山區(qū)220kV桿塔設計分析

廖偉

摘要：在山區(qū)大坡度地區(qū)架設高壓線路，導致鐵塔架設過高，使得整體架設費用增加。文章以某220kV超高壓單回線為例，全面考慮鐵塔受力情況、鐵塔質量、防雷性能、電磁環(huán)境、塔頭設計等因素，參考干字型塔受力特點設計處下字型直線塔，并比較了常規(guī)直線塔的技術經濟，證實在山區(qū)地形使用下字型直線塔，超高壓交流線路設計經濟合理且安全可靠。

關鍵詞：桿塔設計；新型桿塔；山區(qū)；鐵塔架設；架空輸電線路 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM75 文章編號：1009-2374（2017）11-0033-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.11.017

國內外在架設架空輸電線路單回路直線塔和110～750kV交流線路普遍采用貓頭塔和酒杯塔這兩種塔型。因為山區(qū)比平丘地區(qū)的走廊拆件量小，考慮到工程造價，酒杯塔適合山區(qū)，貓頭塔適合平丘地段。因為山區(qū)坡度大，所以邊導線對地距離控制鐵塔呼高，下坡側導線易受繞擊源于對地距離過高。為避免以上問題發(fā)生，全面考慮如鐵塔受力情況、鐵塔質量、防雷性能、電磁環(huán)境、塔頭設計、絕緣子金具串型式等因素，并參考干字型塔的設計優(yōu)點，本文通過某220kV線路施工例子探討分析下字型直線塔設計。

1 新型單回路直線塔設計

1.1 串型選擇

I型與V型懸垂串在輸電線路施工中普遍使用，相較于I型串，V型串用于220kV回路鐵塔時，導線偏移能夠被限制，導線間距會減少3m左右，可以使走廊寬度減小，大大降低拆遷和樹木砍伐的數量，但鐵塔橫擔要增加4m，要增加1倍V型串絕緣子片數，還要增加2%～3%的單基鋼材指標。線路走廊寬度不是限制下字型直線塔的主要原因，因為下字型直線塔常用于單回路山地，拆遷量小，相比較而言，推薦使用I型懸垂串。

1.2 塔頭規(guī)劃

1.2.1 導線間距離：

上式用于全部使用I串時水平距離的計算。

式中：fc為最大弧垂；U為線路額定電壓；Lk為懸垂絕緣子串長度。垂直導線間距取0.75D，如果采取懸垂絕緣串的桿塔，在220kV時垂直線間距離應大于10m。

1.2.2 地線支架高度：

上式用于計算線路檔距中央導線和地線間的空間

距離。

式中：S為導線與地線間的距離；L為檔距。

1.2.3 電氣間隙距離。塔頭間隙圓在帶電施工或者雷電過電壓情況下，施工人員及桿塔構件及導線風偏軌跡間的最小間隙。依據規(guī)定，在施工人員停留地方需考慮人員活動區(qū)域0.5m。所以建議下字型直線塔在海拔1000m時工頻電壓間隙取1.2m，雷電過電壓空氣間隙取3.2m，帶電作業(yè)檢驗間隙取3.6m，操作過電壓間隙取2.6m，橫擔肢厚取0.2m，塔身肢厚取0.3m。

1.2.4 導線脫冰跳躍高度。根據相關規(guī)定，15mm冰區(qū)導線垂直層間距應大于8.6m，導地線間距應大于5.1m。

1.3 振型分析

根據建筑荷載規(guī)范規(guī)定，一些高聳結構需要考慮扭轉風振的影響，因為其對扭轉風振作用效果明顯。對桿塔結構不利的因素是，橫風向風力和風致扭矩在扭轉振動周期過大時，二者耦合作用容易產生不穩(wěn)定的氣動彈性現象，對桿塔破壞較強，所以應布置扭轉周期較小的下字型塔結構。

1.4 防雷性能分析

線路雷電性能計算包括下列兩方面：（1）線路雷電反擊計算；（2）線路雷電繞擊計算。本文兩種計算分別采用行波法和幾何模型法。在桿塔呼高20～33m，工頻接地電阻為6～31Ω，雷暴日取60日時，下字型塔反擊耐雷水平低于酒杯塔，大于260kA。下字型塔繞擊跳閘率大大低于酒杯塔，繞擊耐雷水平較好是因為大地屏蔽下層導線，上層導線受地線保護角為負16°。

1.5 電磁環(huán)境

根據間隙圓和其他控制條件對最小塔頭尺寸進行最后確定，并進行電磁環(huán)境的校核計算工作。（1）聽噪聲：在海拔1000m、最高運行220kV電壓情況下，用BPA計算公式，下字型塔線平均為12～16m高，計算邊線外20m處噪聲為54.67～54.13dB，符合噪聲極限值要求，所以噪聲指標不對下字型塔頭控制；（2）無線電干擾：借助電力行業(yè)標準中多分裂導線激發(fā)函數法可得，下字型塔線平均為12～16m高，無線電干擾計算值為52.07～51.41dB，小于55dB的限制要求，所以無線電干擾指標不對下字型塔頭設計規(guī)劃控制。

1.6 結構分析

相較于酒杯型塔，下字型塔的結構更加簡單，結構傳力有明顯優(yōu)勢，傳力路徑十分清晰，對其進行結構分析也更加容易。下字型相對于酒杯型塔在結構傳遞受力方面也不存在K節(jié)點變形過大的問題。對K節(jié)點變形影響較大的還有施工和加工誤差、組裝方法、塔材的初彎曲、螺孔間隙、曲板和曲臂的角度及瓶口等因素。而下字型塔是干字型塔的演化得來的，所以在很多方面避免了這些因素對K節(jié)點造成變形較大的問題，使得更加安全可靠。下字型塔相較于酒杯型塔在一些構造加工上更加簡單容易。

2 下字型直線塔適用性分析

2.1 單雙回路分歧時的適用性

超高壓線路單雙回路交錯布置，會多次出現單雙回路的分歧，直線塔或耐張塔可以作為與雙回路分歧塔連接的單回路塔。相較于直線塔，耐張塔布置塔位更加靈活，檔中相間距離更大，但投資也會更多。因此考慮到跳線與絕緣子的費用，采用直線塔與雙回路分歧塔連接，可以使每基塔節(jié)省約40萬元。下字型塔在用于單雙回路分歧時，能夠使相間距離增加，這是由于酒杯型塔最小相間距離為5.5m，而下字型塔分歧時最小相間距離可以達到11.4m。

2.2 走廊緊張地區(qū)適用性

根據線路規(guī)范規(guī)定，在建筑物所在地高1.5m的位置畸變場強最大不能超過4kV/m，建筑物與220kV線路邊導線的水平距離應大于5m，所以超高壓線路拆遷范圍包括兩部分，分別為地面場強要求的拆遷寬度和線路本身所占的走廊寬度，為減小拆遷范圍，應減小線路附近地面場強或減小鐵塔橫擔寬度。（1）單回走線走廊寬度：下字型塔上橫擔寬度為8m，拆遷范圍為23m，不受場強控制。酒杯塔和貓頭塔的場強控制拆遷范圍分別為45m和40m；（2）雙回平行走線走廊寬度：下字型塔相較于貓頭塔和酒杯塔，走廊寬度較窄，酒杯塔線路與貓頭塔線路平行間距分別為50m和47m，而使用背靠背布置的下字型塔平行間距只有42m。下字型塔一側不受場強控制的拆遷范圍的特點，可以應用到拆遷集中地段，相較于酒杯塔和貓頭塔，拆遷寬度可分別減少28m和20m。

2.3 山區(qū)地形的適用性

根據山區(qū)復雜的地形，設計出長短腿的鐵塔，走線時也會經過一些傾斜的山坡。為降低鐵塔呼稱高，提高對地距離，在工程中采用使用兩層橫擔布置的下字型塔，這種布置可以使下相導線位于塔身一側，下相橫擔在順著山坡走線時布置在離山坡較遠的一側。計算條件為對地距離12m，串長5m，導線弧垂15m。下字型塔可以在鐵塔高度受邊導線對地距離控制時降低呼稱高。相較于酒杯塔，下字型塔在30°坡度時可使鐵塔呼稱高降低12.8m。

2.4 與其他塔型連接的適用性

下字型塔和酒杯型塔連接時，垂直距離、近點水平距離、導線三角排列等效水平間距和相間距離分別為5.2m、4.5m、11m及不小于7m。根據式（1）計算得出，10mm和15mm冰區(qū)可使用的最大檔距分別為709mm和704mm，所以下字型塔與酒杯塔能夠交錯使用。為使下字型塔與貓頭塔連接時空間距離最大，需要將下字型塔上相和貓頭塔中相連接，最小相間距離為10m。相較于酒杯塔，耐張塔與干字型塔、貓頭塔與下字型塔交錯使用導線的排列等效水平線間距更大。

3 技術經濟比較

3.1 桿塔及基礎

根據Ⅲ型直線塔，平腿下字型塔比酒杯塔在同等呼高時重25%。下字型塔在30°的坡度比酒杯型塔降低呼高12.6m。依據偏心插入設計的插入式挖樁基礎型式，計算時，取地質條件為強風化巖石，計算露頭為3m。下字型塔基礎總費用相較于酒杯塔減少9%左右，且下字型塔的經濟性臨界坡度為22°，超過該坡度時，使用下字型塔可以大大降低單基造價。

3.2 線路走廊

相較于酒杯塔，下字型塔可以使線路走廊寬度減小，從而使得拆遷量減小。使用下字型塔相較于酒杯塔，在單回路走廊寬度及雙回路平行走線走廊寬度分別減小22m、28m。相較于貓頭塔，下字型塔單回路與雙回路走廊寬度分別減少15m、21m。

4 結語

在山區(qū)修建高壓塔需綜合考慮安全問題、地形、天氣、電磁環(huán)境、自然環(huán)境保護等多方面因素。而使用下字型直線塔，可以靈活運用于山地地形，它一側不受場強控制的拆遷范圍的特點可以使其占用走廊寬度小，拆遷量和樹木砍伐量少。在山區(qū)地形使用下字型直線塔，超高壓交流線路設計經濟合理且安全可靠。總而言之，下字型塔相較于其他類型的塔，更適合在山區(qū)復雜地區(qū)單獨使用或與其他塔型交錯使用。

參考文獻

[1] 建筑結構荷載規(guī)范（GB 50009-2012）[S].2012.

[2] 曾二賢，包永忠，楊景勝，等.山區(qū)輸電線路的環(huán)保設計和措施研究[J].電力勘測設計，2014，2（1）.

（責任編輯：黃銀芳）