500 kV拉门塔临时拉线集线器的研制

刘　任　唐　波　赵晓明　吴　卓　孙　睿

(1. 三峡大学 电气与新能源学院， 湖北 宜昌　443002; 2. 国网山东省电力公司 长治市供电公司， 山西 长治　046011)



500 kV拉门塔临时拉线集线器的研制

刘任1唐波1赵晓明2吴卓1孙睿1

(1. 三峡大学 电气与新能源学院， 湖北 宜昌443002; 2. 国网山东省电力公司 长治市供电公司， 山西 长治046011)

摘要：由拉门塔拉线失效而引起的输电线路安全危害是当前亟需解决的问题．针对大规模施工机具进入维修场地所需时间较长的缺点，基于拉门塔拉线在多种工况下的受力特性，根据人力可操作性，分别采用螺杆传动、棘轮传动和齿轮传动等3种机械传动结构，提出了3种临时拉线集线器装置的设计方案．综合考虑经济性、轻巧性、便携性和安全性，确定出最优方案．建立了基于拉门塔塔线体系的力学有限元模型，采用Ansys软件仿真分析，对装置的力学强度进行了校验，计算得装置拉线的最大力学负载为86.78 kN．采用场域分解的方法将三维无界场域分解成有界子区域，采用Ansoft软件对装置带电作业条件下的空间场强分布进行计算，结果表明上人安装时作业人员体表场强最大值为418 kV/m．

关键词：500 kV拉门塔； 临时拉线集线器； 机械结构设计； 拉线材料； 有限元分析； 带电作业

当前，江苏某些地区500 kV输电线路仍运行有一定数量的拉门塔．拉门塔的安全稳定性较大程度上受拉线的影响，一旦拉线发生盗割或其他外力破坏等事故，若不能及时抢修则对线路的安全造成极大威胁[1]．因此，有必要研制一种轻巧便携的临时拉线集线器，在大规模施工机具进入维修场地之前用于拉门塔拉线维护或更换的临时替代．

由于国内外尚未有类似于临时拉线集线器的相关设备，可用于参考的文献很少．当前关于拉线铁塔的研究主要集中在铁塔的优化设计与整体稳定性分析方面．文献[2]以东长哈送电线路铁塔为例，利用有限元分析软件建立了桁梁混合单元的非线性有限元模型，研究了拉线初始预应力对拉门塔受力性能的影响规律，并通过实验验证了规律的正确性．文献[3]提出了一种对拉线塔内力分析和计算的简化方法，且通过实例验证了该方法的可行性和高精度性．文献[4]从导线的挂线方式、塔头型式和拉线的各种参数设置几个方面对750 kV输电线路拉V塔进行了优化设计，其显著的经济成果可以为今后的拉V塔工程建设提供一定的参考；文献[5]应用有限单元法对拉门塔不同工况的荷载进行了屈曲分析，并用真型试验验证了结果的正确性．

显然，国内外虽有一些对拉门塔的研究，但都是基于拉线完好的情况下进行的铁塔力学特性分析．本文通过对江苏省淮安500 kV任上5238线上典型的拉门塔受力特性及拉线临时替代技术研究，研制了一套能切实有效地用于拉门塔拉线临时检修和应急抢修的装置，并制定了其带电运行施工技术方案，解决了现有拉门塔拉线紧急消缺的工程实际问题．

1拉线门型铁塔及其拉线

在输电线路工程中，拉线门型铁塔是用2个垂直柱体支持导线及架空地线并由拉线提高稳定性的杆塔．拉线铁塔是在无拉线铁塔的基础上发展起来的，其结构由地线塔头、横担、主柱以及拉线4部分组成，角钢构成的主柱和斜材主要用来支撑架空线和其他附件．在拉门塔中，拉线一般由高强度镀锌钢绞线制成，用来平衡杆塔的横向荷载和导线张力，减少杆塔根部的弯矩[4-5]．每条拉线的上端通过拉线金具与横担连接，下端借助拉线金具固定于地面，可调节金具的长度来调整拉线的松紧．

拉门塔是输电线路中最为常用的直线塔型之一，具有受风荷小、用料少、安装组立方便等优点，在某种特殊环境下是一种较为合理的塔型．当前，我国500 kV输电线路还运行有一定数量的拉门塔．如图1所示为江苏省淮安市500 kV任上5238线上典型的ZLT3型拉门塔，该铁塔两侧分布了4根拉线，呈X型布置．

图1　500 kV任上5238线上的ZLT3型拉门塔

2临时拉线集线器的设计方案研究

2.1装置工作要求及其设计思想

针对拉门塔拉线出现的失效情况，需要寻找一种可替代原受损拉线的临时拉线，并且研制一套能用于临时拉线应急抢修的工器具及其施工方法．研究设计出的装置不仅机械负荷强度能够达到要求，而且要求结构轻巧，便于携带，适用于拉门塔巡检过程中发现拉线被破坏时，在不停电条件下可以及时对现有损坏拉线进行临时替代，确保线路铁塔的安全运行．

根据上述设计目标，确定的500 kV拉门塔临时拉线集线器的设计研究思路是：首先计算分析500 kV拉门塔在多种典型工况时的受力特点，确定合适拉线集线器的拉线材料及其截面结构，综合考虑经济性、轻巧性、便携性和安全性，从而根据人力可操作性，采用较为简洁的机械传动结构，进行拉线集线器装置的具体结构设计，并进行电学和力学安全性验证．

2.2临时拉线集线器的拉线材料、截面结构选择

2.2.1多种典型工况下的拉线力学特性分析

拉门塔在线路正常运行时，承受大风、重力、导地线不平衡张力等荷载的作用．其中风荷载为分布荷载，架空线的自重、冰重和不平衡张力荷载为集中荷载．采用理论力学、静力学的力学分析方法，作出拉门塔受力分析图，如图2所示．

图2　拉门塔受力分析简图

在图2中，杆塔上的横向、纵向和垂直方向的荷载及其各自对X、Y、Z轴的力矩和拉线横截面积均已知，拉线内力T1、T2、T3、T4(或其应力σ1、σ2、σ3、σ4)，主塔(杆)内力NA、NB及主柱(杆)底部纵向反力RA、RB均未知．

沿铁塔X、Y、Z轴的受力平衡条件，可建立3个方程，同时根据X、Y、Z轴的力矩平衡条件，也可建立3个方程．将6个方程联立，如式(1)所示

(1)

式中，σ1～σ4为拉线1～4的应力(N/mm2)；A为拉线横截面面积(mm2)；P、S、G为作用在杆塔上的横向、纵向和垂直方向的荷载(N)；MX、MY、MZ为荷载P、S、G对X、Y、Z轴的力矩(N·m)．

在实际工程中往往只需计算拉线的最大拉力，加之某些组合荷载的对称性，利用这些条件可使计算大为简化．现分别说明(以下均指荷载大到足以使一侧拉线应力减小到接近于零的极限情况)[6]．

江苏省淮安市任上线500 kV典型ZLT3拉门塔的呼称高度为33 m，拉线极限应力为1 500 MPa，水平档距和垂直档距分别为470 m、550 m，典型气象条件下的覆冰厚度为5 mm，最大设计风速为30 m/s．导地线型号分别为LGJQ-400、LGJT-95，截面积分别为446.6 mm2、152.81 mm2，单位长度质量分别为1 487 kg/km、707.11 kg/km．

1)横向对称荷载作用下的计算

横向荷载(如横向风荷载)对称于杆塔平面时S=0、ΔY=0、φ=0、θ=0、RA=RB=0、σ1=σ4，σ2=σ3=0，因此，由式(1)中的∑X=0和∑MY=0可得到：

(2)

式中，l0为横担水平中心点到拉线悬挂点的距离(m)；t为塔腿铰接点与塔头横担铰接点处的水平距离(m)；l为横担中心点到杆塔与横担铰接点处的水平距离(m)；其他符号的含义如图2所示．

横向荷载典型工况有最大风荷载、覆冰有风荷载2种，计算结果分别为97.28 kN、20.62 kN ．

2)纵向对称荷载作用下的计算

纵向对称荷载(如断中导线、纵向风荷载)对称于YOZ平面，因而T1=T2、T3=T4、RA=RB、φ=0、ΔX=0，因此，由式(1)中的∑Y=0和∑MX=0可得到：

(3)

纵向荷载典型工况为有风且断一相导线对应的荷载，计算结果为67.12 kN．因此，经计算知杆塔受横向最大风荷载时拉线出现最大拉力97.28 kN．

2.2.2拉线材料、截面结构选择

3种典型工况下拉线所受最大拉力为97.28 kN，因此，选取限值100 kN作为拉线力学设计标准，同时，为保证整个装置的轻便性，从质量轻、强度高和尺寸小等角度选择合适的的临时拉线替代材料及其截面结构．

常用的输电线路拉线材料有防腐型钢芯铝绞线、镀锌钢绞线、铝包钢芯铝绞线、光缆复合型地线等．此外，考虑到一些新型的绳索类材料，如迪尼玛绳和高分子聚乙烯绳索近年来也在某些工程中有一定的应用．因此，初步比较认为镀锌钢绞线、迪尼玛绳和高分子聚乙烯绳索符合拉门塔临时拉线的要求．镀锌钢绞线的特点是，抗拉强度高，表面有镀锌层，能防腐蚀，但由于钢绞线的密度大，导致拉线自重过大，造成整个装置过于笨重，在交通运输和携带过程中不便．迪尼玛绳的特点是，抗拉强度高，密度小，具有较长的挠曲寿命，但该材料的防滑性能差，且若要保证100 kN的力学强度，其截面尺寸过大，造成装置整体尺寸过大，也是携带不便．因此，考虑采用高分子聚乙烯绳索，该材料虽然表面硬度低，但自重轻，抗冲击性较强，承受100 kN拉断力时，其截面直径仅为10 mm，且价格也较低廉．

2.3临时拉线集线器的设计方案选择

由于部分拉门塔分布于山区、农田等特殊作业环境，为方便工作人员的搬运和使用，要求临时拉线集线器能够尽量轻巧便携．因此，根据临时拉线集线器的具体用途，结合上述力学分析，临时拉线集线器应该满足以下的工作要求：最大负载不小于100 kN，在该负载下工作时装置不能变形，装置自重不超过35 kg，便于人工携带．

根据人力操作特点，结合输电线路工程中传统的集线和紧线方式，分别采用螺杆传动、棘轮传动和齿轮传动等3种机械传动结构，提出了3种临时拉线集线器装置的设计方案．

方案1为双钩式集线紧线器．该装置主要由机架、导向滑轮、卷筒、齿轮、摇把、棘轮、棘爪、换向钮、卡线槽、卸扣组成，主要利用螺杆收线和紧线．方案1的装置结构图如图3(a)所示．

方案2为棘轮式集线紧线器．装置主要由机架、导向滑轮、锥形轴、卷筒、齿轮、曲柄、摇杆、连杆、棘轮、棘爪、换向钮、卡线槽等组成，利用动滑轮进行集线，由手柄控制棘爪，继而控制棘轮的紧线运动，且棘轮和集线卷筒属于同轴运动．方案2的装置结构图如图3(b)所示．

方案3为齿轮式集线紧线器．装置主要由机架、导向滑轮、锥形轴、卷筒、大齿轮、小齿轮、手柄、棘轮、棘爪、换向钮、卡线槽等组成，可调距离较大，可根据实际荷载，设计出负载不同的齿轮和选择不同的齿轮传动比．方案3的装置结构图如图3(c)所示．

(a)方案1装置结构图

(b)方案2装置结构图

(c)方案2装置结构图图3　3种方案的结构图

3种方案的综合性比较见表1．

表1　3种设计方案的综合性比较

显然，方案3的拉线集线装置自重较轻、省力倍数较大、预计承受的最大负载超过设计限值100 kN，因此，选择方案3进行研发．

2.4装置的结构设计及其工作原理

2.4.1装置结构设计

方案3的装置主要由机架、集线部分、动力驱动部分、拉线紧线部分等组成．其中，机架主要用来支撑所有构件，使装置稳定工作；集线部分主要是临时拉线穿过导向滑轮，在驱动力的作用下，将临时拉线最终卷绕到集线卷筒上；动力由人工提供，主要是作业人员控制手柄的转动，继而由小齿轮的转动驱动大齿轮，为整个装置提供动力；紧线部分通过卸扣将缠绕在卷线筒上的临时拉线固定于地面．

在完成了各零部件的尺寸设计及强度校核后，其整体设计实物如图4所示．

图4　临时拉线集线器实物图

2.4.2临时拉线集线器的工作原理

临时拉线的一端穿过导向滑轮2后，由导向滑轮2的对中作用，使其与锥形轴3中心面对齐(减小拉线绕入时的偏斜角度，有效降低磨损)，再在锥形轴3上缠绕4～6圈，以保证合适的包角，防止摩擦传动过程中由于负载过大而发生打滑，同时也应该避免包角过大导致摩擦阻力太大而不易转动．

施工时，由检修人员用手柄5驱动小齿轮6，再带动大齿轮4．设计的齿轮传动比为3，虽然齿轮传动降低了传动速度(传动速度为无齿轮的1/3)，但负载能力提升了3倍，同等条件下也会降低工人的劳动强度，其中大齿轮4与锥形轴3属于同轴转动．将手柄5的力矩传递到锥形轴3上，克服拉线缠绕在上面时产生的摩擦力矩驱动锥形轴3，即可卷入临时拉线，大大降低到了输入转矩，实现了省力的目的．

临时拉线从锥形轴3的一端卷入，从另一边卷出，此时，由另一名工人配合完成转动集线卷筒8的工作，将卷出的拉线卷绕到集线卷筒8上，拉线始端被固定于卡线槽7；同时，棘轮机构10能实现边集线边反向锁紧的功能，避免了工人施工过程中，由于负载过大导致手柄5反转误伤工人的意外事故，提高了操作安全性．由于棘轮机构与棘爪9安装于同一轴上，且还安装有换向钮11，当拉紧过度时，可拨动换向钮11，使棘爪9松开；集线卷筒8适当放线后，再拨动换向钮11实现实时锁紧功能．实际施工过程中，当拉线负载较大时，需要在耳板12上安装卸扣，将拉线穿过卸扣与钢钎相连，使整个装置固定在地面上，提高装置的稳定性．

搬运过程中，装置的大齿轮4和手柄5均可拆卸；施工时，2名工人就可以完成作业，不需要额外动力设备．经过安全检验与力学校核，1名工人通过人手摇动临时拉线集线器手柄，最大牵引力可达6 t．

3临时拉线的力学特性有限元校验

3.1拉门塔塔线体系的有限元分析思想

当前，国内外学者分析拉门塔受力特性时，一般将塔与架空线分开考虑，即将计算的架空线荷载作为外力施加于拉门塔上，然后根据拉门塔的实际结构、受力特征等对拉门塔进行简化分析与计算[7]．这种不考虑拉线与塔连接情况的计算方法显然无法用于拉线临时集线器的力学校验．

因此，考虑拉线与铁塔之间的连接影响，在ANSYS软件中建立铁塔-拉线体系有限元模型，将拉线用LINK10杆单元模拟，铁塔用BEAM188梁单元模拟，绝缘子串用LINK8杆单元模拟，其中拉线和铁塔连接节点采用理想铰接点(只有X、Y、Z3个位移方向的自由度)，绝缘子串与铁塔采用耦合铰接，铁塔主材与斜材采用刚性节点连接，建立整体实体模型，将拉门塔的角钢及拉线的内力求解域看作大量互连的内力子域，且对每个单元假设一个近似解，在此基础上推导出拉门塔角钢及拉线的力学平衡条件，从而求解出塔线结构的内应力及变形量[7-10]．

3.2临时拉线的力学强度校验

在规程[6]规定的典型工况下，拉门塔承受横向最大风荷载时拉线拉力最大，因此，基于该工况分析拉线受力和变形情况．

拉门塔承受横向最大风荷载时，由任上线500 kV典型ZLT3拉门塔结构参数建立的拉门塔有限元模型如图5(a)所示，塔线体系的有限元模型求解结果如图5(b)所示，有限元分析结果见表2．

(a)铁塔有限元模型　　　　　　　(b)有限元分析结果图5　有限元仿真模型与结果

(单位：kN)

从表2可知，拉门塔在最大风工况下，其变形主要表现为悬垂绝缘子串的偏移；在90°的最不利攻角时，当风速大小由零增加至一定的数值，迎风面拉线1、2的受力逐渐增加，拉线3、4的内力逐渐减小并趋近于零，即拉线退出工作，外荷载完全由拉线1、2承担．所以，在设计临时拉线时，主要考虑对迎风面的拉线进行加固和补强．

由表2可知，拉门塔在承受最大风荷载时，拉线出现的最大有限元计算拉力为86.78 kN，而上节的理论计算结果为97.28 kN，两者相差10.5 kN．这是由于在理论计算中将拉门塔实际模型进行了简化处理、将风荷载当成集中荷载，且有限元计算本身存在近视处理等原因造成的．由上述力学有限元校验分析可知，在承受最大风荷载时，拉线出现的最大拉力小于临时拉线高分子聚乙烯绳可承受的最大拉断力100 kN，也小于装置的最大可承受负载110 kN．因此，该临时拉线的力学有限元校核满足要求．

4带电作业下的空间电场仿真分析

将临时替代拉线集线器安装于正常运行的线路时，不可避免地存在上人安装时的带电作业安全问题[11-12]．采用场域分解的方法，将上人检修时拉门塔与拉线之间复杂的三维无界电场域分解成有界子区域，利用三维电场有限元软件Ansoft进行电场仿真分析．人体和任上线500 kV典型ZLT3拉门塔的三维模型如图6所示，人体各部分的参数见表3．

(a)人体模型　　　　　　　　(b)铁塔的三维模型图图6　电场仿真模型

人体部位仿真的几何体高度/cm半径/cm下肢圆柱体8016躯干圆柱体6516颈部圆柱体75头部球体-10

拉线安装带电作业最危险点出现在人与导线最近的时候，此时分为人在塔身和人在横担两种情况．对这两种情况分别计算，得到人体不同部位表面电场强度对比见表4．从表4可以看出，作业人员位于塔身时出现最大电场强度，其体表场强最大值为418 kV/m．因此，作业人员必须穿戴屏蔽服或静电防护服才能进行操作[13-17]．

表4　人分别在塔身、横担时不同部位表面电场强度

人体位于塔身时的空间电场分布如图7所示．

(a)人在塔身时电场分布　　　　　　(b)人体表面电场分布图7　带电作业最大电场强度分布

5结论

1)研制开发的500 kV拉门塔临时拉线集线器采用高分子聚乙烯绳索作为临时替代拉线，按照截面直径10 mm，抗拉强度100 kN进行设计，经验算，正常工况下临时拉线集线器拉线所受最大拉力为86.78 kN．

2)线路正常运行时进行检修，安装拉线过程中出现的人体体表最大场强约为418 kV/m，作业人员必须穿戴屏蔽服或静电防护服才能进行操作．

3)该装置采用人力驱动，选择齿轮传动结构进行设计，且装置可拆装组合，便于施工人员携带．以江苏省淮安市500 kV任上5238线上典型ZLT3拉门塔为实施例，进行了现场施工试验，验证了该装置的可靠性和实用性．

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[责任编辑张莉]

收稿日期：2015-08-31

基金项目：国网江苏省电力公司项目(SDHZ2014139)

通信作者：刘任(1990-)，男，硕士研究生，研究方向为输变电工程电磁环境．E-mail：505129963@qq.com

DOI：10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2016.01.015

中图分类号：TM752

文献标识码：A

文章编号：1672-948X(2016)01-0071-07

Research on Temporary Cable Hut of 500 kV Guyed Portal Tower

Liu Ren1Tang Bo1Zhao Xiaoming2Wu Zhuo1Sun Rui1

(1.College of Electric Engineering & Renewable Energy,China Three Gorges Univ.,Yichang 443002,China; 2. Changzhi Electric Company of State Grid Shanxi Electric Power Company, Changzhi 046011, China)

AbstractThe safety damage of transmission line caused by cable failure of guyed portal tower is needed to be solved urgently. Considering that it takes a long time for large-scale equipment to enter into the maintenance site, therefore, based on the mechanical characteristics of door tower cable in various situations, three kinds of design schemes of temporary cable hut device consisting of mechanical transmission structures (screw drive, ratchet drive and gear drive etc.) are proposed respectively in view of the human's strength operability. Based on comprehensive consideration of economy, legerity, portability and safety, the optimal scheme is proposed. The mechanical finite element model of tower-line system is established; meanwhile, the mechanical strength of the device is calibrated by ANSYS simulation software. The maximum load of the device's cable is 86.78kN. By making three-dimensional unbounded fields decomposed into a bounded region. The results show that the maximum electric field intensity of works' surface is 418 kV/m by using ANSOFT when climbing worker is in the operation.

Keywords500 kV guyed portal tower;temporary cable hut; mechanical structure design; cable materials; finite element analysis; live line working