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摘要:在电力工程建设中，当发电厂发出电后，首先要经过变电站（称为变电站甲）升高电压，然后进行远距离输送。当电力输送到另外一个地方的变电站（称为变电站乙）时，进行降压后再将电力引到用户处。当中需要架设杆塔，把电力线挂在空中，并保持对地一定的安全距离。本文针对传统模式设计的解决方案对送电线路设计中的转角塔结构的不对称问题展开详细分析。
关键词:线路; 铁塔; 设计
中图分类号：TM726.4 文献标识码：B 文章编号
Abstract: In the electric power project construction, when power plant produces electricity, firstly it needed to be approved by the substation (called substation A) raising voltage, and then transmitted over a long distance. When electricity to another place of substation (called substation B) and step-down power again after leads to users place. Need of erection tower, to hang in the air power, and to maintain the safety of a distance. This article will be analyzed in view of the traditional pattern design solutions for transmission lines in the design of the structure of the asymmetric corner tower.
Key Words: line; Fe tower; design
在110kV及以上的送电线路中, 虽然转角塔所占比例较小,每百km使用量也有25～35 基。且随着110, 220kV线路作为配电线路进入城区, 将大大增加转角塔的使用数量。因此进一步研究转角塔设计方案, 探讨新的设计思路是很有价值的。
1 改变传统模式设计思路来源
架空送电线路设计在我国, 已有40多年的历史,积累了较为丰富的设计经验。但转角塔设计仍为羊角型塔、干字型塔、鼓型塔、酒杯型塔等几十年来的定型模式。目前,双避雷线、三相(单根)导线的转角塔设计, 均按(1)式受力选取主材。即:
P=[Lh(2Fc+3Fa)+6Ff]cosθ/2+(4Tc+6Ta)×sinθ/2 (1)
式中Lh———档距, m;
Fc、Fa———避雷线、导线无冰时风荷载, N/m;
Ta、Tc———导线、避雷线之张力, N;
Ff———绝缘子和金具的风荷载, N;
θ———线路转角,( °) 。
当线路转角θ超过一定范围,风由内角向外角吹所产生的风荷载恒小于避雷线和导线张力产生的角度负荷时, 转角塔外侧的主材将永远受拉应力控制, 拉杆将不受压应力失稳的影响。当线路的转角大到一定数值, 内外侧主材可相差1～2个规格级,甚至更大。若仍按对称设计, 铁塔会有5%～10%甚至更多的材料白白浪费掉。因此, 提出转角塔、终端塔结构的不对称设计方案是非常必要的。
2 不对称转角塔设计时的临界角度的确定
转角塔的设计转角度数不是以实际线路的转角度数来界定的, 为安全、方便、通用, 转角塔一般界定为5°、30°、60°、90°四种。这4种转角铁塔计算时用的组合外力, 均采用(1)式的组合方式。当风向由内角向外角方向吹时,则风荷载与避雷线、导线张力所产生的角度荷载方向相反, 若风速不变, 水平档距为定值,则线路上必有一个转角,使铁塔所受的水平力P 为零, 这个转角, 即为转角塔的“临界角”。当线路转角小于临界角时,反向风荷载大于角度荷载, 铁塔的内侧主材会变为受拉材,外侧主材会变为受压杆件。若线路的转角大于临界角, 则铁塔转角的外侧主材在任何工况下均为受拉杆件。转角塔的“临界角θ”由(2) 式确定:
θ/2=arctanLh(Fc+1.5Fa)+3Ff(2)
2.1 临界角θ的分析
根据输电线路统计资料, 我省地区最大设计风速采用25m/s,30m/s2 种;220kV输电线路常采用LGJ - 300/40、LGJ - 300/50、LGJ - 300/70、LGJ - 400/35、LGJ - 400/50、LGJ - 400/65 六種钢芯铝绞线; 代表档距常选用400m, 450m, 水平档距采用350m, 400m, 450m, 500m, 550m, 600m 作为计算档距。将上述参数代入公式, 并将计算结果按6 种型号导线、2 种代表档距和最大风速25m/s, 30m/s 绘制“临界角”与水平档距的关系曲线(见图1～图4)及各种型号导线, 在同一水平档距, 同一最大风速的条件下,“临界角”与代表档距的关系曲线(见图5、图6)。
图1 最大风速25m/ s、代表档距400m 时临界角与水平档距的关系曲线
图2 最大风速25m/ s、代表档距450m 时临界角与水平档距的关系曲线
图3 最大风速30m/ s、代表档距400m 时临界角与水平档距的关系曲线
图4 最大风速30m/ s、代表档距450m 时临界角与水平档距的关系曲线
图5 最大风速25m/ s、代表档距450m 时各种导线临界角与代表档距的关系曲线
图6 最大风速30m/ s、规划水平档距450m 时各种导线临界角与代表档距的关系曲线
从图1～图4 可以看出, 同一种导线, 在一定风速条件下,代表档距不变,“临界角”与水平档距成正比。在同一风速, 同一代表档距和水平档距时, 较轻型导线的“临界角”要比较重型导线的“临界角”大。
从图5、图6 可以看出, 同一种导线, 在同一风速条件下, 水平档距不变, 代表档距的变化对“ 临界角”的影响不大;风速越大, 代表档距对“临界角”的影响愈不明显。代表档距对较轻型导线的影响要比对较重型导线的影响大一些。
2.2 “临界角”的选取
2.2.1 转角塔的“临界角”选取
从(2)式可以得知, 转角塔的“临界角”受最大风速反向风荷载控制。反向风压越大,“临界角”越大。从曲线图2、图4 得知,水平档距400m, 代表档距450m 时, 轻型导线在最大设计风速25m/s 和30m/s 时,“ 临界角” 的最大值分别为12.3° 和14.5°。正常型和加强型导线的“临界角” 分别为11.2°和13.2°。从曲线图5、图6 可以看出, 当水平档距在450m 以下,代表档距不超过450m 时, 无论哪种型号的导线, 其“临界角”的最大值均在11°以下。
在“临界角”的计算过程中, 由于略去了导线、避雷线、附件重量、铁塔自重和铁塔自身风压对“ 临界角”的影响, 故“ 临界角”的计算结果略偏小。为了安全, 并使该设计方法和以往的选塔方法接轨, 取15°和20°作为“临界角”值。
设计时, 应根据线路的实际设计条件, 绘制出转角塔不对称设计所需的“ 临界角”曲线, 选择适合工程实际的不对称铁塔。切不可在转角度数大于“临界角”的情况下, 仍选用常规设计的塔型, 造成大材小用, 浪费钢材;当然更不能在小于“ 临界角”的情况下, 选用不对称铁塔, 那样将会使杆塔运行不安全。
2.2.2 终端铁塔“临界角”的选择
终端塔的不对称设计, 是不受垂直于线路的风负荷影响的, 其主材主要受正常档距导线和避雷线的张力所控制。变电站龙门架与终端塔之间的导线和避雷线均为松弛状态, 其张力为正常档距张力的1/2～1/4, 且水平档距也只有一般档距的一半, 受反向风荷载的影响很小。故可以不考虑“临界角”的取值。在终端塔实际设计中, 应根据实际转角度数, 选取终端塔的主材和其他构件。或根据此作为不对称铁塔的设计条件, 进行终端塔的设计。
线路实际转角小于“临界角”时, 则转角塔不能采用不对称设计。
2.3 临界水平档距
从上面分析可知,“临界角”是不对称转角塔设计的最小转角度数。当“临界角”确定后, 在这个角度条件下设计的不对称转角铁塔, 相应就会出现“临界水平档距”, 当实际水平档距小于“临界水平档距”时线路则安全, 否则就不安全, 得换合适的塔型。在“临界角”确定后, 其“临界水平档距”Lh 值可按(3)式求得:
Lh=(2Tc+3Ta)tanθ/2- 3Ff/Fc+1.5Fa ( 3)
2.4 “临界角”在工程中的应用
以上“临界角”仅分析了导线张力和风荷载对杆塔的影响。根据现行输电线路杆塔设计规程, 杆塔应能承受多种工况、多挂点、各种荷载组合的作用。
作为工程使用的杆塔应达到如下条件:
(1) 当杆塔受到与导线张力产生的角度荷载方向相反的荷载时, 其杆件的受力不会产生质的变化。也就是说受拉控制的杆件不可能变为受压控制的杆件。
(2) 承力塔一般在“临界角”以上时, 在主要荷载方向两侧的杆件的受力都会有差异, 如果其差异不大, 不能使其构件规格发生变化, 就没有实用价值。只有差异大到杆件规格或约束条件发生变化, 才会使钢材的消耗下降。定性的看, 大转角塔比小转角塔节省材料效果明显。而且, 其反向风等随机荷载只会成为有利因素, 而不会成为不利因素, 对铁塔的不对称设计不会构成不利影响。
(3) 如果结构构件能够采用其他细化分级, 而不增加加工、施工复杂程度, 则对采用不对称设计方法更为有利。
2.5 不对称塔的试验验证
为了验证转角塔不对称设计的可行性, 我们安排了一个较为典型的不对称塔进行了真型塔强度试宜。因此, 如果选择11/2 断路器接线, 更要注意对变电所未来短路电流水平的控制。控制500kV变电所一次侧短路电流水平最有效的措施是限制500kV出线回路数。根据茂名电网的实际情况, 一般可按以下标准:如果变电所500kV 断路器开断电流为63kA, 其靠近电源侧500kV出线回路数应限制在10 回以内, 在受端侧控制在12 回以内;如果500kV断路器开断电流为50kA, 其靠近电源侧500kV出线回路数应控制在8 回以内, 在受端侧限制在10 回以内。如需超过此数, 应作进一步分析论证。
3 提高变电所规划容量的实例
提高变电所规划容量, 不论采用单台大容量主变, 还是采用多台主变, 都应有利于降低变电所单位容量占地面积和工程造价, 并注意统筹安排好变电所出线。
500kV 茂名某变电所, 规划建设规模为2 组750MVA 和2组1000MVA 主变, 500kV 出线10 回, 采用11/2 断路器接线,共6 串;220kV出线16 回, 采用双母线四分段接线。经一期、二期工程建设, 已投产1 组750MVA 和1 组1000MVA 主变。其220kV 主接线采用双母线四分段接线, 按“ 一所两站”方式运行, 对于减少500kV 变电所220kV 侧短路电流非常有效, 且适应电网分层分区运行, 又满足了电网运行可靠性、灵活性要求。在建的500kV 另一所变电所, 规划建设规模为4 组750MVA主变, 500kV 出线10 回, 采用11/2 断路器接线, 共6 串;220kV出线16 回, 也采用双母线四分段接线。
目前, 我省一些负荷密集区域的220kV 变电所,
均已按4台主变模式设计建设。为满足电网运行可靠性要求, 避免母线故障导致同时切除2 台主变, 其220, 110kV 主接线均采用了双母线四分段接线。
4 结论
目前, 我省电力负荷密度总体上还不高, 变电所容量还比较小。但随着社会经济的发展和城市化进程的推进, 在负荷密度较高的区域建设大容量变电所是必然趋势。
为解决当前电网面临的短路电流超限问题, 在规划设计阶段优化电网结构来限制短路电流应该是首选的和最为有效的办法。优化电网结构不仅是优化电网接线方案以及电源接入方案, 还应当包括提高变电所容量, 使各级线路、变电容量都能相互协调匹配, 达到优化电网结构的目标。
为控制500kV变电所一次侧短路电流水平, 必须严格限制其500kV 出线回路数, 这是控制500kV 变电所一次侧短路电流水平最有效的措施。提高变电所规划容量, 可以采用单台大容量主变, 也可以采用多台主变, 具体可以通过技术经济比较确定。不论采用单台大容量主变, 还是采用多台主变, 都应有利于降低变电所单位容量占地面积与工程造价。
注：文章內所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词:线路; 铁塔; 设计
中图分类号：TM726.4 文献标识码：B 文章编号
Abstract: In the electric power project construction, when power plant produces electricity, firstly it needed to be approved by the substation (called substation A) raising voltage, and then transmitted over a long distance. When electricity to another place of substation (called substation B) and step-down power again after leads to users place. Need of erection tower, to hang in the air power, and to maintain the safety of a distance. This article will be analyzed in view of the traditional pattern design solutions for transmission lines in the design of the structure of the asymmetric corner tower.
Key Words: line; Fe tower; design
在110kV及以上的送电线路中, 虽然转角塔所占比例较小,每百km使用量也有25～35 基。且随着110, 220kV线路作为配电线路进入城区, 将大大增加转角塔的使用数量。因此进一步研究转角塔设计方案, 探讨新的设计思路是很有价值的。
1 改变传统模式设计思路来源
架空送电线路设计在我国, 已有40多年的历史,积累了较为丰富的设计经验。但转角塔设计仍为羊角型塔、干字型塔、鼓型塔、酒杯型塔等几十年来的定型模式。目前,双避雷线、三相(单根)导线的转角塔设计, 均按(1)式受力选取主材。即:
P=[Lh(2Fc+3Fa)+6Ff]cosθ/2+(4Tc+6Ta)×sinθ/2 (1)
式中Lh———档距, m;
Fc、Fa———避雷线、导线无冰时风荷载, N/m;
Ta、Tc———导线、避雷线之张力, N;
Ff———绝缘子和金具的风荷载, N;
θ———线路转角,( °) 。
当线路转角θ超过一定范围,风由内角向外角吹所产生的风荷载恒小于避雷线和导线张力产生的角度负荷时, 转角塔外侧的主材将永远受拉应力控制, 拉杆将不受压应力失稳的影响。当线路的转角大到一定数值, 内外侧主材可相差1～2个规格级,甚至更大。若仍按对称设计, 铁塔会有5%～10%甚至更多的材料白白浪费掉。因此, 提出转角塔、终端塔结构的不对称设计方案是非常必要的。
2 不对称转角塔设计时的临界角度的确定
转角塔的设计转角度数不是以实际线路的转角度数来界定的, 为安全、方便、通用, 转角塔一般界定为5°、30°、60°、90°四种。这4种转角铁塔计算时用的组合外力, 均采用(1)式的组合方式。当风向由内角向外角方向吹时,则风荷载与避雷线、导线张力所产生的角度荷载方向相反, 若风速不变, 水平档距为定值,则线路上必有一个转角,使铁塔所受的水平力P 为零, 这个转角, 即为转角塔的“临界角”。当线路转角小于临界角时,反向风荷载大于角度荷载, 铁塔的内侧主材会变为受拉材,外侧主材会变为受压杆件。若线路的转角大于临界角, 则铁塔转角的外侧主材在任何工况下均为受拉杆件。转角塔的“临界角θ”由(2) 式确定:
θ/2=arctanLh(Fc+1.5Fa)+3Ff(2)
2.1 临界角θ的分析
根据输电线路统计资料, 我省地区最大设计风速采用25m/s,30m/s2 种;220kV输电线路常采用LGJ - 300/40、LGJ - 300/50、LGJ - 300/70、LGJ - 400/35、LGJ - 400/50、LGJ - 400/65 六種钢芯铝绞线; 代表档距常选用400m, 450m, 水平档距采用350m, 400m, 450m, 500m, 550m, 600m 作为计算档距。将上述参数代入公式, 并将计算结果按6 种型号导线、2 种代表档距和最大风速25m/s, 30m/s 绘制“临界角”与水平档距的关系曲线(见图1～图4)及各种型号导线, 在同一水平档距, 同一最大风速的条件下,“临界角”与代表档距的关系曲线(见图5、图6)。
图1 最大风速25m/ s、代表档距400m 时临界角与水平档距的关系曲线
图2 最大风速25m/ s、代表档距450m 时临界角与水平档距的关系曲线
图3 最大风速30m/ s、代表档距400m 时临界角与水平档距的关系曲线
图4 最大风速30m/ s、代表档距450m 时临界角与水平档距的关系曲线
图5 最大风速25m/ s、代表档距450m 时各种导线临界角与代表档距的关系曲线
图6 最大风速30m/ s、规划水平档距450m 时各种导线临界角与代表档距的关系曲线
从图1～图4 可以看出, 同一种导线, 在一定风速条件下,代表档距不变,“临界角”与水平档距成正比。在同一风速, 同一代表档距和水平档距时, 较轻型导线的“临界角”要比较重型导线的“临界角”大。
从图5、图6 可以看出, 同一种导线, 在同一风速条件下, 水平档距不变, 代表档距的变化对“ 临界角”的影响不大;风速越大, 代表档距对“临界角”的影响愈不明显。代表档距对较轻型导线的影响要比对较重型导线的影响大一些。
2.2 “临界角”的选取
2.2.1 转角塔的“临界角”选取
从(2)式可以得知, 转角塔的“临界角”受最大风速反向风荷载控制。反向风压越大,“临界角”越大。从曲线图2、图4 得知,水平档距400m, 代表档距450m 时, 轻型导线在最大设计风速25m/s 和30m/s 时,“ 临界角” 的最大值分别为12.3° 和14.5°。正常型和加强型导线的“临界角” 分别为11.2°和13.2°。从曲线图5、图6 可以看出, 当水平档距在450m 以下,代表档距不超过450m 时, 无论哪种型号的导线, 其“临界角”的最大值均在11°以下。
在“临界角”的计算过程中, 由于略去了导线、避雷线、附件重量、铁塔自重和铁塔自身风压对“ 临界角”的影响, 故“ 临界角”的计算结果略偏小。为了安全, 并使该设计方法和以往的选塔方法接轨, 取15°和20°作为“临界角”值。
设计时, 应根据线路的实际设计条件, 绘制出转角塔不对称设计所需的“ 临界角”曲线, 选择适合工程实际的不对称铁塔。切不可在转角度数大于“临界角”的情况下, 仍选用常规设计的塔型, 造成大材小用, 浪费钢材;当然更不能在小于“ 临界角”的情况下, 选用不对称铁塔, 那样将会使杆塔运行不安全。
2.2.2 终端铁塔“临界角”的选择
终端塔的不对称设计, 是不受垂直于线路的风负荷影响的, 其主材主要受正常档距导线和避雷线的张力所控制。变电站龙门架与终端塔之间的导线和避雷线均为松弛状态, 其张力为正常档距张力的1/2～1/4, 且水平档距也只有一般档距的一半, 受反向风荷载的影响很小。故可以不考虑“临界角”的取值。在终端塔实际设计中, 应根据实际转角度数, 选取终端塔的主材和其他构件。或根据此作为不对称铁塔的设计条件, 进行终端塔的设计。
线路实际转角小于“临界角”时, 则转角塔不能采用不对称设计。
2.3 临界水平档距
从上面分析可知,“临界角”是不对称转角塔设计的最小转角度数。当“临界角”确定后, 在这个角度条件下设计的不对称转角铁塔, 相应就会出现“临界水平档距”, 当实际水平档距小于“临界水平档距”时线路则安全, 否则就不安全, 得换合适的塔型。在“临界角”确定后, 其“临界水平档距”Lh 值可按(3)式求得:
Lh=(2Tc+3Ta)tanθ/2- 3Ff/Fc+1.5Fa ( 3)
2.4 “临界角”在工程中的应用
以上“临界角”仅分析了导线张力和风荷载对杆塔的影响。根据现行输电线路杆塔设计规程, 杆塔应能承受多种工况、多挂点、各种荷载组合的作用。
作为工程使用的杆塔应达到如下条件:
(1) 当杆塔受到与导线张力产生的角度荷载方向相反的荷载时, 其杆件的受力不会产生质的变化。也就是说受拉控制的杆件不可能变为受压控制的杆件。
(2) 承力塔一般在“临界角”以上时, 在主要荷载方向两侧的杆件的受力都会有差异, 如果其差异不大, 不能使其构件规格发生变化, 就没有实用价值。只有差异大到杆件规格或约束条件发生变化, 才会使钢材的消耗下降。定性的看, 大转角塔比小转角塔节省材料效果明显。而且, 其反向风等随机荷载只会成为有利因素, 而不会成为不利因素, 对铁塔的不对称设计不会构成不利影响。
(3) 如果结构构件能够采用其他细化分级, 而不增加加工、施工复杂程度, 则对采用不对称设计方法更为有利。
2.5 不对称塔的试验验证
为了验证转角塔不对称设计的可行性, 我们安排了一个较为典型的不对称塔进行了真型塔强度试宜。因此, 如果选择11/2 断路器接线, 更要注意对变电所未来短路电流水平的控制。控制500kV变电所一次侧短路电流水平最有效的措施是限制500kV出线回路数。根据茂名电网的实际情况, 一般可按以下标准:如果变电所500kV 断路器开断电流为63kA, 其靠近电源侧500kV出线回路数应限制在10 回以内, 在受端侧控制在12 回以内;如果500kV断路器开断电流为50kA, 其靠近电源侧500kV出线回路数应控制在8 回以内, 在受端侧限制在10 回以内。如需超过此数, 应作进一步分析论证。
3 提高变电所规划容量的实例
提高变电所规划容量, 不论采用单台大容量主变, 还是采用多台主变, 都应有利于降低变电所单位容量占地面积和工程造价, 并注意统筹安排好变电所出线。
500kV 茂名某变电所, 规划建设规模为2 组750MVA 和2组1000MVA 主变, 500kV 出线10 回, 采用11/2 断路器接线,共6 串;220kV出线16 回, 采用双母线四分段接线。经一期、二期工程建设, 已投产1 组750MVA 和1 组1000MVA 主变。其220kV 主接线采用双母线四分段接线, 按“ 一所两站”方式运行, 对于减少500kV 变电所220kV 侧短路电流非常有效, 且适应电网分层分区运行, 又满足了电网运行可靠性、灵活性要求。在建的500kV 另一所变电所, 规划建设规模为4 组750MVA主变, 500kV 出线10 回, 采用11/2 断路器接线, 共6 串;220kV出线16 回, 也采用双母线四分段接线。
目前, 我省一些负荷密集区域的220kV 变电所,
均已按4台主变模式设计建设。为满足电网运行可靠性要求, 避免母线故障导致同时切除2 台主变, 其220, 110kV 主接线均采用了双母线四分段接线。
4 结论
目前, 我省电力负荷密度总体上还不高, 变电所容量还比较小。但随着社会经济的发展和城市化进程的推进, 在负荷密度较高的区域建设大容量变电所是必然趋势。
为解决当前电网面临的短路电流超限问题, 在规划设计阶段优化电网结构来限制短路电流应该是首选的和最为有效的办法。优化电网结构不仅是优化电网接线方案以及电源接入方案, 还应当包括提高变电所容量, 使各级线路、变电容量都能相互协调匹配, 达到优化电网结构的目标。
为控制500kV变电所一次侧短路电流水平, 必须严格限制其500kV 出线回路数, 这是控制500kV 变电所一次侧短路电流水平最有效的措施。提高变电所规划容量, 可以采用单台大容量主变, 也可以采用多台主变, 具体可以通过技术经济比较确定。不论采用单台大容量主变, 还是采用多台主变, 都应有利于降低变电所单位容量占地面积与工程造价。
注：文章內所有公式及图表请用PDF形式查看。