重冰區220kV線路桿塔選型與設計優化

鄒相國 易黎明 王四秀

（湖北省電力勘測設計院，湖北 武漢 430040）

相對常規冰區桿塔而言，重冰區桿塔具有較多特殊性。一是冰凌荷載大，成為設計中主要控制條件，在重覆冰的情況下，存在因過載冰荷重而造成斷線、倒塔等巨大威脅；二是相鄰檔因不均勻冰或不同期脫冰造成地線支架、導線橫擔的破壞等；三是運行維護特別困難，常常需要在冰天雪地中巡查、搶修，勞動強度大且條件惡劣。因此，加強對重冰區桿塔的設計研究，成為保障重覆冰線路安全運行的前提。

本文結合現行設計規程，針對恩利線的工程特點，對220kV重冰區的輸電桿塔設計和優化進行了研究和探討。

1 重冰區桿塔規劃

重覆冰線路定位檔距不宜太大，且各檔距間盡量均勻，以減少不平衡張力；其次，各相鄰檔的高低差也要求小一些，以避免脫冰跳躍和不均覆冰時引起懸垂絕緣子串上翻，碰壞絕緣子和出現永久性接地故障。

根據220kV恩利線工程，對20mm冰區、30mm冰區桿塔的桿塔規劃，一方面確保檔距合理，另一方面耐張塔轉角度控制在40°以內，并充分結合線路實際使用檔距情況。20mm冰區直線塔采用ZBC21、ZBC22，30mm冰區直線塔采用ZBC31、ZBC32；對于耐張塔也各自規劃兩個塔型，分別用于0～20°轉角、20～40°轉角，且2型轉角塔同時兼做冰區分界塔。

2 桿塔選型

2.1 直線塔選型。根據以往經驗，I串在重冰區防冰閃效果不如V串，而且V串布置可靠性更高，因此220kV重冰區直線塔采用V串懸掛。對于一般單回路桿塔，直線塔中貓頭塔和酒杯塔都是比較成熟的型式。以本工程20mm冰區1型直線塔為例，相對貓頭塔而言，酒杯塔導線位于同一高度，走廊寬度大，傳力路徑相對更為清晰，而且同樣呼高下全高較小，由此塔重也較輕；而貓頭塔則相對走廊寬度小，導線三角形排列導致桿塔全高增加，塔重也因此增加較多，但是可以獲得更小的保護角。而且通過計算表明，同樣呼高情況下，酒杯塔塔身、塔腿主材規格會相對小一些，有利于山地運輸。

考慮到通常重冰區線路一般位于山區，走廊相對寬裕，走廊空間不作為主要考慮因素。DL/T 5440-2009規程也建議重冰區桿塔導線宜采用水平排列，這種排列方式有利于防止線條脫冰跳躍時過于接近，甚至導線之間出現閃絡跳閘等情況的出現。而且酒杯塔可以獲得更小的主材規格，有利于山地塔的運輸。因此，經綜合比較分析，220kV重冰區的直線塔推薦采用酒杯塔。

2.2 耐張塔選型。目前220kV及以上電壓等級的耐張轉角塔，主要為干字型塔。這種塔型結構簡單，受力清楚，占用線路走廊窄，而且施工安裝和檢修比較方便，因此在國內各電壓等級線路中大量使用，積累了豐富的運行經驗。本工程重冰區耐張塔也采用干字型塔。以本工程JC21桿塔為例，根據轉角度的不同，選擇不同的導線掛點，以獲得更大的電氣安全距離，進一步確保運行維護的安全可靠。

3 桿塔設計優化

3.1 塔頭結構優化。塔頭的結構布置，需要保證導地線荷載傳力清晰可靠。對于直線塔，本工程的設計塔頭設計優化主要體現在以下兩方面：（1）導地線荷載通過曲臂傳遞至塔身，上下曲臂交點處，在鐵塔正視圖中表現為點接觸，為了確保剛度和傳力的可靠，對上下曲臂交點處主材之間的夾角按大于20度進行處理。（2）上下曲臂內部的桿件平面因為構造原因，通常斜材桿件負端距大、偏心大，這與桿塔計算時的桿件模型將存在較大出入，為了保證重冰區桿塔的安全性，此處除了需要考慮偏心的影響之外，將塔頭的受力主要通過主材傳遞，傳力更為清晰可靠。

3.2 塔身節間布置。鐵塔主材節間的布置與塔身斜材的布置二者是相互關聯、相互影響的。在具體桿塔設計過程中，一般按照結構最優、受力最佳的原則進行布置。根據設計經驗，為使主材受力均勻同時減小桿件規格，可從以下兩個方面進行調整：（1）主材構件長度控制。由于本工程位于山區，考慮到運輸和組裝的方便，以及避免運輸過程中構件的變形，對主材單根構件的長度控制不超過9m，同時重量不超過500kg。在桿塔設計時，通過采用Q420高強鋼，同樣受力情況下，降低了主材規格，以減輕單根構件重量。（2）根據相關計算經驗，斜材和水平面夾角的大小將直接決定斜材抵抗外荷載的能力。從國內外科研成果、工程設計實際經驗以及鐵塔真型試驗來看，塔身斜材與水平面的夾角取35°～45°為宜，不宜小于30°或大于50°；根據以往的設計經驗，塔腿主斜材夾角不得小于18°，宜控制在20°以上。

3.3 塔身隔面布置。鐵塔應在塔身變坡斷面處、直接受扭力斷面處和塔頂及塔腿頂部斷面處設置橫隔面。考慮到本工程重冰區桿塔的特點，按不大于平均寬度的3倍，同時不大于3個主材節間分段設置隔面，以進一步增加剛度。

3.4 節點構造優化。節點構造是設計的一個重要環節，鐵塔真型試驗破壞往往與節點構造不當有關。本工程重冰區桿塔在以下幾個方面進行了節點優化：（1）直線塔上下曲臂的交點，連接板進行卷邊處理，且上下曲臂受力桿件盡量減小負端距，以保證節點的強度。（2）直線塔頸口處采用雙面連接，且采用火曲角鋼作為內包角鋼，進一步增強節點的強度和剛度。 （3）耐張塔塔身變坡位于下橫擔下面一個節間，從而簡化了下橫擔與塔身連接處的節點構造，使傳力更為可靠。

結語

重冰區桿塔因其其覆冰荷載較大，成為桿塔設計時的主要控制條件。本文以220kV恩利線重冰區桿塔為分析對象，結合相關規程，對220kV重冰區線路的桿塔規劃、桿塔選型、結構設計優化等多方面進行了總結。隨著新材料、新技術、新工藝等不斷發展，電壓等級也逐漸提高，要求對于重冰區桿塔設計的方案和思想都要尋求新的突破，不斷加強桿塔結構設計的研究和試驗工作，以確保桿塔的可靠性的，同時充分考慮桿塔加工、運輸以及組裝的方便，全面保障重冰區輸電線路的安全運行。

[1]110～500kV 架空送電線路設計技術規范[S].