铁塔不平衡张力分析与力学计算

铁塔横担不平衡张力影响因素分析与力学计算摘要:架空输电线路的安全主要是线路杆塔和导地线的安全，横担是杆塔的重要组成部分，也是受力状况最为复杂和影响因素较多的一部分。对横担不平衡张力影响因素的分析与力学计算，保证架空输电线路正常安全运行。为实际工程提供设计技术支撑。随着输电线路设计水平要求的不断提高,对杆塔所承受不平衡张力的计算分析成为线路设计中的重要环节。关键词：输电线路；铁塔横担；不平衡张力；覆冰；导地线Abstract:Thesafetyoverheadtransmissionlinetowersandtheguidelinesaremainlygroundsafety,crossarmisanimportantpartofthetower,butalsothemostcomplexsituationbyforceandpartinfluencedbymanyfactors.Tensiononthecrossarmimbalancefactorsanalysisandmechanicalcalculationstoensurethesafeoperationofoverheadtransmissionlineisnormal.Designedtoprovidetechnicalsupportfortheactualproject.Withthetransmissionlinedesignlevelrequirementscontinuetoincrease,thetowerisexposedonthecomputationalanalysisbecomeunbalancedtensioncircuitdesignisanimportantpart..Keywords:TransmissionLines;TowerCrossArm;UnbalancedTension;Icing;GuidedGround;前言输电线路导线和杆塔上很容易覆冰,也很容易因为导线各档不均匀覆冰而产生不平衡张力影响线路的安全运行。不均匀托（覆）所产生的不平衡张力，有时可成为直线杆塔强度和稳定性设计的控制条件。采用分裂导线的线路，因断线张力的规定值较小，应注意使不平衡张力小于断线张力，为此需根据可能的严重情况，进行不平衡张力的计算和校验。架空线的不平衡张力，可使悬垂绝缘子串产生偏斜，导线与横担之间的电气间距减小，严重时靠近横担的第一个绝缘子可能会碰及杆塔够构件。影响不平衡张力的因素很多，例如耐张段内的档数、档距大小和分布、脱冰和覆冰档的多少和位置，以及绝缘子串长度和导线型号等。因此，在计算不平衡张力时，不可能全部情况都加以计算，只能考虑比较严重的几种情况。对可能存在较大不平衡张力的地段,采取对杆塔加强设计或者改线避过该区域等处理措施。1杆塔横担的力学研究1.1横担概述及分类横担是指横向固定在电线杆或铁塔等顶部的角铁，结构多为平面析架式，材料通常采用钢结构，。横担的主要作用是用以安装绝缘子及其金属构件，以支承导线和避雷线并使之按相关规定保持一定的安全距离。按横担的形状可分为:尖嘴横担、鸭嘴横担和矩形截面横担。1.2横担破坏的概述横担所在的电力塔架长期暴露在野外，常位于冰雪覆盖区、原始森林边缘区、高海拔等山高坡陡以及通讯和交通极不发达的艰苦地区。在其使用过程中，因受到持续的机械张力、材料老化和电气闪络等因素的影响而产生破损。尤其是在冰雪、大风等恶劣天气的影响下，会产生线路覆冰、舞动等现象，严重损害电力设施的安全，导致电力塔架的倾斜或倒塌，严重的影响人们的生产建设和生活秩序，造成巨大的经济损失.横担的破坏形式只要有横担压坏、横担拉坏和横担扭坏，其中横担拉坏占最主要因素。下表1.1为横担的破坏原因及主要破坏形式。表1.1横担破坏原因及形式破坏模式主要原因主要破坏形式比例横担压坏导地线、绝缘子、横担等的自重及其上所覆冰雪等的重，超过横担本身的承压能力。横担的主材或斜材发生受压屈曲破坏，导致整个横担被破坏。较少横担拉坏铁塔两侧的导线因为不均匀覆冰而产生纵向不平衡张力力。由于导线的不均匀覆冰，铁塔两侧产生张力差，致使铁塔向着张力大的一侧发生倾斜，甚至弯曲，在超过一定的允许值之后，横担的杆件乃至铁塔都可能发生拉、压破坏，导致横担折断。90%横担扭坏坏铁塔一侧的导线因为断线破坏等因素产生了断线冲击荷载以及过大的纵向不平衡张力。可能发生导线断线、绝缘子断裂以及金具脱落等破坏，造成铁塔一侧的某相地线或导线的张力被突然间释放，因此会对铁塔施加动力冲击荷载。同时，由于塔架两侧不平衡的导线、地线张力会对塔身产生扭转力矩。非常容易造成铁塔横担的破坏及脱落。很多2线路正常运行中的不平衡张力2.1断线张力对铁塔横担的影响因架空线断线，断线档的相邻档距架空线所具有的水平张力，称为架空线的断线张力。断线引起的悬垂绝缘子串偏斜和杆塔挠曲变形，还使未断线侧各档的档距向减小的方向变化。紧邻断线档的档距减小的最多，距断线档越远减小的越少。残余张力的大小和档距的减小程度与断线后剩余档数有关。剩余档数是指断线档到耐张杆塔之间的档数。剩余档数越小，绝缘子串的偏斜就越严重，导线就越松弛，残余张力就越小，档距减小的越多。当断线后剩余档数只剩一档时，悬垂绝缘子串偏斜的耐张绝缘子串一样。反之，剩余的档数越多，残余张力就越大，一般情况下档短线点五档以外的导线受断线的影响很小，可以不再考虑。断线档的相邻档的残余张力最小，弧垂最大，且该力完全由断线档两侧的杆塔承受。故将其定义为断线张力。引起断线张力的原因有雷击、外力破坏、大风、振动以及风压接管抽签等，其中雷击和外力破坏是引起架空线断线张力的主要原因。2.2正常运行中不平衡张力产生的原因输电线路在架线竣工时，可以认为悬垂绝缘子串处于铅垂位置，各直线杆塔不承受架空线张力差。但在实际的输电线路中会出现以下几种情况，会使耐张段内各档架空线的张力相差悬殊，致使直线杆塔承受较大的不平衡张力：（1）耐张段中各档距长度、高差相差悬殊，当气象条件变化后，引起各档张力不等.（2）耐张段中各档不均匀覆冰或不同时脱冰，因各档比载不同引起张力不等。(3)线路在检修时，采用先松下某悬挂点的导或后挂某悬挂点的导线，造成两档合为一档，将引起与相邻各档张力不等。(4)耐张段某档进行飞车、绝缘爬梯等作业，集中荷载引起不平衡张力。（5）在高差很大的山区，尤其是重冰区的连续倾斜档，山上档和山下档的张力不等。以上各种情况中，耐张段各档不均匀覆冰或不同时脱冰是常见的较严重情况，尤其是重冰区。影响不平衡张力的因素很多，例如耐张段内的档数、档距大小和分布、脱冰和覆冰档的多少和位置以及绝缘子串的长度和型号等。因此，在计算不平衡张力时，不可能把全部情况加以计算，只能考虑比较严重的几种情况。2.3不平衡张力影响因素及技术措案对于不平衡张力的影响因素有不均匀覆冰位置、档距、高差、绝缘子串长、导线最大使用张力、导线分裂组合方式等。不均匀覆冰位置、档距、耐张段内档数、高差及导线分裂组合方式对覆冰不平衡张力影响较为显著,线路设计时重点考虑这几种因素,尽量减小覆冰不平衡张力，以下对几种不平衡张力的影响因素及对应的技术措案进行分析。（1）随着不均匀覆冰档档距的增大,最大不平衡张力逐渐增大,由此知不平衡张力受档距影响较为显著。在实际工程中，在地理条件和经济条件的允许下，尽量减小档距，可以有效的减小导线不平衡张力对杆塔横担的影响。（2）当不均匀覆冰出现在耐张段的两端时,直线塔承受的不平衡张力最大;随着不均匀覆冰位置向耐张段中央移动时,其最大不平衡张力逐渐减小。（3）随着档数的增加,6档以下覆冰不平衡张力增加较快。因此,对地形、气象条件较恶劣地段,可限制耐张段内档数在4-6档以下,档数越少,不平衡张力越小;对地形、气象条件稍好的地段可适当延长耐张段长度,增加连续档档数以降低工程投资。（4）随着高差的增大,最大不平衡张力也相应增大,不平衡张力受高差影响较为显著。由此可知，在实际工程中，应当根据实际的地形，选择恰当的线路走廊，尽量减少两杆塔之间的高差，可以有效的减小架空线的不平衡张力（5）虽然悬垂绝缘子串长度对杆塔不平衡张力的影响不是很大，但是，根据工程实际情况选择适当的悬垂绝缘子串长度可以缓解导线不平衡张力对输电线路杆塔横担的影响。（6）随着导线安全系数的增大,直线塔最大不平衡张力也逐渐增大。在实际工程中，需要根据具体的线路要求及方案，在经济条件允许的情况下，尽可能使用较大的导地线安全系数，从而减小杆塔的不平衡张力，保证输电线路正常、安全的运行。（7）随着导线分裂根数的减少,直线塔最大不平衡张力也逐渐减小,两分裂导线方案的最大不平衡张力仅为四分裂导线方案的最大不平衡张力的53%,改善不平衡张力效果显著。所以在实际工程中，设计导线在能够线路机械和电气技术参数的条件下，应尽量减少导线的分裂数，一般采用双分裂和四分裂导线能够有效的减少不平衡张力对杆塔的影响。2.4铁塔横担不平衡张力力学计算导线横担有尖横担、鸭嘴横担和矩形截面横担三种型式，如图2.1所示，下面对几种不同形状的横担分别进行计算。。（a）尖横担；（b）鸭嘴横担；（c）矩形横担图2.1上字型铁塔横担计算简图（1）尖横担尖横担由上、下主材在挂线角点处相交于一点，把横担视为由上下两片桁架组成。受断线情况控制，断线后的力有断线张力DT的垂直荷载DG作用下要承受弯矩，分别对A、B点取力平衡方程，得横担主材内力计算式为'1111'12221.12(1)2cDDcDDKTlGlNhbKTlGlNhb（2.1）1131122()AlAAl(2.2)式中1N、2N—上下平面角钢主材受力；1—下平面受力分配系数；1l、1A—分别为下平面角钢的长度及其截面积；2l、2A—分别为下平面角钢的长度及其截面积；（2）鸭嘴横担鸭嘴横担上、下平面交于一条线，把横担视为由上下两片桁架组成。受断线情况控制，断线后的力有断线张力TD的垂直荷载GD’在TD、GD’的作用下，上、下平面主材的内力计算与尖横担相同。（2.3）（3）矩形截面横担矩形截面横担由上、下平面交于一条线，把横担视为由上下两片桁架组成受断线情况控制，断线后的力有断线张力TD的垂直荷载GD’。在扭矩T作用下，横担端部产生P1、P2作用在四个平面上。（2.4）式中x－偏心距；A1、A2一横担上、下平面主材的截面积。'11111'122221.12(1)2cDDDcDDDKTlGlTelNhbbhKTlGlTelNhbbh下平面角钢主材受力　　　上平面角钢主材受力　　　12TPb22TPh参考文献[1]于亚成，基于光纤Bragg光栅的鸭嘴式横担主材受力形变的检测[J].[2]李光辉，高压输电线路施工[M].昆明：云南科技出版社.[3]孟遂民，架空输电线路设计[M]，中国电力出版社.[4]陈祥和，输电杆塔及基础设计[M]，中国电力出版社.[5]陈景彦，输电线路运行维护理论与技术[M]，中国电力出版社.[6]张保会，电力系统继电保护[M]，中国电力出版社.[7]李光辉，配电线路设计施工、运行与维护[M].中国电力出版社.[8]赵智大，高电压技术[M]，中国电力出版社.[9]杜玉清，架空送点线路施工技术问答[J].北京：水利电力出版社.[10]黄新波.输电线路在线监测与故障诊断[M].北京:中国电力出版社.[11]齐卫东、胡江华、黄国强.高压架空送电线路的故障分析与快速判定[J].西北电力技术，2004.[12]况中奎.llokv高压配电线路倾斜铁塔的加固纠偏施工[M].建筑建材装饰.[13」张爱虎.220K得妙11线/得西线45号塔覆冰倒塔的分析[J].江西电力.[14]黄新波，刘家兵，蔡伟，王小敬.电力架空线路覆冰雪的国内外研究现状[J].[15]杨风利，杨靖波，付东杰等．输电线路导线舞动荷载分析[J]．中国电机工程学报．[16]宴致涛，李正良．重冰区输电塔一线体系导线断线分析[M]．中国电机工程学报．[17]侯镭，王黎明，朱普轩等．特高压线路覆冰脱落跳跃的动力计算