220 kV雙回輸電線路鋼管桿設計及運用

【關鍵詞】220 kV；雙回輸電線路；鋼管桿設計

引言

電力輸送作為電力體系的重要組成要素，能夠實現發電廠所產電力向終端用戶的高效配送，對于社會的發展起著至關重要的作用。然而，伴隨城市擴張和制造業的迅猛發展以及生活水平的不斷增長，對高壓輸電線路的性能與可靠性也提出了更高的要求。而鋼管桿依靠其理想的機械參數、持久的防腐蝕效能以及模塊化的施工特點，已成為220 kV雙回輸電線路的典型桿塔形式。該結構設計能完全符合電力系統對先進輸電設備的性能標準，保證極端條件下的持續可靠工作，實現安全可靠與經濟高效的雙重目標。

一、220 kV雙回輸電線路鋼管桿的設計概述

（一）力學要求及電氣性能分析

鋼管桿必須具備承受線路當中各類機械拉力以及風力所引起彎矩的能力，這些力的作用會極大地影響桿體性能，在設計過程中需進行全面分析計算。以某工程項目為例，按照環境條件標準，設計中鋼管桿的最大風荷為900 N/m2，風速設計為30 m/s。依照這一風荷設計要求，鋼管桿應具備充足的強度及剛度，以防止因過度變形或結構失穩而產生的安全隱患。在桿體的材料選定、截面及連接工藝設計中，需保障在極端情況下，桿體仍能維持穩定狀態，不會出現斷裂或屈服現象。依照國家標準，220 kV輸電線路的鋼管桿電氣間隙最小要達到4.5 m，這一設計要求對線路的安全性起到有效保障，使其能夠在正常運行以及故障條件下，電氣絕緣性能不出現偏差。在電氣性能設計時，鋼管桿不僅需具有適應高電壓環境的承受實力，還得保證體現出良好的抗電磁干擾性能，這對于保障電力系統的穩定意義重大，尤其是在電力電子設備越來越普及的背景下，電氣性能的嚴格規定，是保證電力系統可靠性的關鍵環節[1]。為具體呈現鋼管桿的力學性能要求，可借鑒某項目里的設計參數（見表1），這些參數明確展現了設計過程中需要考量的各類力及應變值，保障每個環節與整體設計理念和安全標準相契合。

（二）抗風、抗震、防雷等特殊環境中的設計要點

在220 kV輸電線路設計時，需要對各類特殊環境進行全面地考慮，并制定有針對性的防范措施，尤其在防風、抗震以及防雷等方面。在抗風設計工作中，鋼管桿設計風速一般由安裝地區的歷史氣象數據決定，針對風力荷載偏大的地區，桿體的直徑與壁厚需對應增大，從而提升其抗風能力，保證線路安全[2]。在進行風載計算過程中，一般采用標準風速法，風載力可借助公式（1）求得：

F=Cd·A·P（1）

其中，F表示風荷，Cd表示風壓系數，A為桿體的迎風面積，P為風壓。該計算方法保證了在風力作用時，鋼管桿可維持結構的穩定性，不出現過度變形和失穩的現象。對高烈度地震區的設計而言，鋼管桿需有良好的抗震性能，桿體的連接區段采用柔性設計，可在一定范圍內吸收地震波的能量，這樣能起到有效防止剛性結構在強震中出現脆性斷裂的作用。該設計思路不僅增強了桿體的韌性，還提高了整體的抗震水平，設計期間會采用彈性分析與塑性設計相結合的方法，保障鋼管桿在地震中的穩固性。彈性分析聚焦于結構在小變形情形下的展現，而塑性設計看重結構達到極限狀態后的行為態勢。采用這兩種方法的組合，可對桿體在地震作用下的表現進行綜合評估，保證它在極端情況下也能牢牢穩固，維持電力傳輸的平穩。220 kV輸電線路的鋼管桿應配置有效的避雷裝置，以保證在雷雨天氣時能安全導走雷電流，防止設備受損和人員受傷[3]。

（三）結合數據的結構分析與設計參數計算

在著手鋼管桿設計的階段，為讓其在不同荷載條件下維持穩定與安全，通常情況下可采用有限元法（Finite Element Method，FEM）進行模擬操作。為精確測算鋼管桿的受力情形，依靠對數值的計算與分析，可更全面地把握各類外載荷對桿體的效應，同時獲取相應的應力分布以及變形情況的相關數據。鋼管桿承載能力的計算，如公式（2）所示：

N=σγA（2）

其中，N表示的是鋼管桿的軸向承載力；σ就是鋼材的設計抗拉強度，單位采用帕斯卡，一般根據采用的鋼材品種和相關規范進行確認；γ代表安全系數，平常取值是1.5，以考慮材料的不穩定狀況和額外的安全余量；A反映的是桿體的橫截面積。

這個參數由桿體的直徑及壁厚決定，依據公式（2）展開計算，能夠知曉鋼管桿在特定條件下所能承載的最大荷載，保障其在實際運行過程中不會因過載而產生失效。就結構穩定性分析而言，屈曲荷載的計算極為關鍵，屈曲所指的是材料在受到軸向壓縮作用時可能產生的失穩破壞，一般用歐拉公式來計算臨界屈曲荷載，如式（3）所示：

Pcr=π2EIL2（3）

其中，Pcr表示臨界屈曲荷載；E是鋼材的彈性模量，說明了鋼材抵抗變形的能力；I表示桿體截面的慣性矩，和桿體幾何形狀存在一定聯系；L表示桿體的有效長度，它是影響屈曲性能的核心參數，一般由連接的具體方式和實際應用要求決定。結合公式（2）和公式（3），設計師可針對鋼管桿在各類力作用下的性能表現進行分析驗證。

二、鋼管桿在220 kV雙回輸電線路中的運用實踐

（一）鋼管桿安裝過程中的基礎設計與施工難點

在推進鋼管桿安裝的過程中，基礎設計極為關鍵，尤其是處于松軟土質或高地下水位的地段。鑒于這類地基承載能力欠佳，容易出現下沉現象，可能會引起基礎開裂，進而大大威脅到鋼管桿的穩定性，一般采用的方法是用樁基和灌漿技術加固地基[4]。樁基把荷載輸送到更堅硬的土層，明顯加大了基礎的承載能力，灌漿技術借助把特定材料注入土體，增進其密實性與強度，以此減少出現沉降的幾率。安裝環境復雜（如山區地形或者不規則地形這種情況）也提升了施工的困難程度，在這些環境范圍里，保證基礎的水平度是施工中的一個關鍵環節，需有效適應不規則地形的特性要求，保證基礎處于穩定狀態及鋼管桿安全[5]。

（二）鋼管桿運用過程中的維護與監測技術

該220 kV輸電線路中，項目團隊通過智能監控系統的高科技傳感器，對鋼管桿受力狀態、基礎下沉及桿體腐蝕的情況進行實時監測，并配置應力傳感器、溫濕度傳感器及位移傳感器等設施，實現對關鍵數據的采集。隨后將采集到的數據上傳到主控中心，確保重要數據的實時接收。面對大風、暴雨這類惡劣天氣條件，監控系統可通過應力傳感器，迅速判斷鋼管桿所承受的壓力變化，一旦檢測出異常應力的增大，系統將發出告警信號，并及時通報維護團隊，以便迅速做出響應，有效地降低了由異常荷載所引發的潛在風險[6]。依照長期維護得出的記錄，該項目中鋼管桿腐蝕率一直維持在0.05%以下，基礎沉降量的變化不超過2 mm，而螺栓出現松動的概率僅為0.02%。這些數據證實，實施的監測及維護措施有效掌控了結構狀態，所有的關鍵性數據均達到施工要求，為電力輸送的穩定性給予了有力支撐，項目中的維護及監測關鍵數據如表2所示。

三、220 kV輸電線路鋼管桿設計優化

（一）鋼管桿在不同地形和氣候條件的應用

在面對山區、丘陵等復雜的地形環境時，因為受地形高低起伏影響，鋼管桿的基礎設計要綜合顧及地質條件的空間變異性與風荷載的非均勻分布特性。由于該特殊地形地基承載力離散程度明顯的特點，可以采用增強型基礎設計方案，依靠地質勘察取得的巖土力學參數，結合有限元分析，采取基礎加長、加深等技術手段，成功控制基礎的沉降，保障桿體的穩定性。針對有滑坡隱患的松軟地層地帶，可優先選用嵌巖樁、灌注樁之類深基礎形式，通過深部穩定持力層實現荷載的有效傳遞，增強結構的抗傾覆能力。在河谷跨越處及特殊地形區域，需結合風洞試驗及流體力學分析的數據結論，適當加大桿體高度及間距，優化結構受力體系，保障輸電線路在復雜工況下運行的穩定性與持續性。

（二）鋼管桿設計與安裝的智能化管理系統

在220 kV雙回輸電線路鋼管桿施工過程中，還可以借助云平臺的智能監測和系統管理，通過多源數據融合技術實現對鋼管桿運行狀態的全周期管控。智能系統把光纖傳感、傾角傳感器以及氣象監測模塊整合，對鋼管桿在受力方面的狀態、傾斜度、基礎沉降等關鍵參數進行收集，并結合環境方面的因素做動態分析。在應對極端天氣時，系統可借助閾值預警機制，捕捉到鋼管桿傾斜度不符合標準的數據，通過邊緣計算模塊迅速解析后，自動形成風險評估報告，切實消除安全隱患[7]。

四、220 kV雙回輸電線路鋼管桿的應用效果分析

（一）經濟效益評估

在輸電線路建設初期，與傳統鐵塔相比，鋼管桿的材料施工費用會略高一些，尤其是當采用高強度鋼材或防腐涂層時。然而，鋼管桿在降低維護成本方面表現卓越，這得益于其相對簡易的結構設計和較短的施工周期，從而有效減少了人力和機械設備的投入。這不僅提升了施工效率，還對整體建設成本產生了積極影響。此外，運輸過程和傳統重型鐵塔相比，鋼管桿的輕量化設計同樣彰顯出明顯的經濟效益，由于鋼管桿減重，在類似山區或河流跨越的復雜地形時，運輸成本大幅下降，可更高效地契合運輸與安裝需求，減少多次運輸或實施調整的必要性，進一步削減了費用。

（二）安全性與穩定性的作用

鋼管桿通過引入先進制造工藝與高強度材料，極大地提高了輸電線路的安全穩定水平。因其與眾不同的結構設計，可以在風載、雪載及自然災害中體現出卓越力學性能，并且優化后的截面參數及應力分布的方式，也能夠產生較強的抗壓、抗拉能力，保證輸電線路不間斷可靠運行。實測數據說明，與傳統鐵塔相比，在面對25 m/s強風的狀況下，最大位移量從3°降低到了1.5°，極大地增進結構的抗風穩定水平，從而能夠有效應對極端天氣下的失穩風險，提升輸電網絡對災變的韌性水平。鋼管桿采用的防腐涂層手段與優質鋼材，可以使其具備卓越的耐候性與抗腐蝕能力，極大延長服役周期，減少全生命周期的運維花銷[8]。

五、220 kV雙回輸電線路鋼管桿技術應用發展趨勢

在現代輸電線路建設中，鋼管憑借其高結構強度、優異的空間穩定性及顯著的經濟優勢，成為復雜地形、長距離輸電工程以及極端氣候環境下的首選方案。伴隨全球能源需求急劇增長，電力行業對輸電系統的安全保障與運行效率提出更高要求，作為這一需求驅動的結果，鋼管桿的廣泛應用是重要實踐成果。輕量化金屬材料與高強度復合材料將被加速應用到鋼管桿制造中，這些新型材料在維持結構承載量和服役壽命的同時，可切實降低桿件的自重。與先進制造工藝優化相結合，可明顯減少材料消耗與加工的成本，憑借數字化設計與智能制造技術的深度整合，鋼管桿可達成結構參數的精準控制，適應工程差異化的實際需求，全方位提升輸電系統的可靠性及環境適應性。

結語

電能輸送的關鍵任務由高壓線路的鋼管桿完成，既能提升電網運行穩定性，又可降低電力傳輸損耗。鋼管桿的全面推廣將推動電力系統穩步升級，優化供電網絡的可靠性及安全管控水平，成為促進社會經濟發展的關鍵支撐。伴隨技術迭代更新和材料學科的突破，未來鋼管桿技術將實現質的飛躍，促進電力領域實現跨越式發展。

參考文獻：

[1] 廖林宏.關于輸電線路桿塔結構優化設計的淺析[J].數字通信世界，2021（08）：229230+133.

[2] 蘇曉，白雪松，許華棟，等.220 kV雙回線路無人機協同帶電作業表面電場分析[J].電工技術，2024（19）：156158.

[3] 周云童，徐銘蔚.輸電線路鋼管桿夾持式標識牌支架的研究[J].設備管理與維修，2024（06）：156158.

[4] 凌蕓，雷冬，何錦濤，等.輸電線路鋼管桿在腐蝕影響下的安全性分析[J].河南科學，2024，42（01）：2431.

[5] 盧春源.220 kV雙回輸電線路鋼管桿設計與運用研究[J].儀器儀表用戶，2025，32（02）：3536+39.

[6] 李山，張媛，楊定乾，等.220 kV同塔雙回輸電線路桿塔電場分布特性研究[J].電氣技術，2024，25（10）：17+29.

[7] 張建誠，沈啟豪，孟繁志，等.鋼管桿塔起重吊環的創新設計與應用[J].現代制造技術與裝備，2023，59（04）：151154.

[8] 朱亞鵬，余亮，張煒，等.輸電線路四柱鋼管桿主桿管型優化分析[J].武漢大學學報（工學版），2022，55（S2）：8589.