CN105604378A - 三蝶型多回路输电线路杆塔设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三蝶型多回路输电线路杆塔设计方法。目前的多回路输电线路杆塔，结构受力的合理性和线路走廊宽度之间存在着较为明显的矛盾。本发明采用的技术方案为：首先，根据架空输电线路设计规范对导线水平线间距离的客观要求，确定导线采用三角方式排列下的电气间隙圆的控制范围，并以此为边界条件确定三蝶型四回路杆塔的塔头尺寸；其次，基于道亨杆塔快速建模及满应力计算程序，对包括三蝶型四回路杆塔在内的前述三类杆塔进行满应力迭代和优选过程；最后，从单基杆塔用钢量指标、线路走廊宽度变化及基础作用力方面进行全方位综合指标对比。本发明有效解决了杆塔受力合理性与线路走廊宽度的核心矛盾。

Description

三蝶型多回路输电线路杆塔设计方法

技术领域

本发明涉及多回路输电线路杆塔设计，尤其是一种三蝶型多回路输电线路杆塔设计方法。

背景技术

目前国内外对于110kV电压等级下四回路杆塔广泛使用的塔头型式为6横担垂直排列的方式。该排列方式可以有效节约线路走廊，但是杆塔全高较高，结构受力较为不利，增加了杆塔用钢量指标。

220kV和500kV等高电压等级同塔四回路或混压四回路的塔头布置方式，普遍采用了等长3横担或长短4横担交替组合的方式，该类塔头布置方式有效减小了杆塔高度，有利于降低杆塔主材受力及基础作用力，从而有利于用钢量和基础土方量指标的优化，但是线路廊道较宽，在廊道紧张地区矛盾比较突出。

由此不难看出，对于以同塔四回路为代表的多回路输电线路杆塔，结构受力的合理性和线路走廊宽度之间存在着较为明显的矛盾，如何有效解决该核心问题？与实际工程条件下杆塔费用指标及线路走廊变化带来的处理费用高低有着密切联系。从这个角度出发，无论是传统的6横担垂直排列方式还是等长3横担或长短4横担交替组合的方式，均是解决该核心矛盾的极值处理方式。

为此，亟需寻找到一种全新的输电线路杆塔设计方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种三蝶型多回路输电线路杆塔设计方法，其能充分利用多回路输电线路杆塔塔头间隙，有效解决杆塔受力合理性与线路走廊宽度之间的矛盾。

为此，本发明采用以下的技术方案：三蝶型多回路输电线路杆塔设计方法，其步骤如下：

首先，根据架空输电线路设计规范对导线水平线间距离的客观要求，确定导线采用三角方式排列下的电气间隙圆的控制范围，并以此为边界条件确定三蝶型四回路杆塔的塔头尺寸；并按照同样的技术原则同步设计传统的6横担垂直排列方式和长短4横担交替组合排列方式作为技术指标对比对象；

其次，基于道亨杆塔快速建模及满应力计算程序，对包括三蝶型四回路杆塔在内的前述三类杆塔进行满应力迭代和优选过程，确定各杆塔的用钢量指标及基础作用力；

最后，从单基杆塔用钢量指标、线路走廊宽度变化及基础作用力方面进行全方位综合指标对比，验证三蝶型杆塔的优越性。

进一步，在进行前述三类杆塔结构对比分析过程中，无论是电气间隙椭圆规划还是塔头尺寸确定、塔身整体结构形式、荷载条件输入、满应力计算方法和结果统计都保持高度的一致性，从而保证对比结果具有足够的客观性和有效性。

进一步，在满应力计算程序的计算过程中，塔身风振系数严格遵循规程规范的相关要求，结构重要性系数按要求统一取为1.1。

进一步，所述的杆塔包括塔身、自上而下安装在塔身上的上、中、下三组蝶形横担和连接在三组蝶形横担上的四个回路，每组蝶形横担由一根水平横担和二根连接在水平横担上的斜横担组成，斜横担的底部连接在水平横担的中部；第一回路和第二回路的第一相导线分别连接在下组蝶形横担的水平横担的两端部，第一回路和第二回路的第二相导线分别连接在下组蝶形横担的两个斜横担顶部，第一回路和第二回路的第三相导线分别连接在中组蝶形横担的水平横担的两端部；第三回路和第四回路的第一相导线分别连接在中组蝶形横担的两个斜横担顶部，第三回路和第四回路的第二相导线分别连接在上组蝶形横担的水平横担的两端部，第三回路和第四回路的第三相导线分别连接在上组蝶形横担的斜横担顶部；同一回路的三相导线呈三角形分布。

进一步，所述水平横担的长度由连接在其上的导线的电气间隙圆确定，同一回路的三相导线中，任意一相导线在由其它相导线确定的椭圆形电气距离边界外或边界上。

进一步，在第一回路和第二回路中，第二相导线的电气间隙圆与下组蝶形横担的斜横担顶部下侧相切，第三相导线的电气间隙圆与塔身和下组蝶形横担的斜横担顶部上侧均相切。

进一步，在第三回路和第四回路中，第一相导线的电气间隙圆与中组蝶形横担的斜横担顶部下侧相切，第二相导线的电气间隙圆与塔身和中组蝶形横担的斜横担顶部上侧均相切。

进一步，所述的斜横担与水平线所成的夹角优选在20-40°，最优选在30°。

本发明具有的有益效果体现在：提供了一种全新的输电线路杆塔设计方法，有效解决了杆塔受力合理性与线路走廊宽度的核心矛盾；三蝶型杆塔结构综合技术经济指标优秀。

附图说明

图1为本发明杆塔的布置示意图(图中的虚线椭圆为导线的椭圆形电气距离边界，实线曲圆为电气间隙圆，导线的布置均为左右对称，图中只表示了右边的布置)。

图2为本发明杆塔第一回路中三相导线的布置图。

图3-5为3类杆塔三维满应力计算模型图(图3为本发明的三蝶型，图4为传统的横担垂直排列方式，图5为传统的长短4横担交替排列方式)。

图6为单基杆塔不同呼高下塔重指标对比图。

图7为各塔型基础作用力量值对比图。

具体实施方式

本发明以规划三蝶型杆塔结构的完整步骤为实施方案，理论计算及对比分析过程如下：

1.确定杆塔规划基本条件

电压等级及回路数：110kV，同塔4回路；

气象条件：设计风速37m/s，最高气温40℃，无覆冰，雷暴日40d/y；

导地线选用：导线为JLHA3X(DFY)-335型低风压中强度铝合金绞线；地线两根均采用OPGW复合光缆；

地形地貌：平地及河网泥沼，海拔高度均小于1000m；

绝缘配置：按重污区设计，悬垂串采用单、双联复合绝缘子FXBW-110/70-3型组装成串，串长取1.9m。

2.塔头布置及间隙椭圆

按照《110kV-750kV架空输电线路设计规范》GB50545-2010，对1000m以下档距导线水平线间距离宜按下式计算：

$D_h=k_i{L}_i+\frac{U}{110}+0.65\sqrt{f_c}---\left(1\right)$

式中：D_h为导线水平线间距离；k_i为悬垂绝缘子串系数；L_i为悬垂绝缘子串长度；U为送电线路标称电压；f_c为导线最大弧垂。

导线垂直排列的垂直线间距离Dv宜采用式(1)计算结果的75％且使用悬垂绝缘子串的110kV杆塔，其垂直线间距离不宜小于3.5m。

特别的，对于双回路及多回路杆塔不同回路的不同导线间的水平或垂直距离，应在以上规定基础上再增加0.5m。

依据规范的相关规定，导线三角排列的等效水平线间距离，宜按下式计算：

$D_x=\sqrt{D_p^2+{(4/3D_z)}^2}---\left(2\right)$

式中：Dx为导线三角排列的等效水平线间距离；Dp为导线间的水平投影长度；Dz为导线间的垂直投影长度；

显然，由上式不难发现当导线采用三角方式排列时各导线之间应该满足椭圆型分布规律的控制，具体如图2所示。

基于道亨杆塔快速建模及满应力计算程序，在确定了各杆塔几何尺寸的基础上，通过满应力迭代和优选过程确定各基杆塔的用钢量指标等技术经济参数。包括三蝶型杆塔在内的3类杆塔结构(即三蝶型、6横担垂直排列和长短4横担交替排列)三维计算模型如图3-5所示，表1代表性的给出了“三蝶型”杆塔的荷载输入条件。为了保证对比结果的有效性，3类杆塔的荷载输入条件、塔身杆件布置形式及结构类型等均保持高度一致。计算过程中塔身风振系数严格遵循规程规范的相关要求，结构重要性系数按要求统一取为1.1。

表1：三蝶型杆塔的荷载输入条件

3.杆塔指标对比分析

3.1单击塔重指标对比

图6给出了包括“三蝶型”在内的3类杆塔单基塔重指标在不同呼高下的对比结果。为了便于指代说明，现定义：6横担垂直排列方式记为AD0，4横担长短间隔排列方式记为AD1，“三蝶型”杆塔系列记为AD2，下同。图中AD0、AD1、AD2代表各自系列单基用钢量指标绝对量值，AD1/AD0及AD2/AD0则代表AD1和AD2系列相比传统的AD0在塔重指标上的相对增减值，正值为用钢量节约的百分比，负值则为增加的百分比。从图6中各系列单基塔重指标可以看到，全呼高下AD2所代表的全新“三蝶型”塔头直线杆塔塔重指标均为最优，其相比于传统的6横担垂直排列方式(AD0)平均可降低塔重指标约4％以上。且整体而言，呼高越高，新设计的“三蝶型”杆塔结构指标越优秀，这主要是由于在低呼高下，横担加宽带来的塔重指标增加削弱了塔高降低带来的有利影响；而在高呼高下横担指标在整塔中所占的比例下降，塔高降低带来的塔身主材受力渐趋合理的优势也逐渐显现出来。

3.2塔头尺寸及基础作用力指标对比

表2各系列杆塔塔头高度及横担宽度对比

表2给出了各系列杆塔塔头高度及横担宽度对比结果。从表中可以看到，相比于传统的6横担垂直排列方式，全新设计的“三蝶型”杆塔结构可以有效降低塔头高度，减少量值达5.9m；相比于4横担长短间隔排列方式，“三蝶型”杆塔结构直线塔型在塔头高度仅增加0.9m(5％)的基础上节约走廊宽度达到3.2m(19％)，社会经济效益十分明显。

显然，杆塔塔头高度变化带来的主材内力浮动也将对结构的基础作用力产生影响，从而进一步影响基础混凝土方量等技经指标。图7给出了3个系列杆塔的基础作用力指标对比结果，其中后缀_Down代表下压力，_Up代表上拔力。从图中可以明显看到，各系列中基础作用力从小到大依次为AD1<AD2<AD0，这与3个系列杆塔的塔高呈明显的正相关关系，且受呼高等因素的影响不大，具有高度的一致性。整体而言，“三蝶型”杆塔结构基础作用力大小适中。

3.3杆塔综合指标对比总结

杆塔选型的综合指标除了包括基本的经济技术指标外，外观的美观性也成为现代社会输电线路杆塔结构设计中需要特别关注的重要方面。千篇一律的结构形式将带来不可避免的审美疲劳。本发明中所规划的全新“三蝶型”杆塔结构在满足输电线路杆塔结构各方面技术经济需求的基础上，努力追求外观的独特性和美观性。相比于传统6横担或4横担多回路杆塔略显呆板的结构外形，该系列杆塔塔头形式新颖活泼，轻盈灵动，充分体现了“力与美”的有机结合。

综合3个系列杆塔的技术经济指标，汇总得到对比结果如表3所示。从表中可以看到，全新规划的“三蝶型”杆塔在结构外形和杆塔用钢量指标上都有明显优势，基础作用力和走廊宽度指标在3个系列塔型中指标适中，故综合指标为最优。

表3各系列杆塔综合指标对比

塔型系列	外形美观度	杆塔用钢量	基础作用力	走廊宽度
					AD0
AD1
					AD2

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术方案作任何形式上的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.三蝶型多回路输电线路杆塔设计方法，其步骤如下：

首先，根据架空输电线路设计规范对导线水平线间距离的客观要求，确定导线采用三角方式排列下的电气间隙圆的控制范围，并以此为边界条件确定三蝶型四回路杆塔的塔头尺寸；并按照同样的技术原则同步设计传统的6横担垂直排列方式和长短4横担交替组合排列方式作为技术指标对比对象；

其次，基于道亨杆塔快速建模及满应力计算程序，对包括三蝶型四回路杆塔在内的前述三类杆塔进行满应力迭代和优选过程，确定各杆塔的用钢量指标及基础作用力；

最后，从单基杆塔用钢量指标、线路走廊宽度变化及基础作用力方面进行全方位综合指标对比，验证三蝶型杆塔的优越性。

2.根据权利要求1所述的三蝶型多回路输电线路杆塔设计方法，其特征在于，

在进行前述三类杆塔结构对比分析过程中，无论是电气间隙椭圆规划还是塔头尺寸确定、塔身整体结构形式、荷载条件输入、满应力计算方法和结果统计都保持高度的一致性，从而保证对比结果具有足够的客观性和有效性。

3.根据权利要求1或2所述的三蝶型多回路输电线路杆塔设计方法，其特征在于，在满应力计算程序的计算过程中，塔身风振系数严格遵循规程规范的相关要求，结构重要性系数按要求统一取为1.1。

4.根据权利要求1所述的三蝶型多回路输电线路杆塔设计方法，其特征在于，所述的杆塔包括塔身(1)、自上而下安装在塔身上的上、中、下三组蝶形横担(2、3、4)和连接在三组蝶形横担上的四个回路，每组蝶形横担由一根水平横担和二根连接在水平横担上的斜横担组成，斜横担的底部连接在水平横担的中部；

第一回路和第二回路的第一相导线(5)分别连接在下组蝶形横担(4)的水平横担的两端部，第一回路和第二回路的第二相导线(6)分别连接在下组蝶形横担(4)的两个斜横担顶部，第一回路和第二回路的第三相导线(7)分别连接在中组蝶形横担(3)的水平横担的两端部；

第三回路和第四回路的第一相导线(8)分别连接在中组蝶形横担(3)的两个斜横担顶部，第三回路和第四回路的第二相导线(9)分别连接在上组蝶形横担(2)的水平横担的两端部，第三回路和第四回路的第三相导线(10)分别连接在上组蝶形横担(2)的斜横担顶部；同一回路的三相导线呈三角形分布。

5.根据权利要求4所述的三蝶型多回路输电线路杆塔设计方法，其特征在于，所述水平横担的长度由连接在其上的导线的电气间隙圆确定，同一回路的三相导线中，任意一相导线在由其它相导线确定的椭圆形电气距离边界外或边界上。

6.根据权利要求4所述的三蝶型多回路输电线路杆塔设计方法，其特征在于，在第一回路和第二回路中，第二相导线(6)的电气间隙圆与下组蝶形横担(4)的斜横担顶部下侧相切，第三相导线(7)的电气间隙圆与塔身(1)和下组蝶形横担(4)的斜横担顶部上侧均相切。

7.根据权利要求4所述的三蝶型多回路输电线路杆塔设计方法，其特征在于，在第三回路和第四回路中，第一相导线(8)的电气间隙圆与中组蝶形横担(3)的斜横担顶部下侧相切，第二相导线(9)的电气间隙圆与塔身和中组蝶形横担(3)的斜横担顶部上侧均相切。

8.根据权利要求4所述的三蝶型多回路输电线路杆塔设计方法，其特征在于，所述的斜横担与水平线所成的夹角在20-40°。

9.根据权利要求8所述的三蝶型多回路输电线路杆塔设计方法，其特征在于，所述的斜横担与水平线所成的夹角在30°。