本发明涉及一种直线塔，尤其涉及220kv高风速区单回路复合材料横担猫头型直线塔。
背景技术：
：随着城市建设的高速发展，伴随着架空输电线路正在日新月异地发展，土地成为越来越稀缺的资源，线路走廊和输电线路损坏问题选择成为输电线路建设的首要难题。民众对环境和自我保护意识的极大提高，使得输电线路在政策处理、拆迁安置、节约走廊等方面变得十分困难。而输电线路导线是一种特殊材料，在自然工作环境中，主要受到风荷载作用，运营过程中导线受到的风压占线路导线受到风压的50％～70％，这就使得支撑导线的杆塔在本身承受风荷载的基础上，还必须承载导线传递过来的风荷载。风荷载对输电线路的危害频率大，程度范围大，经济损失严重。有研究表明，导线外形的选择和铁塔材料的设计对输电领域有着重要的作用，长期以来，线路工作人员一直在力求一种简便的方法使风压降到最低。满足现在电网需求，满足我国电力发展要求。为此，220kv输电塔的设计可采用紧凑型、紧缩型设计方案。目前，横担需要悬挂边相导线，因而需要有足够的强度，以保证输电塔的抗风性能，为了达到强度要求，则要求走廊宽度大，故存在材料要求多，占地面积大，成本高，装配困难等问题。技术实现要素：本发明要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术方案进行完善与改进，提供220kv高风速区单回路复合材料横担猫头型直线塔，以达到缩减塔头尺寸的目的。为此，本发明采取以下技术方案。220kv高风速区单回路复合材料横担猫头型直线塔，包括塔腿、塔身、猫头型的塔头和地线支架，所述的塔头包括位于上部的横梁、位于横梁两侧下方的上曲臂、下曲臂，下曲臂的下端与塔身相连，所述的下曲臂上设有横担，所述的横担上设有与角钢固接的异形构件，所述的异形构件横截面的外轮廓由两直角边及圆弧边连接而成，其中两直角边与角钢的直角内侧面相配；所述的异形构件为多层结构，包括外表涂层、加强层、填充层，外表涂层、加强层、填充层由外而内依次设置。异形构件可通过螺栓、螺钉等将其固定在角钢上；相比传统的端部采用法兰的连接方式，重量大大减少，安装与常规塔基本一致，避免了连接过渡段，施工方便快捷。由于复合材料绝缘性能较好，在确保相同绝缘水平条件下可减少绝缘子串长和导线与塔体间空气间距，在满足电气安全间隙的前提下，从而减少三相导线间距，压缩走廊，同时提高耐雷能力。本技术方案采用复合横担来压缩走廊宽度。保证输电塔的抗风性能。复合材料具有重量轻、强度高、耐腐蚀、加工成型方便、良好的电绝缘性等优点。采用复合材料以后，可以节约大量的钢材，且利用其绝缘性能，不仅易于解决线路的风偏和污闪事故，提高线路安全运行水平，同时还可缩小塔头尺寸，减少走廊宽度，节约土地资源，减少拆迁费用，降低工程投资成本。另外，由于复合材料重量轻，易加工成型的特点，可以大幅降低杆塔的运输和组装成本。本装置充分利用了复合材料的上述优点，异形构件有效增加了横担的强度，克服了传统输电塔抗风能力弱、自重较大的缺点，适合在高风速区域的输电塔设计。有效地解决输电线路占用走廊过多、过宽问题。作为优选技术手段：所述的横梁、上曲臂、下曲臂围成塔窗，塔窗中设有用于连接中相导线的绝缘子串，所述的绝缘子串吊装在横梁上。作为优选技术手段：两横担呈下拉的燕尾状，横担的下端部设有用于连接两边相导线的绝缘子串；连接中相导线的绝缘子串、连接两边相导线的绝缘子串呈三角排列。下拉的燕尾状进一步控制塔头尺寸。两边边相导线均采用“i”型绝缘子串与复合材料导线横担进行联结，串长的减少进一步缩短横担长度，从而压缩线路走廊宽度。较常规猫头型直线塔最大线间距离压缩5.0m，层高压缩1.5m，整体塔头压缩优化。作为优选技术手段：地线支架的挂点位于边相导线的外侧。地线顶架1挂点位于单回路边相导线以外，以达到对边相导线负保护的目的。作为优选技术手段：所述的横梁设有与角钢固接的异形构件。横梁也采用异形构件，有助于进一步减小猫头尺寸，降低成本。作为优选技术手段：所述的外表涂层为纤维保护涂层，所述的加强层为玻璃纤维层，所述的填充层为泡沫填充层。间隙圆的减少使得塔头垂直间距可以减少，从而提高耐雷能力。作为优选技术手段：加强层的厚度小于填充层。填充层的尺寸大，有助于提高强度，在降低重量的同时，具有足够的强度，且使角钢的两端低于异形构件的最外点。作为优选技术手段：所述的异形构件通过螺栓连接在角钢上，相邻角钢之间通过法兰进行连接，所述的法兰一端通过螺栓与一角钢相连，法兰的另一端通过螺栓与另一角钢相连；所述的异形构件正对或斜对吊挂在其上的绝缘子串。作为优选技术手段：中相导线和边相导线均为低风压导线；低风压导线包括线芯、内层导体、外层导体；所有的内层导体均被外层导体所覆盖，且每根外层导线与外界环境接触的一侧均为具有外凸弧度的导体结构，形成起伏的低风压导线外表面，在低风压导线外表面的相邻外层导线间形成凹槽。相比普通常规输电导线，低风压导线横截面具有一定角度的圆弧，可以减少材料使用，重量减少，从而降低施工难度和成本。通过导线外侧的凹槽弧度的变化，一定程度上增加导线表面的粗糙度，使其表面的风阻力系数变得更小。导致整个输电线路导线的压差阻力也随之减小，低风压线路整体阻力系数也相应变小，进一步线路总阻力变小。这样可以有效地提高导线在高风速下情况下自身的抗风能力，降低风阻系数。结合复合材料和输电塔上的一种低风压导线，两者结合更能提高输电塔的抗风性能。本装置在输电塔复合材料的基础上采用一种低风压导线，当受到来流风的作用，速度发生变化时，输电塔上的复合材料和输电塔采用的低风压导线表面的粗糙度能够在一定程度上共同影响减小风荷载的影响，从而提高整体的抗风压能力。作为优选技术手段：低风压导线的直径和凹槽相关，低风压导线直径随着凹槽弧度的减小而增大；当凹槽的弧度为10°至15°时，低风压导线所对应的直径范围为30mm至40mm；当凹槽的弧度为15°至20°，低风压导线所对应的直径范围为20mm至30mm；当凹槽的弧度为20°至25°时，低风压导线的直径不大于20mm。作为优选技术手段：低导线外表面最外点至低风压导线圆心的半径r与风速和导线直径以及圆心角θ计算相关；半径r随着风速的增大而减小，随着圆心角θ增大而增大。半径r的计算公式为：式中：式中：为线路设计风速值，其单位为m/s；θ为两个相邻外层导线外圆弧所形成的圆心角，单位为°；半径r，单位为mm。有益效果：1)重量轻，强度重量比值大，节约大量钢材。2)绝缘性能好，有效降低绝缘设计水平，减少相导线间距，减少走廊宽度，另外可显著减少雷电闪络，冰闪、舞动等事故。3)耐化学腐蚀，耐磨，防水，耐火阻燃。4)易加工成型，安装运输和组装方便。附图说明图1是本发明的整体结构示意图。图2是本发明的异性构件横截面示意图。图3(a)是现有导线风荷示意图。图3(b)是低风压导线风荷载降低机制示意图。图4是低压风导线的剖面结构示意图。图5是导线的水平摆动角示意图。图6是导线受拉力简图。图7是导线受弯矩简图。图8是本发明的异性构件连接图。图9是本发明的角钢连接图。图中所示的标号有：1、地线支架；2、上曲臂；3、下曲臂；4、横梁；5、横担；6、塔头；7、绝缘子串；8、塔窗；9、塔身；10、塔腿；11、异形构件；12、外表涂层；13、填充层；14、角钢；15、加强层；16、低风压导线；17、线芯；18、内层导体；19、外层导体；20、凹槽；21、法兰；22、螺栓。具体实施方式以下结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。如图1-2所示，220kv高风速区单回路复合材料横担5猫头型直线塔，包括塔腿10、塔身9、猫头型的塔头6和地线支架1，猫头包括位于上部的横梁4、位于横梁4两侧下方的上曲臂2、下曲臂3，下曲臂3的下端与塔身9相连，下曲臂3上设有横担5，横担5上设有与角钢14固接的异形构件11，异形构件11横截面的外轮廓由两直角边及圆弧边连接而成，其中两直角边与角钢14的直角内侧面相配；异形构件11为多层结构，包括外表涂层12、加强层15、填充层13，外表涂层12、加强层15、填充层13由外而内依次设置。异形构件11可通过螺栓、螺钉等将其固定在角钢14上；相比传统的端部采用法兰的复合材料构件，重量大大减少，安装与常规塔基本一致，避免了连接过渡段，施工方便快捷。由于复合材料绝缘性能较好，在确保相同绝缘水平条件下可减少绝缘子串7长和导线与塔体间空气间距，在满足电气安全间隙的前提下，从而减少三相导线间距，压缩走廊，同时提高耐雷能力。本技术方案采用复合横担5来压缩走廊宽度。保证输电塔的抗风性能。复合材料具有重量轻、强度高、耐腐蚀、加工成型方便、良好的电绝缘性等优点。采用复合材料以后，可以节约大量的钢材，且利用其绝缘性能，不仅易于解决线路的风偏和污闪事故，提高线路安全运行水平，同时还可缩小塔头6尺寸，减少走廊宽度，节约土地资源，减少拆迁费用，降低工程投资成本。另外，由于复合材料重量轻，易加工成型的特点，可以大幅降低杆塔的运输和组装成本。本装置充分利用了复合材料的上述优点，克服了传统输电塔抗风能力弱、自重较大的缺点，适合在高风速区域的输电塔设计。有效地解决输电线路占用走廊过多、过宽问题。在本实施例中，横梁4、上曲臂2、下曲臂3围成塔窗8，塔窗8中设有用于连接中相导线的“i”型绝缘子串7，绝缘子串7吊装在横梁4上。两横担5呈下拉的燕尾状，横担5的下端部设有用于连接两边相导线的绝缘子串7；连接中相导线的绝缘子串7、连接两边相导线的绝缘子串7呈三角排列。下拉的燕尾状进一步控制塔头6尺寸。两边边相导线均采用“i”型绝缘子串7与复合材料导线横担5进行联结，串长的减少进一步缩短横担5长度，从而压缩线路走廊宽度。较常规猫头型直线塔最大线间距离压缩5.0m，层高压缩1.5m，整体塔头6压缩优化。为提高防护目的，地线支架1的挂点位于边相导线的外侧。地线顶架1挂点位于单回路边相导线以外，以达到对边相导线负保护的目的。为进一步减小猫头尺寸，横梁4设有与角钢14固接的异形构件11。横梁4也采用异形构件11，有助于进一步减小猫头尺寸。降低成本。为在保证强度的情况下，保证质轻，方便装配：外表涂层12为纤维保护涂层，加强层15为玻璃纤维层，填充层13为泡沫填充层。间隙圆的减少使得塔头6垂直间距可以减少，从而提高耐雷能力。为进一步提高安全性，与异形构件11相配的角钢14，其内侧直角边的长度与异形构件11的两直角边的长度基本相同；异形构件11的圆弧面高于与之相配的角钢14。加强层15的厚度小于填充层13。填充层13的尺寸大，有助于提高强度，在降低重量的同时，具有足够的强度，且使角钢14的两端低于异形构件11的最外点。复合材料绝缘性能较好，在确保相同绝缘水平条件下可减少绝缘子串7长和导线与塔体间空气间距，从而减少三相导线间距，压缩走廊；在满足电气安全间隙的前提下，塔头6高度可以有效降低、从而提高耐雷能力。两边边相导线均采用“i”型绝缘子串7与复合材料导线横担5进行联结，串长的减少进一步缩短横担5长度，从而压缩线路走廊宽度。较常规猫头型直线塔最大线间距离压缩5.0m，层高压缩1.5m，整体塔头6压缩优化。间隙圆的减少使得塔头6垂直间距可以减少，从而提高耐雷能力。如图8、9所示，为方便相邻角钢及异形构件的连接，所述的异形构件11通过螺栓连接在角钢14上，相邻角钢14之间通过法兰21进行连接，所述的法兰21一端通过螺栓22与一角钢相连，法兰21的另一端通过螺栓22与另一角钢相连；所述的异形构件11正对或斜对吊挂在其上的绝缘子串7。连接可靠，也方便相邻角钢14的连接。为了减少对异形构件11的影响，并同时保证强度，螺栓22可以以阵列的方式排布将异形构件11固定在角钢14上，异形构件11设于角钢的夹角中，角钢14的两折边上均设螺栓阵列，从而将异形构件11可靠地固定在角钢14上。如图3(a)所示，为一般的导线，空气与导线的剥离点早，风阻大。为降低风阻，中相导线和边相导线均为低风压导线16；如图3(b),外表面起伏的低风压导线16有效降低风阻；如图4所示，低风压导线16包括线芯17、内层导体18、外层导体19；所有的内层导体18均被外层导体19所覆盖，且每根外层导线与外界环境接触的一侧均为具有外凸弧度的导体结构，形成起伏的低风压导线16外表面，在低风压导线16外表面的相邻外层导线间形成凹槽20。相比普通常规输电导线，低风压导线16横截面具有一定角度的圆弧，可以减少材料使用，重量减少，从而降低施工难度和成本。通过导线外侧的凹槽20弧度的变化，一定程度上增加导线表面的粗糙度，使其表面的风阻力系数变得更小。导致整个输电线路导线的压差阻力也随之减小，低风压线路整体阻力系数也相应变小，进一步线路总阻力变小。这样可以有效地提高导线在高风速下情况下自身的抗风能力，降低风阻系数。结合复合材料和输电塔上的一种低风压导线16，两者结合更能提高输电塔的抗风性能。本装置在输电塔复合材料的基础上采用一种低风压导线16，当受到来流风的作用，速度发生变化时，输电塔上的复合材料和输电塔采用的低风压导线16表面的粗糙度能够在一定程度上共同影响减小风荷载的影响，从而提高整体的抗风压能力。相比普通常规输电导线，低风压导线16横截面具有一定角度的圆弧，可以减少材料使用，重量减少，从而降低施工难度和成本。低风压导线16能够有效减小风阻力系数，从而减小风荷载，进一步提高导线的使用年限，降低材料制作成本。低风压导线16的圆心均位于同一个参考圆上，每根导线与外界环境接触的弧线结构的圆心都位于同一个圆弧上。在合适范围内内弧内圆和外弧三者的半径，并结合施工技术和制造工艺的提高，能够获得风阻系数较小的低风压导线16结构。在导线结构表面上有一定角度的弧线导线表面，将给导线结构适当的粗糙度，受到来流风作用，回流区相对较小，导致整个输电线路导线的压差阻力也随之减小，低风压线路整体线路总阻力变小，阻力系数也相应变小。这样可以有效地提高导线在高风速下情况下自身的抗风能力，降低风阻系数。实施例：一种220kv高风速区单回路复合材料横担5猫头型直线塔，它包括地线支架1、塔腿10、塔身9、塔头6和导线绝缘子串7，塔头6由塔窗8和两边相复合材料导线横担5构成。高风速区单回路复合材料横担5猫头型直线塔导线横担5采用复合材料以后，按照导线横担5半绝缘考虑，绝缘子串7长缩短，间隙圆相应减小，走廊宽度减小，提高单位走廊输送能力。根据低风压直径的不同，两个小圆弧之间的弧度大小也不同，随着导线直径的增加，弧度大小也相应减小。当导线直径小于等于20mm时，所要求的弧度应为20°～25°，当导线直径范围处于20°～30°，则要求的弧度为15°～20°，当导线直径范围处于30°～40°，则要求的弧度为10°～15°。表1低风压导线外表面凹槽弧度与导线直径的关系导线直径d≥2020＜d≤3030＜d≤40凹槽弧度20°～25°15°～20°10°～15°本发明对目前现有的导线风阻系数高、风阻力大等不足，提供了一种低风压导线，作为一种新型导线降低其风阻系数，尤其是高风速下的风阻系数。该导线通过外部凹槽弧度设计，通过减小阻力大小，使输电线路损伤降低，具有优越的节能作用。外层导线一般采用扇形截面，使表面更接近平滑圆周来减小风阻力系数。外层表面粗糙度和v型槽的圆角半径、导线的直径、圆心角θ存在的一定关系，具体表现为：式中,为线路设计风速值(m/s)，r为结构的表面粗糙度与两相邻v型凹槽的圆形角半径(mm)，θ为两个相邻外圆弧所形成的圆心角(°)。如图5为导线的水平摆动角θ的示意图。静态水平摆动角可以以导线重量和作用于导线上的风载荷作为参数来表示:wm＝(ρ·v2·cd·d·l)/2式中:wm为导线所受的风载荷(kg/m)；wc为导线的单位长度重量；ρ为空气密度(kg·s2/m4)；v为风速(m/s)；cd为阻力系数；d为导线外径(m)；低风压股线作为低风压导线的一部分，分析股线的受力情况对分析风荷载有一定的帮助。对导线的某一微段进行受力分析，如图6、7所示。导线受到沿着轴线方向的拉力f，轴向力平移到各股线截面中心与螺旋股线引起的弯矩和中心股间的摩擦对螺旋股线产生的弯矩叠加的总弯矩m。股线沿自身轴线切线方向拉力为：zd＝fd/cosβ导线所承受的拉力为：f＝∑fd＝∑zdcosβ中心股线截面上的应力为：σ1＝zd/a螺旋股线截面上的应力为：其中：fd为股线沿轴线方向的分力；β为股线螺旋角；a为股线截面面积；iz为惯性矩；y为距离中性轴高度。中间的股线与导线横截面的轴线相重合，受到的外力f与横截面的轴线平行共线。因此低风压导线只承受轴向拉力，在截面上只受到拉应力，由于螺旋股线承受不共线和弯矩作用，截面上存在拉伸应力和弯曲应力。以上图所示的220kv高风速区单回路复合材料横担猫头型直线塔是本发明的具体实施例，已经体现出本发明实质性特点和进步，可根据实际的使用需要，在本发明的启示下，对其进行形状、结构等方面的等同修改，均在本方案的保护范围之列。当前第1页1 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技术特征：1.220kv高风速区单回路复合材料横担猫头型直线塔，包括塔腿(10)、塔身(9)、猫头型的塔头(6)和地线支架(1)，其特征在于：所述的塔头(6)包括位于上部的横梁(4)、位于横梁(4)两侧下方的上曲臂(2)、下曲臂(3)，下曲臂(3)的下端与塔身(9)相连，所述的下曲臂(3)上设有横担(5)，所述的横担(5)上设有与角钢(14)固接的异形构件(11)，所述的异形构件(11)横截面的外轮廓由两直角边及圆弧边连接而成，其中两直角边与角钢(14)的直角内侧面相配；所述的异形构件(11)为多层结构，包括外表涂层(12)、加强层(15)、填充层(13)，外表涂层(12)、加强层(15)、填充层(13)由外而内依次设置。
2.根据权利要求1所述的220kv高风速区单回路复合材料横担猫头型直线塔，其特征在于：所述的横梁(4)、上曲臂(2)、下曲臂(3)围成塔窗(8)，塔窗(8)中设有用于连接中相导线的绝缘子串(7)，所述的绝缘子串(7)吊装在横梁(4)上。
3.根据权利要求2所述的220kv高风速区单回路复合材料横担猫头型直线塔，其特征在于：两横担(5)呈下拉的燕尾状，横担(5)的下端部设有用于连接两边相导线的绝缘子串(7)；连接中相导线的绝缘子串(7)、连接两边相导线的绝缘子串(7)呈三角排列。
4.根据权利要求3所述的220kv高风速区单回路复合材料横担猫头型直线塔，其特征在于：地线支架(1)的挂点位于边相导线的外侧。
5.根据权利要求1-4任一权利要求所述的220kv高风速区单回路复合材料横担猫头型直线塔，其特征在于：所述的横梁(4)设有与角钢(14)固接的异形构件(11)。
6.根据权利要求5所述的220kv高风速区单回路复合材料横担猫头型直线塔，其特征在于：所述的外表涂层(12)为纤维保护涂层，所述的加强层(15)为玻璃纤维层，所述的填充层(13)为泡沫填充层,加强层(15)的厚度小于填充层(13)。
7.根据权利要求6所述的220kv高风速区单回路复合材料横担猫头型直线塔，其特征在于：所述的异形构件(11)通过螺栓连接在角钢(14)上，相邻角钢(14)之间通过法兰(21)进行连接，所述的法兰(21)一端通过螺栓与一角钢相连，法兰(21)的另一端通过螺栓与另一角钢相连；所述的异形构件(11)正对或斜对吊挂在其上的绝缘子串(7)。
8.根据权利要求3所述的220kv高风速区单回路复合材料横担猫头型直线塔，其特征在于：中相导线和边相导线均为低风压导线(16)；低风压导线(16)包括线芯(17)、内层导体(18)、外层导体(19)；所有的内层导体(18)均被外层导体(19)所覆盖，且每根外层导线与外界环境接触的一侧均为具有外凸弧度的导体结构，形成起伏的低风压导线(16)外表面，在低风压导线(16)外表面的相邻外层导线间形成凹槽(20)。
9.根据权利要求8所述的220kv高风速区单回路复合材料横担猫头型直线塔，其特征在于：低风压导线(16)的直径和凹槽(20)相关，低风压导线(16)直径随着凹槽(20)弧度的减小而增大；当凹槽(20)的弧度为10°至15°时，低风压导线(16)所对应的直径范围为30mm至40mm；当凹槽(20)的弧度为15°至20°，低风压导线(16)所对应的直径范围为20mm至30mm；当凹槽(20)的弧度为20°至25°时，低风压导线(16)的直径不大于20mm。
10.根据权利要求9所述的220kv高风速区单回路复合材料横担猫头型直线塔，其特征在于：低导线外表面最外点至低风压导线(16)圆心的半径r与风速和导线直径以及圆心角θ计算相关；半径r随着风速的增大而减小，随着圆心角θ增大而增大；
半径r的计算公式为：
式中：为线路设计风速值，其单位为m/s；θ为两个相邻外层导线外圆弧所形成的圆心角，单位为°；半径r，单位为mm。
技术总结本实用新型公开了220kV高风速区单回路复合材料横担猫头型直线塔，涉及一种直线塔。目前，横担需要悬挂边相导线，需要有足够的强度，存在材料要求多，占地面积大，成本高，装配困难等的问题。本实用新型的横担上设有与角钢固接的异形构件，所述的异形构件横截面的外轮廓由两直角边及圆弧边连接而成，其中两直角边与角钢的直角内侧面相配；所述的异形构件为多层结构，包括外表涂层、加强层、填充层，外表涂层、加强层、填充层由外而内依次设置。采用异形构件，可以节约大量的钢材，且利用其绝缘性能，不仅易于解决线路的风偏和污闪事故，提高线路安全运行水平，同时还可缩小塔头尺寸，减少走廊宽度，节约土地资源，减少拆迁费用，降低工程投资成本。
技术研发人员：胡文侃;龚永超;马兴端;李松;郭健;李剑涛;林燕红
受保护的技术使用者：舟山启明电力设计院有限公司;国家电网有限公司;国网浙江省电力有限公司舟山供电公司
技术研发日：2020.07.16
技术公布日：2021.04.06
