架空送電線路鐵塔設(shè)計(jì)分析

蔡高峰

摘 要：架空送電線路技術(shù)一直以其穩(wěn)定、安全等多方面優(yōu)勢(shì)成為我國(guó)主要的中遠(yuǎn)距離輸電模式，但是隨著當(dāng)前我國(guó)城市建設(shè)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的架空送電線路鐵塔的設(shè)計(jì)已經(jīng)不能滿足實(shí)際生活需要，如何設(shè)計(jì)新型的架空送電線路鐵塔也亟待解決。文章以轉(zhuǎn)角塔為研究分析的對(duì)象，主要對(duì)轉(zhuǎn)角塔的不對(duì)稱結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析與論述。

關(guān)鍵詞：架空送電；轉(zhuǎn)角塔，不對(duì)稱設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TM753 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2015）23-0030-02

在我國(guó)實(shí)際的架空送電線路鐵塔的應(yīng)用中，轉(zhuǎn)角塔在超過(guò)110 kV的送電線路中以每100 km僅30基左右的較小應(yīng)用量成為了一種輔助型送電架空鐵塔設(shè)計(jì)，但是隨著城市對(duì)于電力需求量的日益增加，輸電網(wǎng)絡(luò)錯(cuò)綜復(fù)雜，工業(yè)與普通居民對(duì)電力的需求程度不一樣，使得羊角型塔、十字型塔、鼓型塔、酒杯型塔等多種傳統(tǒng)的架空送電鐵塔設(shè)計(jì)已經(jīng)不再能夠滿足城市的用電需求。為了解決這個(gè)問(wèn)題，不對(duì)稱轉(zhuǎn)角型鐵塔的設(shè)計(jì)方案成為了解決我國(guó)越來(lái)越多大功率輸電線路進(jìn)入城區(qū)諸多問(wèn)題的優(yōu)秀設(shè)計(jì)方案。因此，優(yōu)化轉(zhuǎn)角塔的設(shè)計(jì)成為了一個(gè)很有研究?jī)r(jià)值的課題。

1 轉(zhuǎn)角塔鐵塔的主要優(yōu)勢(shì)

雖然轉(zhuǎn)角塔也是傳統(tǒng)架空送電線路鐵塔的一種定型模式，但是其卻有著自己顯著的優(yōu)勢(shì)。在傳統(tǒng)對(duì)稱架空鐵塔設(shè)計(jì)模型中，在輸電線路角度發(fā)生了偏移的時(shí)候，傳統(tǒng)對(duì)稱架空鐵塔極其容易因?yàn)轱L(fēng)力從不同角度刮吹導(dǎo)致鐵塔主體架構(gòu)承受過(guò)大的壓力，而導(dǎo)致鐵塔的穩(wěn)定性不足造成安全隱患，使得設(shè)計(jì)過(guò)程中設(shè)計(jì)人員不得不增加鐵塔整體的用材結(jié)構(gòu)規(guī)模設(shè)計(jì)來(lái)解決這個(gè)棘手的問(wèn)題，因?yàn)檫@個(gè)原因，傳統(tǒng)鐵塔相比轉(zhuǎn)角塔就造成了大量的材料浪費(fèi)。而轉(zhuǎn)角塔的不對(duì)稱設(shè)計(jì)剛好解決了這個(gè)問(wèn)題，其多變的角度設(shè)計(jì)可以滿足不同地區(qū)的氣候等諸多環(huán)境對(duì)于架空送電線路鐵塔的技術(shù)要求。

2 架空轉(zhuǎn)角塔結(jié)構(gòu)的確定

確定架空送電線路轉(zhuǎn)交鐵塔的最終結(jié)構(gòu)實(shí)際上就是確定轉(zhuǎn)角塔設(shè)計(jì)過(guò)程中的兩翼臨界角度，因?yàn)樵谶@個(gè)臨界角度內(nèi)所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)角塔模型都是合理的。

2.1 臨界角的含義

我們知道，風(fēng)由內(nèi)向外方向吹來(lái)時(shí)，角度荷載方向（即導(dǎo)線張力、避雷線二者所產(chǎn)生的矢量力）與風(fēng)荷載的方向相反。那么，在風(fēng)的水平檔距固定的情況下，轉(zhuǎn)角塔模型中必然有某個(gè)轉(zhuǎn)角剛好抵消鐵塔整體機(jī)構(gòu)所受到的水平力。反之，一旦風(fēng)向轉(zhuǎn)向，為了使得轉(zhuǎn)角塔主體結(jié)構(gòu)水平受力為零也會(huì)出現(xiàn)某個(gè)臨界角度。

2.2 臨界角度數(shù)值的確定

確定具體的臨界角數(shù)值具有重大的實(shí)際價(jià)值，一旦我們能夠確定這個(gè)臨界角度，我們就只需要在這個(gè)臨界角度內(nèi)合理設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)角鐵塔結(jié)構(gòu)，便能因此最大程度地減少設(shè)計(jì)與施工成本。臨界角由最大風(fēng)速反向的風(fēng)荷載確定，并且臨界角的大小與反向分壓大小成線性增長(zhǎng)關(guān)系。

例如，當(dāng)水平檔距的大小為400 m（即檔距450 m），正常規(guī)格的送電導(dǎo)線設(shè)計(jì)可承受的極限風(fēng)速為30 m/s和20 m/s時(shí)，“臨界角”的最大值分別為13.2 ？觷和11.2 ？觷（并且臨界角的大小還會(huì)因?yàn)樗碗妼?dǎo)線材料的差異而會(huì)有不同的數(shù)值）。

因此，在實(shí)際臨界角的計(jì)算與選取中，我們?yōu)榱税踩鹨?jiàn)，在忽略建設(shè)材料的諸多材料等因素的前提下，我們通常會(huì)相應(yīng)的增加臨界值的數(shù)值，在上面的例子中，我們便會(huì)將臨界值的數(shù)值相應(yīng)的增大到20 ？觷和15 ？觷，其他情況以此類(lèi)推。在實(shí)際的設(shè)計(jì)與建設(shè)過(guò)程中，為了最大程度的節(jié)省設(shè)計(jì)施工成本，在保證安全前提下，如果我們能找到符合設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)角塔模型，我們就不應(yīng)該在拘泥于其他傳統(tǒng)的架空送電線路鐵塔設(shè)計(jì)模型而造成大量的不必要，甚至完全可以避免的財(cái)力與人力的浪費(fèi)，因此設(shè)計(jì)出最合理臨界角的轉(zhuǎn)角塔便顯得尤為重要。

2.3 水平檔距的臨界值

水平檔距指的是不對(duì)稱鐵塔模型設(shè)計(jì)過(guò)程中，隨著轉(zhuǎn)角臨界角度變化而隨之變化的最大水平檔距。臨界水平檔距直接影響鐵塔的安全性，實(shí)際水平檔距的大小與臨界水平檔距的大小關(guān)系是評(píng)判一座架空送電線路鐵塔設(shè)計(jì)方案科學(xué)合理的主要理論依據(jù)，也是評(píng)判一座架空送電線路鐵塔能否實(shí)施竣工的重要標(biāo)準(zhǔn)。

3 不對(duì)稱鐵塔臨界角的實(shí)際應(yīng)用

不對(duì)稱轉(zhuǎn)角塔的“臨界角”僅僅為我們解決了設(shè)計(jì)上的設(shè)計(jì)難題。現(xiàn)代架空送電線路鐵塔在我國(guó)居民工業(yè)用電的過(guò)程中扮演著極其重要的角色，因此，在合理的架空送電線路鐵塔設(shè)計(jì)方案的前提下，如何保證架空送電線路的穩(wěn)定性與耐用性，讓建造竣工的轉(zhuǎn)角塔完美適應(yīng)轉(zhuǎn)角塔所在地的氣候、工況等許多實(shí)際情況，這在技術(shù)上也向我們提出了諸多要求。轉(zhuǎn)角塔在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中應(yīng)該滿足以下前提。

3.1 塔身受力要趨于穩(wěn)定

在不對(duì)稱轉(zhuǎn)角塔設(shè)計(jì)模型中，轉(zhuǎn)角塔整體所受到的荷載與導(dǎo)線產(chǎn)生的張力的方向相反時(shí)，轉(zhuǎn)角塔的主體部分所受到的力的大小會(huì)發(fā)生根本性的變化。在這種情況下，控制手拉的轉(zhuǎn)角塔塔身很有可能變成受壓控制塔身。

3.2 合理增加臨界角的實(shí)際應(yīng)用數(shù)值

轉(zhuǎn)角塔的實(shí)際選取的“臨界角度”大于理論設(shè)計(jì)所計(jì)算出的“臨界角度”時(shí)，轉(zhuǎn)角塔主要的荷載方向上，其矢量方向的兩側(cè)架構(gòu)所受的力會(huì)有很大的差異。如果二者的差異過(guò)小便會(huì)使得不對(duì)稱轉(zhuǎn)角塔的內(nèi)部構(gòu)造和相關(guān)材料的規(guī)格大小發(fā)生變化，從而造成不必要的成本浪費(fèi)，同時(shí)其實(shí)用性也大打折扣，這是不可取的。同理，為了最大程度的節(jié)約建設(shè)材料，就必須使得二者之間存在足夠的差距，使不對(duì)稱轉(zhuǎn)角塔結(jié)構(gòu)規(guī)格和其他限制塔身結(jié)構(gòu)的條件改變。換句話說(shuō)，也就是較小型的不對(duì)稱轉(zhuǎn)角塔相比較大型的不對(duì)稱轉(zhuǎn)角塔而言會(huì)消耗掉更多的建設(shè)材料。與此同時(shí)，較小型鐵塔的不對(duì)稱設(shè)計(jì)不會(huì)成為轉(zhuǎn)角塔整體架構(gòu)的不利因素，因?yàn)榉聪蝻L(fēng)等一系列隨機(jī)荷載只能是有利的因素。

3.3 科學(xué)細(xì)化建設(shè)材料的分級(jí)

在不對(duì)稱轉(zhuǎn)角塔的材料設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了適應(yīng)小對(duì)稱轉(zhuǎn)角塔的設(shè)計(jì)，我們還應(yīng)該細(xì)化其他的材料分級(jí)，雖然細(xì)化材料的分級(jí)會(huì)在一定程度上增加加工、施工的復(fù)雜程度，但是對(duì)于采用小對(duì)稱設(shè)計(jì)模式的轉(zhuǎn)角塔是很有利的，當(dāng)然，如果能在不增加加工、施工復(fù)雜程度的基礎(chǔ)上細(xì)化這種分級(jí)自然最好不過(guò)了。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證不對(duì)稱轉(zhuǎn)角塔設(shè)計(jì)的合理性

實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。不對(duì)稱轉(zhuǎn)角設(shè)計(jì)方案的科學(xué)合理并不能等同于架空送電線路鐵塔實(shí)際架設(shè)的科學(xué)合理，只有在科學(xué)合理的實(shí)踐過(guò)后，我們才能確定設(shè)計(jì)方案的最終合理性。2002年9月，國(guó)家電網(wǎng)電力建設(shè)試驗(yàn)所為了驗(yàn)證架空送電路線鐵塔的工程質(zhì)量是否合格，是否能夠滿足實(shí)際環(huán)境對(duì)其整體架構(gòu)的穩(wěn)定性、耐久度等方面的諸多要求而進(jìn)行了一次真型力學(xué)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，研究人員選取了六種不同的試驗(yàn)環(huán)境：地線張力差，運(yùn)行覆冰，事故斷中導(dǎo)線，事故斷右邊導(dǎo)線，正常90 ？觷大風(fēng)以及90 ？觷大風(fēng)超載。試驗(yàn)結(jié)果表明，只有在試驗(yàn)荷載工況大于220%的時(shí)候，鐵塔上下的兩個(gè)曲形臂軸才開(kāi)始出現(xiàn)一定程度的損壞，在這個(gè)試驗(yàn)荷載工況的范圍內(nèi)時(shí)，試驗(yàn)中的ZM3直線試驗(yàn)塔正常工作且塔身的零部件并未出現(xiàn)任何異常。試驗(yàn)結(jié)果與最初的設(shè)計(jì)要求預(yù)想完全一致，建設(shè)竣工后的鐵塔是穩(wěn)定安全的，我們可以將這個(gè)設(shè)計(jì)運(yùn)用到實(shí)際的架空送電線路的建設(shè)中去。

5 結(jié) 語(yǔ)

不對(duì)稱轉(zhuǎn)角塔在我國(guó)架空送電路線中的應(yīng)用前景是非常廣闊的。一方面，不對(duì)稱轉(zhuǎn)角塔的設(shè)計(jì)不僅可以減小因?yàn)槌鞘薪ㄔO(shè)力度的增加而導(dǎo)致電力網(wǎng)絡(luò)線過(guò)于錯(cuò)綜復(fù)雜所帶來(lái)的管理維護(hù)難度，同時(shí)也能減小城市變電所的體積大小而減少占地，優(yōu)化中小型變電所的進(jìn)出線路復(fù)雜程度。另一方面，我們也不能夠一味地追求節(jié)約成本而在本來(lái)不適用的地理氣候、輸送電（比如電壓壓力過(guò)載等）環(huán)境下或者錯(cuò)誤的設(shè)計(jì)建設(shè)不對(duì)稱轉(zhuǎn)角鐵塔，而應(yīng)該在科學(xué)合理的前提下優(yōu)先考慮建設(shè)不對(duì)稱轉(zhuǎn)角塔，從而最大限度的建設(shè)合理的監(jiān)控送電線路電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)效益最大化的目標(biāo)。

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