高壓輸電線路鐵塔結構設計優化

江敏

摘 要：隨著科技的進步，我國電力行業發展十分迅速。高壓輸電鐵塔通過長期的工程實踐，無論是從塔身的坡度設計，還是塔身建造過程中有關節點的選擇設計，或是材料選擇都積累了一定的經驗。以下針對結構設計的優化提出一些建議。

關鍵詞：輸電線路；鐵塔設計； 結構優化

中圖分類號：S611文獻標識碼： A

引言：

目前，我國幅員遼闊，電網的建設必須嚴格限制輸電過程中電能到損耗，架設高壓或者超高壓線路已經成為了一種必經之路。輸電線路是電網運行過程中非常重要的一個組成部分，對我國工農業生產的發展都有著十分重要的意義。輸電線路的建設，必須在符合相關規程規范的前提下，盡可能控制工程造價。筆者結合工作經驗對高壓輸電線路鐵塔結構設計進行了論述。

1、輸電線路鐵塔結構設計中遵循的原則

作為電力供應與輸送系統中起著關鍵作用的輸電線路鐵塔，分布在各個電力系統的干線與分支線路中，起著不可估量的橋梁作用。在電力輸送系統中扮演著重要角色的輸電鐵塔，在結構設計方面更是需要高標準，這對設計人員來說就是一個相當嚴峻的考驗，如何能使設計出來的電力鐵塔更適合當地的各種要求，一直就是困擾設計人員的難題。

任何一條線路工程的桿塔型式主要取決于線路的電壓等級、外荷載大小、沿線的地形、交通運輸以及經濟發展狀況。

（1）電壓等級越高，其電氣間隙、絕緣要求、對地距離等就越大，則，塔頭尺寸就越大，鐵塔高度也越高；同時，電壓等級越高，輸送容量就越大，要求的導線截面也越大，導線截面增大則意味著桿塔所承受的外荷載也越大。同時，外荷載的大小還受氣象條件的影響，如風速、覆冰厚度等。

（2）桿塔型式還取決于線路所經地區的地形情況，地形越差，桿塔的剛度要求則越高，根據以往工程經驗，對于平原地區多用扁塔，而對于山區地形，為了加強桿塔的縱向剛度，則多用方塔。

（3）沿線的交通運輸狀況決定了桿塔的型式和材料要求，如交通運輸不方便的山區線路，采用鋼管塔和混凝土塔的運輸及施工費用往往是角鋼塔的數倍甚至數十倍。

（4）沿線的經濟發展狀況同樣影響到桿塔型式的選擇。經濟發達地區，征地費用是影響到投資的主要因素，因此，拉線塔則不如自立式塔；同時，沿線的經濟狀況也影響到導線的排列方式，經濟越發達的地區由于走廊緊張，鐵塔型式的選擇上則要求盡可能縮小線路走廊寬度。

2、鐵塔結構優化設計的幾個方面：

本文僅以國內直流輸電直線塔為例分析結構優化設計的問題。

2.1直線塔塔頭型式的優化

對于直線塔而言，塔頭的布置是桿塔結構優化的關鍵。塔頭型式包括塔頭外型、橫擔型式、地線支架型式、橫擔及地線支架與塔身的連接方式、塔身布材形式及掛點處理等方面。自立式直線塔可采用水平排列的“干字型”兩層橫擔或“羊角型”一層橫擔的布置。對比分析如表1所示。

表1 塔頭布置方案技術經濟比較

由表1可以看出，方案三、方案四、方案五在計算塔重上相差甚微。經計算此直線塔導線橫擔端部采用方案三的三角形橫擔方式，其掛線角鋼規格為2L200X16，采用方案四或方案五的梯形橫擔方式，其掛線角鋼規格為2L125X10，橫擔主材規格為L140X12，因此對于大檔距直線塔采用方案四或方案五掛線角鋼與橫擔主材剛度更加匹配。

2.2直線塔開口及根開優化

直線塔塔高普遍較高，塔身主斜材內力的變化并不是線性的，從受力特性來看，塔身采用一個坡度顯然是不合適的。針對不同的主材分段進行坡度調整，不僅可以優化主斜材的受力特性，還可以降低擋風面積，減少斜材長度，從而節省桿塔鋼材用量，另外還可使結構美觀。然而變坡次數增加，也會造成節點偏心次數的增加，結構次生內力的增加，因此如何選取變坡次數及變坡位置是很關鍵的。通過對某直線塔的計算，比較了下表幾種不同的塔身變坡方案，結果如表2所示。

表2 變坡次數比較

從上表2可以看出此直線塔采用二次變坡方案塔重最輕，具有技術經濟優勢。

以此直線塔（51米呼高）為例，采用TTA鐵塔設計軟件分別計算了不同瓶口寬度和坡度的塔重，以曲線圖表的方式直觀表達如圖1所示。

圖1 某直線塔57米呼稱高不同瓶口寬度及坡度塔重優化圖表

從上圖可知，此塔最佳的塔身瓶口寬度為5.3m，最佳坡度為0.10，針對不同的工程應分別對各塔型分別進行瓶口寬度及坡度優化。

2.3塔身斷面型式

輸電線路工程直線塔塔身斷面型式一般有矩形(扁塔)、正方形(方塔)兩種。就這兩種塔身斷面來看，扁塔的塔重較輕，但抗縱向荷載能力較差且長短腿使用不靈活，而方塔抗縱向荷載能力強且長短腿使用靈活，但塔重較重。在一般 500kV及以下電壓等級的線路中，對于高差很小的平丘地形直線塔多采用扁塔型式，但對于線路高差較大的山區地形直線塔普遍采用方塔型式。

2.4塔身斜材布置優化

鐵塔主要受力斜材約占塔身部分的50%，占全塔總重的30%左右。塔身斜材的布置是否合適，直接影響到塔重和工程造價。塔身斜材常用的布置型式有：交叉式、“正K型”、“倒K型”等布置，以往單一的交叉布置型式容易使斜材產生同時受壓，幾種方式組合布置可以避免同時受壓的發生，使斜材受力成為拉壓系統，充分利用拉壓系統的受力特性，可減小斜材規格，降低塔重。

無論采取哪種斜材布置方式，最主要的問題就是斜材與水平面的夾角的大小，的大小直接決定了斜材的受力大小。根據線路鐵塔斜材布置的經驗，通過計算，當斜材與水平面的夾角控制在35～45之間時，塔重最輕。

2.5塔身斜材布置優化

合理設置橫隔面可加強鐵塔整體剛度，對向下傳遞結構上部因外荷載產生的扭力、減小塔重、均衡塔身構件內力具有明顯的作用。根據對塔身高度、寬度進行了剛度分析，并對幾種隔面設置型式及設置位置進行了計算比較，提出了隔面設置型式如圖2：

圖2隔面設置型式

在滿足鐵塔剛度要求的前提下，設計人員應按照塔重最優原則，通過對根開、瓶口寬度、變坡次數、塔身坡度、斜材布置、橫隔面設置、長短腿布置及構件最佳計算長度等綜合優化的方法，提出合理的鐵塔結構布置方案。

結語:

總之，輸電線路是電力系統的動脈，它將巨大的電能輸送到四面八方，是連接各變電站、 各重要用戶的紐帶。輸電線路的安全運行直接影響到電網的穩定和向用戶的可靠供電，在電網中占據舉足輕重的地位。因此，需要做好輸電線路設計工作，為我國的電力工業發展提供重要保證。通過經驗的累計，技能的提高以及計算機技術的輔助，會使輸電線路的鐵塔結構設計日臻成熟，達到經濟、安全、可靠的目的，為電力的發展提供最根本的保障。

參考文獻

[1] SDGJ62-84.送電線路基礎設計技術規定

[2]220kV架空供電輸電線路的勘測與鐵塔定位設計[J].海峽科學

[3]高壓輸電線路設計與施工技術探析[J].中國集體經濟

[4]李碧荷.220kV架空供電輸電線路的勘測與鐵塔定位設計[J].海峽科學

[5]羅希.高壓輸電線路設計與施工技術探析[J].中國集體經濟