環境惡劣地區輸電線路設計對策研究

鄢秀慶，何松洋，王健鐘，劉洪昌，周建軍

(中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司，四川 成都 610000)

0 引言

隨著西南地區水電開發的不斷深入和發展，電力送出走廊經過的地形復雜地區和氣候惡劣地區也越來越多[1]。據統計，四川省內已投運的500 kV及以上電壓等級的輸電線路有16條線路共28處位于極其困難區域，線路總長為213 km； 2007年前投運的普洪三線共2處位于極其困難區域，線路長度為13 km；而2007年后投運的有15條線路共26處位于極其困難區域，線路長度為200 km。四川省內正在設計階段的500 kV及以上電壓等級輸電線路有6條線路共8處位于極其困難區域，線路長度為150 km。根據四川水電開發及四川電網的規劃，極其困難區域的線路還將大規模增長。因此如何降低此類輸電線路的運行風險，提高線路安全運行的能力，減少運行維護的困難，并保證鐵塔的安全可靠度，是亟待解決的難題，部分學者對惡劣環境下輸電線路的環保措施和避雷措施等方面進行了相應研究[2-4]，但沒有對惡劣環境下的輸電線路結構設計進行系統的研究，缺乏成體系的設計對策。因此，本文從荷載取值、塔型選擇、材料運輸、防腐處理等四個方面進行分析總結，并提出相應的設計對策，為以后該類地區的設計提供參考。

1 環境惡劣地區輸電線路設計難題

環境惡劣區域輸電線路設計具有如下難點：

1)通道狹窄、立塔困難

根據以往工程經驗，環境惡劣地區往往通道受限，場地十分狹窄，較常出現的地形包括孤山包、45°～50°陡峭邊坡等，對于立塔和邊坡及棄土處理都十分困難，如圖1～圖2所示。

圖1 孤山包地形

圖2 陡峭邊坡

2) 重覆冰

在環境惡劣地區，重覆冰問題是十分突出和普遍的。經過2008年和2011年的冰災后，逐步加強了冰厚的原始數據采集，并對重冰區的鐵塔設計進行了改進，但由于覆冰隨海拔、微地形、微氣象條件的影響很大，所以要非常準確地確定覆冰厚度非常困難。因此在確定環境惡劣地區重覆冰情況下的鐵塔荷載時，須特別注意這種覆冰荷載復雜性的影響，如圖3～圖4所示。

圖3 重覆冰鐵塔

3)高烈度地震

2008年汶川大地震震害結果表明：在高烈度地區的輸電線路鐵塔損壞情形中，桿塔和基礎損壞主要原因是地震次生災害導致的地基失效，主要表現為地震引起的塔位滑坡垮塌、山體裂縫、邊坡垮塌、滾石砸壞桿塔、泥石流沖毀桿塔等，如圖5所示。地質災害直接導致鐵塔基礎發生不均勻沉降，進一步引起鐵塔內力重分布，導致鐵塔破壞，如圖6所示。

圖5 滾石砸斷塔材

圖6 不均勻沉降引發的塔材拉裂

此外，從施工角度而言，環境惡劣地區往往位于無人區，交通極為不便，塔材運輸困難。從運行維護角度而言，一是地形陡峭，到達塔位難度大；二是無手機通訊，人身安全難以保障；三是事故后搶修極為困難。

2 環境惡劣地區輸電線路設計對策

2.1 荷載取值及可靠度

結構構件承載能力極限狀態的可靠指標[5-6]如表1所示。

表1 構件可靠度指標表

對于常規500 kV線路而言，其安全等級為二級，鐵塔破壞一般屬于延性破壞，因此可靠度指標β≥3.2即可。但是如前文所述，由于環境惡劣地區輸電線路的外荷載的復雜性及特殊性，因此，安全等級應比常規線路高一個級別，取為一級，同時β≥3.7。

根據《建筑結構可靠度設計統一標準》[5]規定，對于安全等級為一級的結構，其重要性系數γ0取1.1。根據圖7，γ0取1.1時難以滿足可靠度要求，因此需提高重現期。根據圖8可知，100 a重現期時，滿足β≥3.7的要求。因此，在設計中，桿塔重要性系數應取1.1，基本風速、設計冰厚重現期應取100 a。

圖7 重要性系數和可靠度指標的關系

圖8 重現期和可靠度指標的關系

2.2 鐵塔設計

2.2.1 設置多道傳力途徑

對于傳力關鍵點及薄弱點，除應加強相應節點連接外，與其相連的其它桿件應留有適當裕度[7]，以保證主要構件受損時，其余構件能夠分擔部分受力，從而保證不發生更大的破壞，如表2所示。

表2 傳力途徑示意

2.2.2 增加鐵塔抗冰能力

從2008年及2011年冰災可知，導致鐵塔覆冰倒塌的主要原因是覆冰過重導致的壓壞和斷線引發的扭轉破壞。因此，一方面需要選擇適當的冰厚進行計算，加強導地線的覆冰過載能力；另一方面，對于冰災過程中易損壞的部位，如橫擔及地線支架根部與塔身的連接、橫擔與塔身相連處的隔面、強酒杯塔曲臂等應適當加強。

2.2.3 新型塔型的應用

除了加強鐵塔自身可靠度外，加強鐵塔與環境的適應性是環境惡劣地區的又一大課題。如前文所述，環境惡劣地區，部分地段地形惡劣，立塔困難，因此，本文總結了歷年應用于環境惡劣地區的新型塔型，如表3所示。

表3表明，采用非常規的新型塔，雖然會增加部分投資，但是對于線路中部分關鍵節點的暢通起到了至關重要的作用，因此在環境惡劣地區推廣是非常必要且有意義的。

表3 新型塔型的應用

2.2.4 塔材的選擇

環境惡劣地區往往交通條件惡劣，運輸十分困難，塔材宜采用較為輕便的角鋼。角鋼長度會影響單根構件的重量，對于運輸的要求也不同，如塔材太長，則運輸時要求的轉彎半徑更大[7-8]，對汽車及道路要求更高，費用也將增大。以川藏聯網工程為例，對塔材開斷進行比較，如表4所示。

表4 塔材不同開斷方案技術經濟比較表

由表4可知，當鐵塔構件采用9 m開斷后，在鐵塔材料費用少量增加的基礎上更多地減少塔材運輸道路整治和維修費用，直接節約工程投資約570萬，相對減少約0.43%，帶來較大的經濟效益；此外也可較大程度地解決施工運輸問題。該方案已在川藏聯網工程中實施，反響良好，因此，對于環境惡劣地區，塔材開斷長度建議為9 m。

2.3 基礎及防護設施

高烈度地震區域，影響線路正常運行的主要因素為地震引發的次生災害。因此，對于此類地區基礎及防護設施的設計，應注意塔位附近的危巖和塔位下方的臨空面，必要時應采取清理臨空面、增加防護網和抗滑樁等措施。此外，還應注意以下幾點：

1)鐵塔與基礎的連接宜采用地腳螺栓方式，施工便捷，適應惡劣地質條件能力強，調節方便，事故搶修便利；

2)應建議用原狀土基礎，其土石方量最小，對地形和植被的破壞也最小，能充分利用原狀土的特性，提高承載力；

3)棄土應運至不危及塔位安全的地方堆放；

4)塔位宜避開自然形成的排水通道。

2.4 運行維護措施

環境惡劣地區，往往檢修維護困難，根據以往工程經驗，可以采取以下措施：

1)桿塔構件規格尺寸不應出現負偏差，鍍鋅層厚度應比一般區段增加10 μm，采取此措施可以增強鐵塔抗腐蝕能力，減少維護成本；

2)桿塔防卸螺栓應具有防松功能，除防卸螺栓外的其余螺栓應采用雙帽防松。采取此措施可以減少因螺栓松動而增加的運維工作量；

3)加裝在線監測裝置，目前國內在線監測技術已經比較成熟，并在實際運行線路上取得了應用，可以有效減少人力檢修工作量；

4)采用鋁合金搶修塔。雖然考慮了足夠的安全措施，但是仍難以保證100%的無故障率，一旦造成倒塔事故，可以采用鋁合金搶修塔臨時恢復供電。與傳統鋼材相比，鋁合金桁架結構，重量輕，裝運方便，同等截面承載力大，同時易加工，耐腐蝕，可以極大的縮短加工和運輸周期。此外，搶修塔可以模塊化制作，根據塔型的組成，迅速拼裝，等搶修期過后，可以分段拆卸回收，以備下次再用，經濟環保。目前，南網超高壓公司已設計出500 kV線路全鋁合金搶修塔系統，并制定了相應的使用原則和方法。

3 結論

本文分析了環境惡劣地區線路特點，從荷載可靠度、鐵塔設計、基礎設計及運行維護等四個方面提出了相應的設計對策，根據這些對策，工程中能夠較好地應對惡劣環境的影響，主要研究結論如下：

1)分析了環境惡劣地區線路設計的難點，主要包括：地線陡峭或狹窄，立塔困難；覆冰荷載十分復雜；高烈度地震容易引發次生災害；交通不便，運輸困難；運行維護困難等。

2)為提高環境惡劣地區桿塔可靠度，可取β≥3.7，建議覆冰及風速重現期取值為100 a，結構重要性系數取1.1。

3)為提高鐵塔抗外荷載能力，建議增加鐵塔多重傳力途徑和加強抗冰構造措施。

4)為提高鐵塔對環境惡劣地區地形的適應能力，推薦采用傾斜鋼架、垂直鋼架、門型塔和窄基塔等新型塔型。

5)為方便環境惡劣地區塔材運輸，建議塔材采用角鋼型式，開斷長度可取值為9.0 m。

6)為減少高烈度區域次生災害對鐵塔的破壞，建議了相關的基礎及防護措施，包括鐵塔與基礎采用底腳螺栓連接，基礎建議采用原狀土基礎。

7)為減少運維工作量，從鐵塔防腐、螺栓防松、在線監測及搶修塔的設計等方面進行了研究，并推薦了可行的方案。