帶電輸電線路鐵塔傾斜扶正裝置的研制與應用

劉雙武

（廣東電網有限責任公司佛山供電局，廣東佛山528000）

0 引言

輸電線路鐵塔在輸送電能的過程中發揮了重要的作用，然而輸電線路運行環境復雜，正常運行中的鐵塔，由于地質基礎失穩、不平衡張力破壞、外力破壞、轉角塔基礎澆注控制不當等原因，不可避免地會出現傾斜問題[1]。鐵塔傾斜達到一定程度，會造成塔材受力不均，威脅輸電線路安全運行，因此需要進行扶正處理。通常，鐵塔傾斜的傳統處理方案包括易地改造、將基礎調整到水平面調整鐵塔傾斜和提升下沉塔腳、在塔腳底板加墊片調整鐵塔傾斜等[2]。對于因基礎不均勻沉降引起、鐵塔傾斜度不大、基礎沒有被破壞的情況，前兩類方案都因費用高昂、施工難度大、停電時間長而不被考慮，往往采用第三種方案[3]。

上述三種鐵塔傾斜扶正方法均需要停電配合施工作業，在供電可靠性要求越來越高的今天，停電消缺會受到嚴格的考核，非鐵塔傾斜緊急缺陷一般不采取停電處理。在不停電的情況下如何快速有效地調正傾斜的鐵塔，是一個亟待解決的問題，因此研制一種帶電輸電線路鐵塔傾斜扶正裝置具有很強的實用價值。

1 設備要點分析

1.1 裝置機械性能分析

為研究裝置所需機械性能，需要對其受力進行分析。裝置需提升鐵塔，主要承受鐵塔、導地線的重力。根據南方電網典型設計，對于110～220 kV呼稱高為12～27 m的單回路輸電線路鐵塔，重量范圍為830～12 000 kg。因此，按塔重12 000 kg的單回路220 kV鐵塔、檔距為300 m、導線型號為2×LGJ-630/55、地線型號為LGJ-70/40，來計算線路基礎所承受的來自鐵塔、導地線的重力。

其中M1、M2、M3分別為鐵塔、導線和地線的重量，所以M=12 000+2×2 209×0.3×3+2×511.3×0.3=16 282.98 kg。

即鐵塔4個基礎共承受約16.3 t重量，平均每個基礎所受重量為4.1 t。因此，對于鐵塔傾斜扶正裝置，取安全系數為2，求得平均一個鐵塔傾斜扶正裝置所受重量為8.2 t，考慮鐵塔可能受到不平衡張力影響，因此，取10 t進行核算，鐵塔傾斜扶正裝置的提升力大于10 t即可滿足典型鐵塔的傾斜扶正需求。

1.2 裝置行程分析

要將傾斜的鐵塔扶正，所設計的扶正裝置行程需滿足將下沉的塔腳提升至與其他塔腳水平的要求[4]，以傾斜度為10‰、鐵塔根開12 m計算扶正裝置所需行程：

因此，所設計鐵塔扶正裝置提升行程達12 cm以上，方能滿足需求。

2 確定最佳方案

2.1 提升機構動力源

提升機構的動力源是整個鐵塔扶正裝置的核心部件，通過對塔腳的提升達到扶正鐵塔的目的，選用不同的動力源，決定了裝置的后續設計環節[5]。以輸出為10 t的產品進行對比，在經濟性、便利性等方面，手拉葫蘆相比液壓千斤頂和電動絞磨，免去了液壓機、電動機等動力源部件，更加輕便，在作業環境有限制的情況下，優勢更加明顯。最終選用手拉葫蘆作為鐵塔扶正裝置的動力源。

2.2 底座支架材料

扶正裝置底座支架在作業過程中承受鐵塔的重力，所選用材料至關重要，必需滿足受力要求。綜合考量材料的強度性能及經濟性，決定選取合金鋼作為主要材料。

2.3 底座支架截面形狀

底座支架承受鐵塔的重力，除了強度需滿足要求、不被破壞外，構件的剛度即抗彎強度亦應滿足要求，確保作業過程中底座支架不發生彎曲變形[6]。構件截面形狀直接影響了構件的抗彎強度，市面上常用型材截面有角鋼、圓管、方鋼等等。

假設支架桿長2.5 m，10 t作用力作用于支架上，夾角不大于20°，那么最大彎矩為：

彎曲強度應滿足：

彎曲截面系數最低為49.8 cm3。

以寬度80 mm左右的三種截面形狀進行對比，彎曲截面系數均滿足了最低要求。而圓管、方鋼的理論重量比角鋼大，會導致裝置重量加大，不便于運輸和安裝使用。從人機工效、成本等方面考慮，采用角鋼作為底座支架型材。

2.4 底座支架組裝方式

底座支架在鐵塔扶正裝置中起到支承提升機構的作用，承受通過提升機構傳遞的鐵塔重力。對于本課題的鐵塔傾斜扶正裝置，考慮到焊接和鉚接都是剛性連接，成品不可拆卸，并不適用于在輸電線路現場的應用，運輸也受到限制，因此采用螺栓連接的方式，各部件靈活可調，對不同的作業環境適應性強。

2.5 輔助地腳螺栓形式

鐵塔提升后，原地腳螺栓長度可能不足，需要對地腳螺栓進行“延長”，以保證鐵塔穩定性。“螺桿式”保留了帶內螺紋的套筒，上部加工外螺紋的螺桿，螺母另外再擰入，相當于只是把地腳螺栓“延長”。故采用螺桿式輔助地腳螺栓，輔助鐵塔扶正。

2.6 輔助零件墊片形式

鐵塔提升后需在底部與基礎之間墊入墊片，由于地腳螺栓的存在，對墊片插入存在影響，相較于整體式墊片，組合式墊片充分填充了基礎與塔底之間的空隙，而且四邊都露出了基礎外，扶正完成時可以進行焊接補強，利于線路的運行，因此采用組合式墊片，填充鐵塔提升后的空隙。

經上述論證，我們確定了提升機構、底座支架、輔助零件的最佳選用方案。

3 確定各部件參數

3.1 確定底座支架材料牌號

通過對比不同型號鋼材的參數，為了延長鐵塔扶正裝置的壽命，保證其不易斷裂、報廢，最終選取Q420合金鋼作為該鐵塔傾斜扶正裝置底座支架的材料。

3.2 確定底座支架尺寸參數

最佳方案已確定使用角鋼，需對截面形狀進行設計校核。Q420材料的許用剪切應力約為220 MPa，進行設計校核，底座支架最小截面積為：

結合人機工效方面進行考量，選取尺寸為80 mm×5 mm×9 mm的角鋼，其截面積為7.912 cm2，滿足最小截面要求。

鐵塔扶正裝置底座支架支撐在地面上，由于鐵塔基礎通常高出地面約1.5 m，為布置手拉葫蘆與鐵塔主材連接，設計底座支架每條腿長度為2.5 m，共4條支撐腿，每條支撐腿與地面夾角不大于70°。現需對其進行彎曲強度校核，我們知道截面尺寸為80 mm×5 mm×9 mm的角鋼彎曲截面系數為60.93 cm3，因此最大彎曲應力為：

最大彎曲應力小于抗彎強度應力，校核強度符合要求。因此，本鐵塔傾斜輔助裝置采用四條腿的支架。

連接橫梁采用直徑20 mm的圓形實心管，圓管所受切應力為：

圓管所受切應力小于抗剪應力強度，符合要求，圓管兩端與支架使用螺栓連接，角鋼中間使用鋼絲繩相連，防止使用過程中發生走位。

3.3 確定輔助地腳螺栓與墊片參數

不同線路、不同鐵塔地腳螺栓尺寸都不一樣，常見的地腳螺栓螺紋從M20到M48不等，因此，輔助地腳螺栓內螺紋尺寸需根據現場實際情況確定。外徑取值比內徑大10～20 mm，長度亦需根據現場原地腳螺栓露出長度確定。外螺紋部分，尺寸不應小于原地腳螺栓螺紋，長度根據需提升的高度，加上螺母高度。

墊片厚度可以做10 mm、5 mm、2 mm、1 mm等幾種規格，便于在施工工程中根據提升高度調整墊片高度。

3.4 制作并組裝各部件

根據確定的參數，制作出符合要求的各部件，并將其組裝在一起，裝置整體圖如圖1所示。通過受力性能試驗，分別以8 t、9 t、10 t的力量測試，試驗結果表明鐵塔扶正裝置可承受大于10 t的壓力，滿足受力要點要求。

圖1 鐵塔傾斜扶正裝置整體圖

4 實際應用

為檢查該輸電線路傾斜鐵塔扶正裝置的操作性能，使用該裝置對佛山供電局220 kV雷都線#67塔下沉的Ⅰ、Ⅱ腿提升進行糾偏。糾偏過程結束，經現場測量確認塔身已完全回正后，則用混凝土澆注保護帽，整個糾偏施工即告完成。

本次糾偏整個作業過程僅需223 min。鐵塔扶正作業完成后三個月，運維人員再次到現場對鐵塔傾斜度進行測量，結果無異常，糾偏效果良好，目標達成。

每回110 kV線路輸送電能約8萬kW，220 kV線路輸送電能約18萬kW，按每次作業時間220 min計算，則每次作業減少停電量29萬～66萬kWh，折合居民電價計算為17.4萬～39.6萬元。每年可減少電量損失約130萬元，經濟效益可觀。

5 結語

首先，使用本課題研制的簡便易安裝的輸電線路鐵塔傾斜扶正裝置，無需吊車等大型機械，在環境受限的情況下也能完成傾斜桿塔的扶正。其次，施工工藝簡單，節省人力、物力，縮短施工時間，減少線路停電配合的時間甚至可在無需線路停電的情況下操作，確保了電網的穩定運行和供電可靠性。