贴身拉线在在役输电铁塔加固中的应用

王进平

（太原供电分公司，太原市，030012）

0 引言

受2008年特大冰雪灾害的影响，我国南方地区发生大面积倒塔事故，铁塔损坏呈现数量大、倒向一边、塔头折弯等特点，其中数量大和倒向一边反映的是群体损坏；塔头折弯反映的是个体损坏[1-6]。高压输电线路设计规范规定，数基直线塔间需要设1基耐张塔，即使直线塔发生连锁倒塌，也应在耐张塔处截止。而在此次冰雪灾害中，连锁倒塔突破了耐张塔防线，造成输电线路全线倒塔。可见，在役铁塔需要有效的加固手段。

2008年冰灾之后，山西省电力公司与山西新长城机电科研所协作，共同完成了抗覆冰、抗狂风线路杆塔加固技术研究，提出了一种简单有效的贴身拉线加固高压输电铁塔技术，并在太原市南郊冶小线32号塔安装试用。本文从结构设计、理论分析角度，对贴身拉线加固在役杆塔技术进行介绍。

1 高压输电铁塔的损坏特点

2008年我国南方冰灾倒塔事故中某铁塔塔头折弯损坏状态如图1所示。图中：塔头在塔身与塔头的结合处（称为瓶口）折弯；一相电线断开，断头从绝缘子串挂线点悬垂下坠，塔头倒在未断线一侧；塔身的瓶口段主材略弯；塔身的中下段完好；塔腿和塔基虽障于树丛，均完好无损。

地线双线边置和电线一字布线时，塔头受断线张力折弯损坏分析如图2所示。一线顶置地线和中相电线处于塔纵向中轴面内，其断线张力只产生使塔头向未断线一侧弯曲的弯矩。塔头下曲臂根的抗弯刚度弱，塔头从其与塔身衔接的瓶口处向未断线侧折弯，如图2双点画线所示。由于电压高，所需绝缘气隙大，使横向布线的边相电线和边置地线远离铁塔纵向中轴面[7]。因此，当边相电线或边置地线断开时，不仅产生使塔头向未断线一侧弯曲的弯矩，同时还产生使塔头绕塔中轴线扭转的扭矩，弯矩和扭矩使塔头偏转塔纵向中轴面一定角度，向未断线侧折弯，如图2虚线所示（只画出不与其他图线重合的部分）。边置地线或边相电线断开时，另一边置地线或边相电线失去已断线侧的重力平衡，还会使塔头朝横向未断线侧弯折少许。

2 贴身拉线加固高压输电铁塔技术

2.1 结构模式

贴身拉线的结构如图3所示。横担左、右铰板分别固定在横担两端吊挂绝缘子串的悬臂架的根部；拉线左、右支的上端分别与横担左、右铰板铰联；下端均与上撑架外伸端铰联；上撑架根部铰联在塔体颈部有横隔处；上撑架外伸端与缓冲器的上端铰联；拉线干线上端与缓冲器下端铰联，下端与紧线器上端铰联；下撑架根部固定在塔腿上段，外伸端装着撑架铰座；铰支杆后端与撑架铰座铰联，前端与紧线器下端和上、下撑架拉杆上端铰联，上、下撑架拉杆下端分别与塔脚左、右铰板铰联。

贴身拉线每塔2套，对称安装在承受电线张力的塔侧面。调节紧线器使拉线适度张紧，以消除拉线明显下垂为度[8-9]。采用贴身拉线后，还可去掉下撑架，将拉线下固结点直接铰接在塔腰，这样可使抗拔力直传塔头，不仅简化结构，降低制造使用成本，而且防盗性好。上撑架还可做成矩形，左、右支线铰接于外伸端两角。拉线干线、根线交叉配置，这样可使左边相断线张力传至塔体右侧，右边相断线张力传至塔体左侧，让塔体更有效地抵抗塔头受到的扭矩[10]。

2.2 作用机理

塔体的力学抽象是1个固定地面的悬臂梁，外伸端两侧的电线对塔体形成方向相反的集中载荷。当两侧电线完好时，两侧电线所受张力相互平衡。两侧对称安装的贴身拉线也不显现对塔的抗弯作用。当铁塔一侧的电线因故障断开1条或数条时，另一侧电线的张力因瞬时失去断线侧电线的张力而显现，对塔体产生动载荷。因边相断线概率是中相的2倍，故断线多始于边相。边相断线时，塔体所受的电线张力经过拉线左、右支传给上撑架，上撑架承受边相断线所产生的扭矩，并将其传给缓冲器；缓冲器受拉变形，吸收断线张力的冲击能，经缓冲后把断线张力传给拉线干线；尔后再经过紧线器、撑架拉杆、塔脚左铰板和塔脚右铰板，传给固定塔脚左铰板、塔脚右铰板的地脚螺栓；最终把断线张力传到塔体地基并由其平衡。贴身拉线的传力构件，除过铰支杆是通过下撑架与塔体铰联外，其余各件均是直接与塔体铰联，这是为了在传送断线张力时，不在与塔体联结处，对塔体产生弯矩。

2.3 力学效果

瓶口为矩形，正面边长1 m多，侧面边长数m，是塔体最薄弱的断面，扭弯常发生于此。贴身拉线的上撑架铰连于该结合面两侧，可使该结合面的惯性矩增加2～3倍。贴身拉线与塔体形成的组合体，其各断面的惯性矩和抗弯系数均有明显增加。因此，塔体抗弯能力较不加贴身拉线明显提高。未安装贴身拉线的输电铁塔的受力为：当边相断线时，断线张力使塔头先扭，继而塔体受弯。安装贴身拉线的塔体受力为：铁塔和贴身拉线的组合体在承受边相断线张力所生弯矩时，是拉线受拉，塔体受压。以ZM1-21塔为例，由于塔体的承压能力远大于抗弯能力，档距为400 m时，所承电线重力26.53 kN，塔的下压力为144.89 kN，所以贴身拉线大大增加了塔体抵抗断线张力的能力。因为塔体地基是钢筋混凝土结构，深度数m至数10 m，所以铁塔的损坏多数是塔头的损坏，而塔体，特别是塔体下部和塔脚仍然完好。贴身拉线正是基于这种实际，巧妙地挖掘了塔体强度潜力，加强了铁塔最薄弱的塔头和塔颈。此外，与地锚拉线相比，贴身拉线铁塔加固技术具有无需拉线基础、无需征地、适于山头孤丘无地锚点以及便于施工等优点。

2.4 电学设计

以ZM1-21铁塔为例，其塔头结构尺寸及电学数据为：绝缘子串长2 855 mm，风偏角为35°，双分裂导线的下导线距塔身的距离为1.450 m。贴身拉线的上固结点A距绝缘子串吊挂点水平间距700 mm。贴身拉线上撑架在铁塔正面的投影完全落在塔身范畴内。贴身拉线支线、贴身拉线干线的连接点B，在铁塔正面的投影正好落在铁塔的中轴线上。因此贴身拉线在铁塔正面的投影，完全落入外轮廓的包络面内，所以贴身拉线的绝缘气隙较绝缘子串的绝缘气隙还要大，电学设计安全合理。

2.5 结构设计

（1）拉线地夹角。地锚拉线的地夹角约为60°时，既可以使拉线产生能够平衡电线张力的水平分力，又可以使杆塔与拉线的总体结构比较紧凑[10]。因此，贴身拉线支线段的地夹角在电线方位面内的投影定为60°。

（2）拉线与塔体构件的夹角。计算拉线支线、拉线根线长度和进行拉线传力的分解合成时，均要用到拉线支线、拉线根线和塔体相关构件的夹角。由于这些夹角均是空间角，须用画法几何学图解。经图解：拉线支线与横担下弦杆夹角为35°；拉线根线与塔腿主材夹角为30°；2者余角均与地锚拉线的地夹角为60°。

（3）上固结点遴选。上固结点应尽可能选在离绝缘子串吊挂点的最近处，以便直接承受断线张力。按此要求，上固结点应在塔头横担两端离绝缘子串最近节点的六连板上，其距地高度即为塔的呼称高。

（4）上撑架及其固结位置确定以及撑离量。上撑架为受压件，为保证其轴向受压的稳定性，设计为等腰三角柁形，下弦杆固结于瓶口有横隔处。由于上撑架顶铰连拉线，使拉线撑离塔身，并保证与地面夹角为60°，上撑架的高为500 mm。

（5）下撑架及其固结位置确定以及撑离量。下撑架亦为受压件，因此也设计为等腰三角柁形，下弦杆固结于塔腿根有横隔处，即塔腿高3 m处。下撑架顶同样铰连拉线，使拉线撑离塔体。但因塔体中下部抗弯强度足够，无需增加惯性矩，且拉线干线不必撑离塔体很大，故下撑架的高定为950 mm。

（6）下固结点遴选。下固结点必须选在塔脚板或塔主材根部，而不能选在任何一条地脚螺栓上。因为后者只是一条地脚螺栓承载，前者才能使所有地脚螺栓承载。

3 结论

（1）高压输电线路因故障断开一线，由于横担挂线间距是瓶口的7～8倍，必然导致塔头扭转弯曲，进而导致其他几条线呈连锁反应断开。如果安装上贴身拉线，当一侧有1条线断开时，贴身拉线可以将另一侧电线显现的张力及时加以平衡，使塔头其他电线不会因连锁反应而断开，防止断线故障扩大，也阻止了铁塔一侧电线全部断开时，铁塔被另一侧电线拉倒。

（2）贴身拉线不对在役铁塔进行任何加工，且没有土建工程，不改变原有设计，造价低廉，结构简单，安装方便，具有很强的实用性。

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