浅谈垂直排列拉线塔在山区输电线路中的使用

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  摘 要:随着国民经济的快速发展,国家对电网建设的不断加大,而各地的土地规划征用的增多,如路网、高低电网等,导致线路走廊的选择越来越困难。经实践和经济比较,和多年施工及运行单位反馈的信息,在山区输电线路中采用垂直排列拉线塔(以下称垂排拉线塔),它占用廊道宽度小、能加快施工进度,有效降低工程造价及减少工程施工对生态环境造成的负面影响,具有良好的经济性、实用性和环保性的优点,在山区输电线路工程中应大力推广使用。
  关键词:垂排拉线塔 线路 经济 环保 实用
  背 景
  大兴~百黄35kV输电线路工程(属无电乡工程),是百黄变电站电源线路,线路全长9.13km。工程位于广西北部,九万大山中段,都安县境内,都安县是广西有名的大石山区。该工程沿线地形起伏较大,山体较陡,线路走廊小,交通运输不便,人力运距较远,施工难度大,工期要求紧短。
  百黄变电站早在一年前建好,为了使百黄变电站尽早投入运行,解决当地生活生产用电问题,需要设计一种占用廊道宽度小、安全经济、运输方便、施工工期短的杆塔。而垂排拉线塔以其大幅度减少线路走廊道宽度、运输、加工安装方便、造价低、安全可靠等优点成为首选。
  一、设计构思
  杆塔结构设计是架空输电线路工程设计中的重要一环,杆塔选择是否适当,对输电线路工程建设速度和经济性,供电的可靠性以及维修的方便性等方面影响较大。据统计,杆塔造价约占线路工程本体造价的35%。在本输电线路工程中,直线塔占杆塔总数的比重为15.0%,而转角杆塔比重却达到了85.0%,对工程的本体造价影响很大,且线路越长,这种影响越明显。因此,在确保质量、安全适用的前提下,设计上应尽量做到技术先进、经济合理。
  影响杆塔经济指标的主要要素有气象条件、使用条件、最大呼称高以及杆塔型式。
  (一)气象条件的确定
  根据《广西地区架空送电线路设计计算用气象条件区划》和都安县多年的气象资料及原有线路运行经验,本工程区域属Ⅰa区:最高气温+40℃,最低气温-5℃,最大风速为25m/s,年均雷电日为85天。
  (二)杆塔使用条件的确定
  1、导、地线型号的确定
  依据百黄变电站终期容量及初步设计批复文,选用导线型号为LGJ-120/25,最大使用应力为113.5N/mm2;地线型号为GJ-35,最大使用应力为294N/mm2。
  2、使用档距的确定
  通过对本市已运行的同种导线型号的35kV输电线路进行统计,得出各个使用档距的分布概率如下:
  水平档距:0~300m,25%;300~350m,22%;350~400m,25%,400~450m, 23%;450~500m, 4%;500~550m,1%。
  垂直檔距:0~450m,35%;450~500m,26%;500~550,18%;550~600m,13%;600~650m,6%;650~850m,2%。
  本线路为山区线路,地形复杂,因而不同杆位的水平档距和垂直档距分散性较大,而在多数情况下,由于地形起伏较大,容易出现水平档距未超过设计使用条件而垂直档距却已超过设计使用条件的情况。因此将垂排拉线塔的设计使用档距定为水平档距550m,垂直档距850m,代表档距450m。
  (三)杆塔最大呼称高的确定
  本线路位于大石山区,地形条件复杂,考虑线路跨越高速公路、林区和低压线路等情况,以及尽可能减少沿线树木砍伐量,以利于环境保护、水土保持。需确定一个比较合适的呼称高,因为将最大呼称高定得太小,会制约垂排拉线塔的使用。将最大呼称高定得过高,又会使全塔的材料指标相应增加,是不经济的。经测算,在不会导致杆塔材料指标明显增大的前提下,我们将垂直排列拉线塔的最大呼高定为21.73 m,比市内35kV输电线路中广泛应用的钢筋砼杆的最大呼高高出6.23m。
  此外,从实际使用档距考虑,即使在平地或丘陵地区,在没有交叉跨越及地形起伏的情况下,21.73m的最大呼高,使用档距能达到500m;在山区,充分利用地形,使用档距则能达到650m以上。因此选择21.73m作为垂排拉线塔的最大呼高是合适的。
  (四)塔型选择及设计优化
  1、塔型选择
  杆塔型式的选择是杆塔设计的核心,杆型选择是否适当,对输电线路经济性和建设速度、供电可靠性以及维修的方便性等影响很大。且一个杆塔是否安全可靠,结构是否简单合理、经济指标是否先进,外型与环境是否协调、美观,这都取决于杆塔型式的选择。
  由于线路地处大石山区,廊道窄小,交通运输困难,首先考虑使用垂排拉线塔。垂排拉线塔由塔头、主柱、拉线3部分组成。塔头和主柱由角钢和圆钢组成的空间桁架构成,有着良好的整体稳定性,能承受较大的轴向压力。拉线由高强度钢绞线做成,能承受很大的拉力。这种结构使得该塔型能充分利用材料的强度特性而减少材料耗用量。
  2、杆塔头部尺寸的确定
  塔头采用垂直排列型式,主柱为单柱式,这种型式结构简单,迎风面小,是一种成熟的结构形式。
  塔头尺寸的确定包括导地线线间距、导线线间距、地线支架高、导线对杆塔的净距离等电气要求。塔头尺寸的确定原则是在满足电气间隙要求,满足上下层导线或导线与地线水平偏移,防雷保护角等要求下,结合气象条件、使用条件,尽量减小塔头尺寸,以达到减小占用走廊宽度和节约钢材的目的。经计算垂排拉线塔地线与导线间距离定为3.07m,地线塔段高3.0 m,导线线间距为2.85m,防雷保护角大于25°。
  3、塔头结构布置
  塔头结构布置也就是通过调节斜材的设置间隔以及正侧面布材形式,来调节主材的计算长度,从而达到减小主材规格、节省材料的目的。
  经测算比较,决定地线支架及导线挂线主材按最小轴布置,地线支架斜材采用一段六节间布置。这种形式选择的塔段高为3.0m,塔段上头20×20cm,下头50×50cm,这种形式选择的主材规格较小,斜材均为圆钢,且斜材与主材连接均为封闭焊接,挂线板与横材角钢共用,省去了节点板和横担,提高了杆塔的稳定性及承载能力,充分利用了材料的力学性能。   4、主杆及拉线设计
  主柱采用方形截面格式结构,腹材布置为单腹杆系,主柱主材一般由角钢和圆钢组成的空间桁架结构,主柱与导线、拉线挂耳采用框格模板式结构,根据档距实际长短需要,直接焊接在主柱上,塔段间采用法兰连接,主柱与基础采用螺栓连接,考虑到地理位置高低与使用杆塔高低的配置,塔段长度按3m节或 6m节两种设计。
  转角拉线塔转角使用范围对塔材、拉线配置有一定的影响,高一级别的拉线转角塔比低一级别的拉线塔的塔材、拉线往往多出上百公斤和几套拉线,为了减小级差和控制塔材拉线指标,本工程从实际情况出发,按0°~5°和5°~90°共两个转角范围规划了2种杆型,即NCX和JCX。
  拉线对地夹角设置:导地线拉线及外角拉线对地夹角为45°,内角拉线对地夹角为60°。NCX拉线对横担夹角为45°,JCX拉线与导线在同一方向上, JCX并设置外角及内角拉线。
  拉线挂板位置布置:线路转角0°~45°时,对横担夹角70°;转角45°~60°时,对横担夹角65°;转角60°~90°时,对横担夹角55°。
  5、结构优化
  通过调整布置,杆段主柱作为一个独立模块加工,导线、拉线挂耳架作为独立模块,依据线路转角不同,线档长短不同,直接套住焊接在杆段主柱上,使得塔型横担连接螺栓为零,挂线点刚度强度增强,又省掉横担抱箍、拉线抱箍,这样结构简单便于加工安装。从测算成果知,垂排拉线塔比门型塔减少材料40%~50%。
  门型杆主杆头一般采用2根横拉杆把杆头连接。这种形式使得主杆刚度在接头处截面产生突变,容易引起应力集中。同时在门杆安装过程中主杆容易产生超规程变形,变形调正工作难度很大,给安装带来许多不便。而垂排拉线塔在设计中,主材采用角钢,斜材采用圆钢,导地线挂点和拉线挂点设置在同一个平面内,塔头段截面为200~500mm,塔腿段截面为500~200mm,中间段截面为500mm,塔两端小,中间大,为鼓字型结构,从而使得主柱刚度分布更趋均匀。
  二、垂排拉线塔的优点
  1、安全可靠
  垂排拉线塔采用了成熟的杆塔型式,它结构合理,强度可靠,充分利用了材料的力学性能。
  又導地线呈垂直布置,导地线水平距离为0~0.15m,地线保户角较大,线路耐雷性能更好。
  通过本工程的施工过程检验及投产后10多年来的带电运行证明,该种塔型安全可靠,运行稳定。
  2、一塔多用
  考虑到不同的35 kV输电线路工程,由于输送容量不同,采用的导地线型号不同。为了扩大该杆塔的使用范围,根据导线型号为LGJ-120/25,地线为GJ-35的垂排拉线塔计算结果,按广西区内35kV输电线路常用导地线型号,对垂排拉线塔分别进行了验算,换算出对应的使用档距,达到了一塔多用的目的。同时,通过调整挂线点位置间距,亦可作为110 kV输电线路工程使用。经换算垂排拉线塔可用于地线为GJ-35等型号,导线为LGJ-185/25以下等型号。
  3、加工、运输、安装方便
  垂直排列拉线塔采用按段/节分件加工组合,运输,现场施工安装方便。从施工单位反馈的信息得知,与导线呈水平布置的门型杆比较,垂直排列拉线塔还有以下优点:
  ①省去了塔位平降基工序;
  ②杆塔基础为预制混凝土基础,基础施工方便,基础土石方开挖量小,减少了施工量和弃土外运量,缩短了施工时间;
  ③杆塔组立安装方便,施工安装组立一基门型拉线塔一般需要2.0~3h时间,而安装一基垂直排拉线塔只需要1.5h。这些都说明了垂直排列拉线塔在方便施工,加快工程进度方面具有很大的优势。
  4、走廊宽度
  常规型线路边相距离为7m,最小走廊宽度为14m以上;而垂排拉线塔导线三相呈垂直布置,导线与杆塔轴线基本重合,边相水平距离为0m,线路走廊宽度压缩为7m或以下,线路走廊宽度大幅度减小,少占耕地林地,减少了线路廊道林木砍伐量及拆迁征地费,节省了投资,同时破坏植被少,大大减少对环境的影响。
  5、经济环保
  随着人们对环境保护意识的日渐增强,国家对环境保护、低碳经济提出了越来越高的要求,并出台了一系列相关法律、法规来规范人们的行为。这就对环境保护、低碳节能方面的设计提出了更高的要求。
  垂直排列拉线塔设计有19m,22 m,25m,可根据不同地形选用。因为是单杆,无需对杆塔基面平基降基处理,减少了降基面土石方开挖量,以0.8米底盘统计,垂排杆仅为0.32m3,而门杆为1.35m3,即基础土石方开挖工程量约为门杆的20%~30%,基坑开挖余土少,解决了余土堆放和弃土外运问题,省去了挡土墙,即节约了投资成本,使得线路施工对环境的影响降到最低。
  两种杆型的主要技术经济如下:
  垂排拉线塔(Jcx-15.73):钢材用量1.05t,拉线系统7套,砼墩1个,底盘1块,造价3.5万元。
  门型拉线塔(Jmex-15.56):钢材用量2.16t,拉线系统5套,砼墩2个,底盘2块,造价5.0万元。
  通过对两者本体经济比较可知,在同等使用条件下,垂排拉线塔的投资造价约为门型塔的(65~75%)。
  因此,在山区输电线路工程中,大力推广使用垂排拉线塔,不仅具有显著的经济效益,还有着良好的社会效益。
  三、结 论
  综上所述,垂排拉线塔具有结构简单、加工、运输、安装方便,施工进度快,工期短;结构外形较小,占用廊道宽度幅度小,对环境影响小,单位工程投资少等优点。在大兴~百黄35kV输电线路工程中,全线共计采用垂直排拉线塔23基,满足工程工期要求,并节约投资约30万元,取得了较好的经济效益和社会效益。因此,在山区输电线路的塔型设计中,尤其是对廊道窄小,人力运输困难的线路,应优先考虑和大力推广使用垂排拉线塔,以达到线路经济、实用、环保,节约投资的目的。
  参考文献:
  [1] 周振山.高压架空送电线路机械计算[M].水利电力出版社,1983.
  [2] 张殿生.电力工程高压送电线路设计手册(第二版)[K].中国电力出版社,2003.
  作者简介:韦绍争 男 1976年10月生,广西东兰县人,工程师,广西河池水利电力勘测设计研究院,从事水利水电工程施工管理、送变电工程勘测与设计工作15年。
  韦 涛 男 1980年10月生,广西东兰县人,广西电网公司河池供电局,工程师,从事电力工程建设及运行管理工作11年。
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