淺析架空輸電線路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

郭昌華

【摘 要】電網(wǎng)是重要的基礎(chǔ)設(shè)施，是國(guó)家能源的重要組成部分，輸電線路設(shè)計(jì)應(yīng)從保障能源安全、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)出發(fā)，大力推行兩型三新（資源節(jié)約型、環(huán)境友好型，新技術(shù)、新材料、新工藝）的設(shè)計(jì)理念，實(shí)現(xiàn)輸電線路安全可靠和可持續(xù)發(fā)展。本文通過簡(jiǎn)析輸電線路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，優(yōu)化桿塔設(shè)計(jì)，積極推廣新技術(shù)、新材料、新工藝的應(yīng)用，節(jié)約用地，控制造價(jià)，提高輸電線路工程技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。

【關(guān)鍵詞】輸電線路；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；技術(shù)經(jīng)濟(jì)性；

1、架空輸電線路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

架空輸電線路由導(dǎo)線、地線、絕緣子、金具、桿塔、基礎(chǔ)等部分組成，其中桿塔和基礎(chǔ)是影響工程造價(jià)的主要因素，因此對(duì)輸電線路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了如下要求：

（1）提高輸電線路的可靠性；

（2）提高線路通道的利用率，節(jié)約建設(shè)用地；

（3）保護(hù)生態(tài)環(huán)境，減少植被破壞及水土流失；

（4）節(jié)約材料，降低工程造價(jià)；

1.1輸電線路桿塔

輸電線路桿塔型式主要有鋼筋混凝土電桿和鐵塔，其中鐵塔分為拉線鐵塔和自立式鐵塔，國(guó) 內(nèi)外大多采用熱扎等肢角鋼制造，螺栓組裝的空間桁架結(jié)構(gòu)，也有部分受力要求較大的采用鋼管鐵塔。輸電線路桿塔按使用條件不同分為直線鐵塔、轉(zhuǎn)角鐵塔和終端鐵塔，轉(zhuǎn)角鐵塔轉(zhuǎn)角分級(jí)一般采用20度為一級(jí)，終端鐵塔使用角度可用于0度至90度范圍內(nèi)。輸電線路桿塔受力計(jì)算包括桿塔自身應(yīng)力計(jì)算及基礎(chǔ)作用力計(jì)算等。

1.2輸電線路桿塔基礎(chǔ)

鋼筋混凝土電桿常用的基礎(chǔ)型式有底盤及拉線盤，通常采用預(yù)制方式；鐵塔基礎(chǔ)通常采用鋼筋混凝土現(xiàn)澆方式，常用的基礎(chǔ)型式有板式基礎(chǔ)、原狀土掏挖基礎(chǔ)、人工挖孔樁基礎(chǔ)、灌注樁基礎(chǔ)及巖石基礎(chǔ)等。輸電線路的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)應(yīng)該結(jié)合地形、地質(zhì)情況，鐵塔基礎(chǔ)作用力、施工安全、方便、效率等選擇最優(yōu)方案。桿塔基礎(chǔ)受力計(jì)算包括基礎(chǔ)本身承載力計(jì)算、上拔穩(wěn)定計(jì)算、基礎(chǔ)下壓計(jì)算、地基計(jì)算、鋼筋混凝土電桿傾覆穩(wěn)定計(jì)算等。

1.3 輸電線路導(dǎo)線

輸電線路中導(dǎo)線材料通常是導(dǎo)電性能較為優(yōu)良的金屬材料，確保通流的密度適中，導(dǎo)線需要依照項(xiàng)目輸送容量要求進(jìn)行截面選取，控制電暈放電問題的發(fā)生，導(dǎo)線曲率半徑必須較大。高壓架空輸電線路中大部分采取分裂式導(dǎo)線提升輸送的容量，為了避免架空輸電線路因感應(yīng)過電壓以及雷擊過電壓造成的破壞，通常在導(dǎo)線上端設(shè)計(jì)避雷線等裝置，針對(duì)關(guān)鍵性輸電線路，一般要求安裝兩根避雷線，且需要增大地線保護(hù)角。有光纜通訊要求可采用光纜兼避雷線。對(duì)架空輸電線路進(jìn)行設(shè)計(jì)之時(shí)，需要對(duì)線路路徑走廊、周圍自然條件、氣候環(huán)境的影響進(jìn)行綜合考慮。

1.4 輸電線路絕緣子

絕緣子屬于高壓架空輸電線路中的關(guān)鍵構(gòu)件，絕緣子的主要功能是在承受一定荷載以及過電壓的基礎(chǔ)上，對(duì)導(dǎo)線進(jìn)行支撐，使導(dǎo)線與桿塔之間絕緣。高壓架空輸電線路由于電壓較高，在絕緣方面有較高要求。絕緣子性能是由絕緣材料質(zhì)量決定的，現(xiàn)今高壓架空線路絕緣子主要包含，有機(jī)復(fù)合型絕緣子、玻璃絕緣子以及懸型盤式絕緣子。高壓架空線路設(shè)計(jì)過程中，需要重視絕緣子抗劣化、抗腐蝕、電氣強(qiáng)度以及機(jī)械荷載的性能符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

2、架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1桿塔荷載

作用在桿塔上的荷載可分為永久荷載、可變荷載和特殊荷載，按作用方向可分為橫向荷載、縱向荷載和垂直荷載。各類桿塔均應(yīng)計(jì)算線路正常運(yùn)行情況、斷線情況、不均勻覆冰情況和安裝情況下的荷載組合，必要時(shí)應(yīng)驗(yàn)算地震等罕見情況。

2.2桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法與原則

桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則為：

（1）保證桿塔強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性以及可靠性。

（2）線路構(gòu)件布置的合理性、結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)潔性、傳力路線的清晰、簡(jiǎn)短與直接。

（3）減少桿塔鋼材的耗量，確保桿塔造價(jià)的合理性。

桿塔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法：

（1）桿塔結(jié)構(gòu)分析以及力學(xué)模型、承載力運(yùn)算、桿端的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)計(jì)算等的研究分析。

（2）研究模型選取、鐵塔節(jié)間、坡度以及塔頭種類的優(yōu)化布局。

現(xiàn)今，通常依照鉸接型空間桁架對(duì)桿塔進(jìn)行設(shè)計(jì)，假設(shè)節(jié)點(diǎn)的約束鉸鏈屬于理想式鉸接，這樣塔空間整體就看做靜定型空間系統(tǒng)，依據(jù)平衡條件以及變形協(xié)調(diào)對(duì)桿塔變形與內(nèi)力進(jìn)行分析并依照受力以及穩(wěn)定性條件對(duì)桿塔材料進(jìn)行選取。

2.3 桿塔的結(jié)構(gòu)優(yōu)化手段

（1）依照高度的差異進(jìn)行桿塔設(shè)計(jì)。由于海拔高度差異會(huì)對(duì)電氣間隙大小產(chǎn)生影響，進(jìn)而桿塔外形尺寸受到影響，桿塔耗鋼量就會(huì)增高。高海拔區(qū)域必須依照海拔高度根據(jù)300米-500米的高度差劃分出不同等級(jí)。

（2）改良直線鐵塔掛線形式，減少塔頭的尺寸。進(jìn)行鐵塔設(shè)計(jì)之時(shí)，直線塔要采取不同絕緣子串進(jìn)行懸掛，塔頭的尺寸大小同樣有所差異，這樣桿塔耗鋼量與線路投資就會(huì)受到影響。依照過去的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，若是超高壓的直線塔中相采取V 串式懸掛，就能夠有效減少塔窗的尺寸，進(jìn)而使鐵塔耗鋼量減少。其次V 串使用需要依照導(dǎo)線、塔型以及氣象條件的差異通過鐵塔的計(jì)算進(jìn)行對(duì)比論證。

（3）鐵塔的根開尺寸以及塔身坡度的優(yōu)化。塔身的坡度與根開選取會(huì)對(duì)鐵塔的重量與美觀性產(chǎn)生很大影響，而且會(huì)對(duì)塔身的主材與斜材規(guī)格、基礎(chǔ)作用力有直接影響。合理塔身坡度需要確保塔材的應(yīng)力分布變化和材料規(guī)格變化互相均衡協(xié)調(diào)，確保均勻受力。塔身的坡度與根開的優(yōu)化是以鐵塔重量看做目標(biāo)函數(shù)，再與構(gòu)件的受力性能和基礎(chǔ)作用力進(jìn)行綜合分析，挑選出最佳的根開以及坡度。

（4）鐵塔曲臂K節(jié)點(diǎn)優(yōu)化。單回路的鐵塔要采取的是直曲臂，曲臂的材料受力比較簡(jiǎn)單，K節(jié)點(diǎn)的受力較好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，然而受到直曲臂影響，依照間隙圓進(jìn)行塔窗布置時(shí)會(huì)受到制約，塔頭比較松散，這就造成塔頭的尺寸很大，重量較大。采取彎折型曲臂，依照間隙圓進(jìn)行塔窗布置時(shí)比較靈活，塔頭的尺寸很小，且塔重比較經(jīng)濟(jì)。

（5）節(jié)點(diǎn)優(yōu)化。節(jié)點(diǎn)構(gòu)造屬于設(shè)計(jì)過程的關(guān)鍵內(nèi)容，依照鐵塔的真型實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，線路節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造不適宜比較容易造成鐵塔損壞問題，所以必須高度重視起來。依靠節(jié)點(diǎn)優(yōu)化盡可能確保實(shí)際的塔型和計(jì)算的模式相一致，且確保節(jié)點(diǎn)符合構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)下盡可能簡(jiǎn)化，防止出現(xiàn)次應(yīng)力，同時(shí)使塔重減少。節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)要遵循以下原則。

（a）防止連接桿件的夾角太小，要控制桿件負(fù)端距。

（b）節(jié)點(diǎn)的連接必須緊湊，保證符合剛度要求基礎(chǔ)上降低節(jié)點(diǎn)板的面積。

（c）有效控制桿件的偏心連接，防止節(jié)點(diǎn)板彎曲。

（d）針對(duì)兩面型連接桿件要防止對(duì)孔布置，降低桿件的斷面損失。

（e）控制包角鋼的連接數(shù)量，進(jìn)而為減輕桿塔的質(zhì)量創(chuàng)造有利條件。

（f）針對(duì)主材以及斜材要采取多排螺栓型布置，而斜材要直接和主材進(jìn)行連接。

（6）山區(qū)線路的鐵塔要采取全方位的長(zhǎng)短腿形式。全方位長(zhǎng)短腿與高低基礎(chǔ)進(jìn)行配合使用，既可以大幅度降低土石方的工程量、減少工期、減少施工的難度，并且能夠最大程度實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)。

3、輸電線路桿塔中的高強(qiáng)度鋼材運(yùn)用

過去線路設(shè)計(jì)之中，我國(guó)一般采取Q235以及Q345型鋼材，Q235與Q345的穩(wěn)定性好、強(qiáng)度較高，離散性較低，缺陷在于屈服的強(qiáng)度較低，控制鐵塔耗鋼中的關(guān)鍵手段就是采取高強(qiáng)鋼材。

輸電線路鐵塔采取什么樣的強(qiáng)度級(jí)別鋼材主要由構(gòu)件受力特性以及構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比來決定，鐵塔結(jié)構(gòu)中大多數(shù)構(gòu)件的受壓比較穩(wěn)定，而高強(qiáng)鋼的強(qiáng)度會(huì)增加很多，然而穩(wěn)定系數(shù)與Q345 比較折減更快。

受壓的穩(wěn)定性影響因素為構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比，依照鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算方法標(biāo)準(zhǔn)，以L160×16為例分別比較分析高強(qiáng)鋼中Q345、Q390、Q420以及Q460承載力比值，如下表所示。

表格不要采用圖片格式，表中鋼種由低到高排序。

由于與Q345相比其余三種角鋼的價(jià)格要高出10%左右，采取Q390型角鋼在理論上可以增強(qiáng)鋼材大約13%強(qiáng)度，但是實(shí)際情況由于角鋼的規(guī)格最多能增強(qiáng)10%，這對(duì)整體的項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性來說沒有較大意義，所以實(shí)際項(xiàng)目基本上不會(huì)采取Q390型角鋼。針對(duì)Q420以及Q460 型角鋼構(gòu)件的長(zhǎng)細(xì)比不超過40的時(shí)候，構(gòu)件是由強(qiáng)度來控制的，角鋼的承載力提升20%～30%左右，這就可以使角鋼的規(guī)格有效降低，Q460型角鋼的優(yōu)勢(shì)非常明顯。構(gòu)件的長(zhǎng)細(xì)比處于40-80范圍之內(nèi)，構(gòu)件是由穩(wěn)定來控制，而采取Q420以及Q460型角鋼的承載力能提升8%～19%以及12%～28%之間，角鋼的規(guī)格能夠有所降低。構(gòu)件的長(zhǎng)細(xì)比超過80之時(shí)構(gòu)件徹底由穩(wěn)定進(jìn)行控制，而這時(shí)選取高強(qiáng)角鋼沒有很大價(jià)值，所以不建議采取Q420以及Q460型高強(qiáng)鋼。

結(jié)束語

結(jié)束語與本文章的主要內(nèi)容關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)。

目前架空輸電線路持續(xù)增多，所以必須掌握好架空高壓線路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。并對(duì)架空輸電線路的桿塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，采用最合理的鋼材。保證高壓架空輸電線路設(shè)計(jì)更加完善，確保電網(wǎng)運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性。

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（作者單位：四川省西點(diǎn)電力設(shè)計(jì)有限公司）