重冰區220kV單回架空輸電線路鐵塔結構設計

李政民

（國核電力規劃設計研究院，北京 100095）

重冰區220kV單回架空輸電線路鐵塔結構設計

李政民

（國核電力規劃設計研究院，北京 100095）

文章總結分析了重冰區輸電線路的特點，從結構設計角度提出了一系列重冰區鐵塔設計的原則。在此基礎上結合設計經驗，針對重冰區220kV單回路鐵塔設計給出了一些設計要點，包擴塔頭型式選擇、材質選擇、結構布置優化等諸多方面，為今后類似工程的設計提供了一定了參考。

重冰區；單回路；輸電線路；鐵塔；設計

覆冰厚度是影響輸電線路設計的重要參數，占工程本體造價約20%～30%的輸電鐵塔。覆冰的影響主要表現為覆冰時線條荷載增大和桿件覆冰后自重的增大，其中影響最大的為斷線及前后檔不均勻覆冰時產生的不平衡張力，使鐵塔承受較大的扭矩和彎矩作用。以往由于氣象資料及設計、運行經驗的不足，由覆冰引起的倒塔事故對國民經濟造成了重大的損失。我國南方地區2008年冰災以來，電力行業對桿塔設計規范進行了修編并出臺了《重覆冰架空輸電線路設計技術規程》用于指導重冰區鐵塔設計，設計人員也通過越來越精細的計算提高重冰區鐵塔的安全性，獲得了很好的效果。但重覆冰區多位于海拔較高的山區，沿線地形復雜，氣象資料匱乏，線路在覆冰條件下受力情況較為復雜。同時這些地區在覆冰期又很難到達，不便與獲取數據、運維和檢修，因此為提高鐵塔安全性，降低事故率，有必要對重冰區鐵塔的設計要點做進一步探討。

1 重冰區線路特點

重冰區線路有如下特點：①氣象條件復雜多變。一方面重冰區線路多位于海拔較高的山區，氣溫、空氣濕度、風速等復雜多變，且存在較多微氣候。另一方面，重冰區氣象資料的采集存在諸多困難，使得完整的一手氣象資料匱乏，給設計造成諸多不便；②覆冰荷載大。導線在覆冰情況下，傳至鐵塔上的垂直荷載和線條張力均會顯著增大，冰荷載成為鐵塔設計的主要控制荷載。例如20mm覆冰情況下，單導線垂直荷載及縱向張力分別為正常大風工況下的約3.0倍和5.7倍（400導線）；③荷載的動力特性。鐵塔在不均勻脫冰情況下，受扭矩、彎矩或其共同作用，但因脫冰存在動力特性，使得鐵塔受力分析變的更為復雜；④安全性要求高。重冰區多存在事故率高、運行維護困難、事故停電時間長等問題。這就對重冰區的鐵塔安全性提出了更高的要求。

2 重冰區鐵塔設計原則

對于重冰區鐵塔的設計，需要充分考慮覆冰的特性，包括由脫冰造成的不均勻覆冰情況，以及覆冰情況下桿塔自身構件的增重，全方位進行設計，才能保證桿塔的安全。依據《重覆冰架空輸電線路設計技術規程》（DL/T 5440-2009）及以往設計經驗，對重冰區桿塔設計與優化基本原則如下：①重覆冰線路宜采用導線對稱排列的桿塔，且塔身斷面為正方形；②導地線及絕緣子覆冰后計入風荷載增大系數，數值按《重覆冰架空輸電線路設計技術規程》（DL/T 5440-2009）取；③各類桿塔均應按線路的正常運行情況（包括基本風速、設計冰厚、最低氣溫及其組合）、斷線情況、不均勻冰荷載情況（包括受彎和受扭組合）和安裝情況的荷載進行計算。對于重冰區桿塔還需按稀有的覆冰荷載情況進行驗算，此時考慮所有導、地線同時同向有不平衡張力，使桿塔承受最大彎矩情況；④各類桿塔在有冰工況下，均應計入構件覆冰對桿塔構件的影響。即對有冰的工況下，需考慮桿塔構件在覆冰情況下的自重增大；⑤結構形式簡潔，傳力線路清晰，構件布置合理，充分發揮構件的承載能力。結構構造簡單，節點處理合理，利于加工安裝和運行安全；⑥構件選材及分段合理，利于山區運輸和桿塔組裝；⑦結構布置緊湊，盡量減少線路走廊寬度，節約有限的土地資源。

3 重冰區鐵塔設計要點

根據以往的設計經驗，重冰區走廊限制較小，普遍采用單回路設計，以下對較為廣泛的重冰區200kV單回輸電線路鐵塔的設計要點進行探討。

3.1 鐵塔材料的選擇

常用于輸電鐵塔的有鋼管和角鋼兩種材料，鋼管塔從受力、塔重、變形上等均優于角鋼塔，但從運輸、加工、組裝上則不如角鋼塔。對重冰區線路，在受力滿足要求的情況下，應優先采用便于運輸和組裝的角鋼塔。通常，角鋼的承載力完全可以滿足220kV線路工程需要。

就材質而言，主材優先采用Q420高強鋼，可進一步降低單根角鋼構件的重量，方便運輸和組裝。螺栓選擇方面，由于重冰區鐵塔構件受力大，連接螺栓數多。采用高強度螺栓可有效減小構件端頭連接螺栓的數量，從而達到減小連接板的尺寸，降低塔重的目的，220kV線路推薦采用6.8級（M16和M20）、8.8級（M24）鍍鋅螺栓。

3.2 塔頭布置

（1）直線塔塔頭布置。對于一般單回路直線塔，貓頭塔和酒杯塔都是比較成熟的型式。相比之下，酒杯塔全高矮，傳力清晰，塔重較輕；貓頭塔較重，但走廊寬度小，保護角小，如圖1所示。計算結果也表明，相同條件下，酒杯塔腿主材規格較小，有利于山區運輸。通常重冰區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，有利于防止導線脫冰跳躍時過于接近出現閃絡跳閘等情況。因此重冰區220kV單回路直線塔推薦采用酒杯塔。

圖1 直線塔塔頭布置示意圖

（2）耐張塔塔頭布置。對于重冰區單回耐張塔，國內外已投運的220kV線路主要有三角排列的干字型塔、水平排列的酒杯塔兩種型式（見表1）。

表1 耐張塔塔頭型式對比表

目前220kV及以上電壓等級的單回耐張轉角塔，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，積累了豐富的運行經驗，綜合分析，推薦采用干字型耐張塔，如圖2所示。

圖2 耐張塔塔頭布置示意圖

3.3 重冰區桿塔結構優化設計要點

（1）常規優化設計內容。對重冰區鐵塔而言，常規情況下鐵塔的優化內容同樣適用，主要有：①地線掛點推薦鷹嘴式，避免單角鋼掛線導致的不協調及檢修不便；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酒杯塔上下曲臂內部的桿件所在平面內斜材分別按斷開和不斷開進行計算，對于耐張塔地線支架下平面以及導線橫擔上平面，同樣也按斜材斷開與不斷開進行計算，“強強聯合”更全面的確保重冰區桿塔的安全可靠；③塔身采用“方型”斷面，對鐵塔坡度及開口尺寸采用不同組合試算，選擇綜合造價最低的尺寸及坡度組合；④斜材與水平面的夾角α控制在35°～45°之間，合理選擇隔面型式及設置位置；⑤節點構造盡可能減小桿件的偏心受力；對酒杯塔塔身K節點和頸口連接處適當加強以確保強度和剛度，如圖3～6所示。

圖3 酒杯塔頭結構布置優化

圖4 耐張塔橫擔結構布置優化

圖5 塔身開口及坡度優化示例

圖6 推薦隔面型式

（2）直線塔邊導線橫擔布置。按《重覆冰架空輸電線路設計技術規程》第12.0.8條：垂直檔距系數（垂直檔距與水平檔距之比）小于0.8的桿塔，應按導線、地線脫冰跳躍和不均勻覆冰時產生的上拔力校驗導線橫擔和地線支架，導線上拔力取最大使用張力的5%～10%，地線上拔力可取最大使用張力的5%。

因此重冰區直線塔按覆冰跳躍時，需計算導地線上拔的情況，邊相導線上平面主材變為受壓桿件。此時單橫桿斜才的布置方式無法為橫擔上平面主材提供可靠地支撐，因此推薦采用上平面交叉材滿布的型式，雖然傳力路徑較為復雜，重量也有所增加，但該型式的橫擔具有良好的抗彎和抗扭剛度，能夠保證重冰區線路在發生覆冰跳躍時橫擔的安全可靠性，如圖7、圖8所示。

圖7 常規橫擔布置型式

圖8 重冰區推薦橫擔布置型式

（3）耐張塔掛線點布置。根據重冰區特點，耐張塔中掛點可設計兩處，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。同時，地線支架按左右對稱設計，必要時一側邊導線跳線可以上繞設置，在少量增加塔重的同時，可以兼顧滿足坡位處跳線對地距離的要求，避免因跳線對邊坡的距離不夠而增加桿塔呼高，降低造價的同時為施工和運行提供方便。此外，還可將中掛點于邊掛點設計至同一水平，雖然地線及橫擔會有所增長，但塔頭高度大大降低，同時，該塔型有效的降低了重冰區塔型的導地線舞動、脫冰跳躍的問題，確保了結構可靠性，如圖9、圖10所示。

圖9 耐張塔掛點布置示意圖

圖10 干字型水平排列耐張塔示意圖

（4）次彎矩的影響。重冰區鐵塔因構件規格較大、節點板較大、連接螺栓較多及節點構造復雜等因素使得全塔構件連接的連續性、節點板剛性都強于一般輕中冰區鐵塔，桿件端部受到較大的嵌固作用，節點限制桿件間夾角的變化，造成桿件彎曲，由此產生的桿彎矩具有二階效應，稱為次彎矩。通常設計輸電鐵塔時，普遍采用幾何小變形、材料線彈性假定，將所有構件視為二力桿單元，節點簡化為鉸節點，按照桁架結構進行分析計算，不考慮彎矩。大量工程實踐表明，這種近似方法基本上可以滿足工程設計需要，但對于某些特殊桿塔，尤其大荷載，大位移作用時采用非線性分析作為線性桿件體系桿塔設計的指導和補充是有必要的。

以一種重冰區直線塔為例，采用ANSYS有限元軟件中梁-桿單元模擬計算，針對不均勻覆冰工況，分析桿件受彎情況如圖11所示：

由彎矩圖可以看出，對于重冰區酒杯塔，彎矩最為明顯的地方主要集中在酒杯塔曲臂的K節點附近，其次為頸口處的塔身主材，此外塔腿隔面處K節點的彎矩也較為明顯。非線性計算結果與以前酒杯塔的相關研究與試驗結論一致，因此在桿塔設計時，對于曲臂K節點和頸口處應根據經驗適當加強，并留有余度，以保證重冰區桿塔的安全性。

圖11 不均勻覆冰工況彎矩圖

4 結束語

位于重冰區的輸電鐵塔，覆冰產生的大荷載是大多數桿件的控制力。在脫冰情況下，桿塔荷載同時具有動力、靜力特性使得鐵塔受理更為復雜。對于重冰區220kV單回路鐵塔，從結構設計的角度可從塔頭型式、材質選擇、結構布置優化等方面把握其設計要點，除進行常規優化設計外，要充分考慮重冰區荷載大且復雜、事故率高、運維困難的特點。其它各類重冰區鐵塔設計時亦應在嚴格遵守重覆冰架空輸電線路設計技術規程基礎上，充分結合受荷特性、沿線自然環境特點，有針對性的提出增強鐵塔安全性的設計方案。

[1]重覆冰架空輸電線路設計技術規程[S].DL/T5440—2009.

[2]110kV～750kV架空輸電線路設計規范[S].GB50545—2010.

[3架空輸電線路桿塔結構設計技術規定[S].DL/T5154—2012.

[4]韓大剛,劉洪昌.500kV重冰區同塔雙回耐張塔設計及試驗研究[J].電力建設,2013,34(8):56-63.

[5]張海平,張馳.20mm重冰區500kV同塔雙回輸電線路設計[J].電網技術,2015,39(1):123-129.

[6]林奇祥,江全才.基于SAP2000軟件的中重冰區直線塔靜力分析[J].三峽大學學報(自然科學版),2014,36(6):51-53.

Discussions of Main Points of the Tower Structural Design for 220kV Single-circuit Overhead Transmission Line in Heavy Icing Area

Li Zhengmin
(National Nuclear Power Planning and Design Institute,Beijing 100095)

This paper summarizes and analyzes the characteristics of transmission lines in heavy icing area, and proposes a series of principles for tower structural design in these area. On this basis and according design experiences, the main points of the tower structural design for 220kV single-circuit transmission lines in heavy icing area is given. Including the design of tower-head type, material selection and structural optimization, etc. This paper provides some reference for future similar engineering design.

Heavy icing area; Single-circuit; Overhead transmission line; Tower; Design

TN823+.12

A

2096-2789（2016）11-0164-03

李政民（1984-），男，工程師，研究方向：輸電線路結構設計。