特高壓直流輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)及優(yōu)化技術(shù)方案

國核電力規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司 索亮 黃峰洲 劉倩倩 王智飛

1 引言

近年來，直流輸電線路的特高壓輸電網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，目前電網(wǎng)要求直流輸電線路的基本組成結(jié)構(gòu)能夠滿足安全平穩(wěn)輸電的要求。在輸電線路的體系結(jié)構(gòu)中，線路桿塔具有支撐輸電網(wǎng)絡(luò)整體結(jié)構(gòu)的重要作用。通常情況下，直流輸電線路的常見桿塔結(jié)構(gòu)形式應(yīng)當(dāng)包含角鋼以及鋼管的兩種組成結(jié)構(gòu)。線路桿塔結(jié)構(gòu)的荷載性能將會直接關(guān)系直流輸電線路穩(wěn)定的傳輸效果。所以線路桿塔的支撐部件應(yīng)當(dāng)進行優(yōu)化設(shè)計，結(jié)合桿塔結(jié)構(gòu)布局方案進行完善與改進。

2 特高壓直流輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)的常見類型

2.1 角鋼結(jié)構(gòu)桿塔

角鋼材質(zhì)的線路桿塔具有良好的安全堅固性能，角鋼結(jié)構(gòu)的線路桿塔具有較大的結(jié)構(gòu)變形承受能力與體型系數(shù)特征。因此直流輸電線路高大的桿塔造型結(jié)構(gòu)最好選擇角鋼結(jié)構(gòu)的桿塔支撐體系[1]。高強度的優(yōu)質(zhì)鋼材應(yīng)當(dāng)運用于角鋼結(jié)構(gòu)的線路桿塔制造成型，確保桿塔不會受到外界風(fēng)力震動以及構(gòu)造偏心作用帶來的影響。

目前在自動化的桿塔組裝以及日益先進的加工工藝支撐前提下，桿塔的制造質(zhì)量更加可靠，同時桿塔制造的工期縮短，焊接操作的步驟流程簡化，角鋼結(jié)構(gòu)的直流線路桿塔能夠達到最基本的桿塔施工要求質(zhì)量[2]。

2.2 鋼管結(jié)構(gòu)桿塔

鋼管結(jié)構(gòu)的輸電線路桿塔具有較小的體型系數(shù)以及良好的構(gòu)件受力性能。鋼管結(jié)構(gòu)的桿塔組成材料主要為管材型鋼，確保鋼材與管材的良好屈服強度在標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)。較高桿塔采用鋼管結(jié)構(gòu)的桿塔制作安裝，能夠節(jié)約鋼材消耗，有效減輕線路桿塔的基礎(chǔ)部位荷載受力強度。

但是鋼管結(jié)構(gòu)組成的直流線路桿塔目前具有較大的人工焊接操作量，較低的自動化生產(chǎn)加工工序。鋼管結(jié)構(gòu)的路桿塔成品運輸不便捷，在運輸過程中鋼管會發(fā)生劇烈的振蕩或者顛簸造成損壞，現(xiàn)階段的鋼管材料造價普遍高于角鋼材料。

2.3 直線桿塔結(jié)構(gòu)

直線桿塔的布置排列方式可以選擇水平結(jié)構(gòu)，布置雙桿形式的輸電線路桿塔體系[3]。在直接埋設(shè)桿塔基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的前提下，應(yīng)當(dāng)保證拉盤與底盤達到結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范。在桿塔的上部空間區(qū)域，應(yīng)當(dāng)視情況布置120kg、10m 左右的鐵橫擔(dān)。鐵橫擔(dān)應(yīng)當(dāng)包含斜拉桿和橫拉桿，運用指定型號規(guī)格的鋼筋構(gòu)成拉桿，同時還需要布置可調(diào)節(jié)的螺栓。特高壓輸電線路的現(xiàn)有覆蓋規(guī)模正在快速擴大，直線桿塔的系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。在輸電線路的體系結(jié)構(gòu)中，線路桿塔應(yīng)當(dāng)連接絕緣子以及地線導(dǎo)線，保障直線桿塔在電網(wǎng)電流平穩(wěn)傳輸。

目前針對輸電線路桿塔展開深入的探索研究，旨在確保輸電線路網(wǎng)絡(luò)中的桿塔達到安全堅固的要求。桿塔橫擔(dān)屬于非常關(guān)鍵的線路組成部分，輸電網(wǎng)絡(luò)的正常運行使用必須依賴桿塔橫擔(dān)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)作為支撐[4]。目前，現(xiàn)有的桿塔橫擔(dān)主要應(yīng)當(dāng)包含復(fù)合的實心橫擔(dān)和傳統(tǒng)鐵橫擔(dān)，線路工程的設(shè)計人員可以視情況進行選擇。安裝復(fù)合絕緣子與復(fù)合橫擔(dān)應(yīng)當(dāng)達到30°的夾角，水平安裝復(fù)合橫擔(dān)結(jié)構(gòu)。技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)在電桿的適當(dāng)高度位置安裝水平的橫擔(dān)，確保達到導(dǎo)線固定的效果。特高壓直流輸電線路桿塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計的參數(shù)指標(biāo)

3 特高壓直流輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)的性能影響因素

3.1 受壓構(gòu)件的穩(wěn)定性能影響

軸心受壓構(gòu)件是線路桿塔的基本組成結(jié)構(gòu)，桿塔軸心部位的受壓構(gòu)件必須滿足荷載強度技術(shù)指標(biāo)。桿塔受壓構(gòu)件如果沒有達到良好的構(gòu)件穩(wěn)定性能，會對整個直流輸電網(wǎng)絡(luò)的正常穩(wěn)定輸電過程帶來不利的影響[5]。

設(shè)計人員在計算受壓構(gòu)件的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定系數(shù)過程中，關(guān)鍵是要考慮受壓構(gòu)件的截面面積大小、鋼管材料的壁厚與直徑參數(shù)、角鋼材料的厚度與寬度等因素。通過實施全方位的穩(wěn)定強度計算，能夠準(zhǔn)確判斷得到受壓構(gòu)件的最大的外界荷載承受限度。鋼管材料呈現(xiàn)出更加優(yōu)良的堅固安全效能，對于受壓結(jié)構(gòu)件應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮選用優(yōu)質(zhì)的鋼管組合材料。

3.2 風(fēng)荷載因素對線路桿塔的影響

直流特高壓的大規(guī)模輸電線路主要運行于架空的露天戶外空間，輸電線路的各個結(jié)構(gòu)部位都會承受強度較高的風(fēng)荷載影響。風(fēng)荷載因素對于線路桿塔造成的運行影響程度關(guān)鍵取決于風(fēng)壓的高度變化特征，因此應(yīng)當(dāng)按照基準(zhǔn)風(fēng)壓的參數(shù)指標(biāo)設(shè)計進行準(zhǔn)確的判斷。對于桿塔結(jié)構(gòu)件應(yīng)當(dāng)視為風(fēng)荷載的重要載體，結(jié)合現(xiàn)有的風(fēng)振系數(shù)以及背風(fēng)面的荷載降低頻率參數(shù)進行綜合性的判斷。

風(fēng)荷載因素應(yīng)當(dāng)重點考慮，主要原因在于線路桿塔常年處于露天運行的狀態(tài)。通過綜合性地判斷分析，能夠確定桿塔支架的型鋼桿件支撐體系結(jié)構(gòu)普遍表現(xiàn)為優(yōu)良的風(fēng)荷載承受強度性能。因此有助于確保整個輸電線路的穩(wěn)定運行。桿塔支架的斷面結(jié)構(gòu)主要包含圓形的桿件，桿件本身的荷載強度將會直接決定整體的輸電線路安全運行。

直流輸電線路桿塔的風(fēng)荷載受力特征模型如圖1所示。

圖1 直流輸電線路桿塔的風(fēng)荷載受力特征模型

3.3 壓彎構(gòu)件的穩(wěn)定性能影響

線路桿塔系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的壓彎構(gòu)件應(yīng)當(dāng)能夠確保良好的彎扭屈曲強度，對于壓彎構(gòu)件在進行選擇與使用的過程中，關(guān)鍵就是要準(zhǔn)確界定壓彎構(gòu)件能夠滿足最低限度的桿塔穩(wěn)定性能要求。具體針對壓彎構(gòu)件在進行結(jié)構(gòu)穩(wěn)定參數(shù)的計算時，應(yīng)當(dāng)重點考慮平面失穩(wěn)的特殊運行狀態(tài)，從而確定壓彎構(gòu)件的圓形結(jié)構(gòu)斷面能夠滿足良好的桿塔支架支撐強度標(biāo)準(zhǔn)。

直流線路的桿塔橫隔面具有非常特殊的造型結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，桿塔橫隔面的結(jié)構(gòu)部位比較容易受到扭矩作用力的顯著影響。壓彎構(gòu)件如果不具備優(yōu)良的結(jié)構(gòu)支撐穩(wěn)定性，經(jīng)過頻繁彎曲的線路桿塔就會存在斷裂破損的安全風(fēng)險，甚至還會造成線路桿塔的整體折斷事故的發(fā)生。在折減驗算的基礎(chǔ)上，應(yīng)當(dāng)針對角鋼桿件的穩(wěn)定參數(shù)進行精確計算，確保經(jīng)過綜合性的全面判斷考慮，選擇最佳類型的角鋼材料。角鋼材料的線路桿塔立體支撐結(jié)構(gòu)普遍存在更好的穩(wěn)定系數(shù)以及更小的鋼管回轉(zhuǎn)半徑，并且能夠提高鋼材的截面部位剛度系數(shù)[6]。

4 特高壓直流輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計方案

4.1 全面考慮線路桿塔的運行工況

直流輸電線路的系統(tǒng)運行整體工況具有復(fù)雜性，在此前提下，直流輸電線路的桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計方案應(yīng)當(dāng)重點包含線路桿塔的不同運行工況因素考慮，從而實現(xiàn)了針對各種類型桿塔運行工況的綜合判斷考量[7]。例如，應(yīng)當(dāng)對導(dǎo)線與地線的最大荷載參數(shù)進行綜合性計算，確保架設(shè)完畢的導(dǎo)線以及地線實施荷載強度的通過安全測試。此外，線路桿塔的系統(tǒng)設(shè)計人員還需要重點測試臨時性的桿塔拉線荷載，確保達到最基本的臨時拉線緊固程度的要求。

直流輸電系統(tǒng)的線路桿塔可能會遇到大風(fēng)氣候、線路覆冰、低溫氣候以及雷電氣候等惡劣極端氣候，輸電線路桿塔在上述的特殊運行工況環(huán)境中能夠具備良好的堅固支撐和穩(wěn)定效果。通過進行全面的直流線路運行工況環(huán)境假設(shè)與計算，能夠歸納得到更加客觀完整的線路桿塔結(jié)構(gòu)規(guī)劃設(shè)計方案，有效防止桿塔結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計方案存在偏差或者誤區(qū)。

4.2 合理選擇與布置塔身斷面形式

直流輸電線路應(yīng)當(dāng)配備適應(yīng)性較好的塔身斷面造型，應(yīng)當(dāng)重點考慮方形以及矩形的兩種常用塔身斷面結(jié)構(gòu)造型[8]。通常來講，塔身斷面需要承受較大的縱向張力作用，因此最好將其設(shè)計為線路垂直部位的較短邊長結(jié)構(gòu)，同時還需要合理控制現(xiàn)有的長邊結(jié)構(gòu)的長度。應(yīng)當(dāng)合理地確定與完善塔身傾斜角度，避免存在過于傾斜的塔身結(jié)構(gòu)缺陷問題。技術(shù)人員經(jīng)過綜合性的考慮衡量后，應(yīng)當(dāng)視情況選擇K 字形或者交叉形式的塔身斷面造型結(jié)構(gòu)。塔身傾斜角度與塔身荷載強度之間具有緊密的聯(lián)系，因此目前針對塔身的常用幾種結(jié)構(gòu)形式應(yīng)當(dāng)進行綜合性的分析對比，得到較佳的塔身結(jié)構(gòu)造型。

4.3 完善橫隔面的結(jié)構(gòu)造型設(shè)計

直流輸電線路的桿塔體系結(jié)構(gòu)在設(shè)置橫隔面的理想間隔距離時，需要嚴格保證橫隔面之間的寬度達到適宜的設(shè)計數(shù)據(jù)指標(biāo)，從而實現(xiàn)桿塔整體結(jié)構(gòu)的荷載均勻傳遞效果。例如對于角鋼以及鋼管材料構(gòu)成的橫隔面結(jié)構(gòu)造型而言，關(guān)鍵應(yīng)當(dāng)考慮合理優(yōu)化現(xiàn)有的間隔距離，確保限定在五倍以內(nèi)的橫隔面寬度數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。線路工程的設(shè)計人員必須重點針對復(fù)合絕緣子進行合理的布局優(yōu)化設(shè)計，確保控制自重在5kg 左右的絕緣子，運用金具連接兩端的復(fù)合絕緣子部位。避雷線的支撐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)包含鋼槽的鐵帽。鐵橫梁應(yīng)當(dāng)安裝在桿塔結(jié)構(gòu)的頂端部位，以便于絕緣子串能夠具有良好的穩(wěn)固性能。

復(fù)合橫擔(dān)主要位于鐵橫梁的兩側(cè)結(jié)構(gòu)部位，并且在橫梁斜上方的兩端部位設(shè)置懸式的棒形復(fù)合絕緣子。復(fù)合絕緣子對于輸電線路整體的運行穩(wěn)定安全性能夠給予保障，確保輸電線路滿足絕緣性能的要求。對于導(dǎo)線需要進行綁扎操作處理，確保復(fù)合絕緣子達到1200mm 以上的絕緣距離以及1500mm左右的結(jié)構(gòu)高度。對于橫隔面部位的造型結(jié)構(gòu)在實施優(yōu)化改進時，應(yīng)當(dāng)重點判斷塔身的內(nèi)部作用力以及構(gòu)件分布的均衡性，有效提升整體的桿塔結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)固性能。

5 結(jié)語

特高壓直流輸電的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系具有良好的堅固性能以及輸電穩(wěn)定性能，實現(xiàn)上述目標(biāo)的關(guān)鍵是合理選擇線路桿塔的結(jié)構(gòu)形式方案。特高壓的直流輸電網(wǎng)絡(luò)體系由于受到多層面的輸電運行因素的影響，直流輸電線路的桿塔結(jié)構(gòu)就會比較容易產(chǎn)生損壞，進而威脅到直流輸電線路的系統(tǒng)運行安全。為了確保特高壓直流輸電線路系統(tǒng)能夠發(fā)揮出良好使用效能，現(xiàn)階段的桿塔結(jié)構(gòu)合理完善措施應(yīng)當(dāng)包含塔身斷面的布置與選擇以及橫隔面的造型結(jié)構(gòu)設(shè)計。輸電線路的桿塔設(shè)計完善方案應(yīng)當(dāng)包含多種不同的線路運行工況，確保全面考慮到線路桿塔的運行使用狀況。