者才能使所有地腳螺栓承載。

3 結論

（1）高壓輸電線路因故障斷開一線，由于橫擔掛線間距是瓶口的7～8倍，必然導致塔頭扭轉彎曲，進而導致其他幾條線呈連鎖反應斷開。如果安裝上貼身拉線，當一側有1條線斷開時，貼身拉線可以將另一側電線顯現的張力及時加以平衡，使塔頭其他電線不會因連鎖反應而斷開，防止斷線故障擴大，也阻止了鐵塔一側電線全部斷開時，鐵塔被另一側電線拉倒。

（2）貼身拉線不對在役鐵塔進行任何加工，且沒有土建工程，不改變原有設計，造價低廉，結構簡單，安裝方便，具有很強的實用性。

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