重冰區(qū)220kV單回架空輸電線路鐵塔結(jié)構(gòu)設(shè)計

李政民

（國核電力規(guī)劃設(shè)計研究院，北京 100095）

重冰區(qū)220kV單回架空輸電線路鐵塔結(jié)構(gòu)設(shè)計

李政民

（國核電力規(guī)劃設(shè)計研究院，北京 100095）

文章總結(jié)分析了重冰區(qū)輸電線路的特點，從結(jié)構(gòu)設(shè)計角度提出了一系列重冰區(qū)鐵塔設(shè)計的原則。在此基礎(chǔ)上結(jié)合設(shè)計經(jīng)驗，針對重冰區(qū)220kV單回路鐵塔設(shè)計給出了一些設(shè)計要點，包擴塔頭型式選擇、材質(zhì)選擇、結(jié)構(gòu)布置優(yōu)化等諸多方面，為今后類似工程的設(shè)計提供了一定了參考。

重冰區(qū)；單回路；輸電線路；鐵塔；設(shè)計

覆冰厚度是影響輸電線路設(shè)計的重要參數(shù)，占工程本體造價約20%～30%的輸電鐵塔。覆冰的影響主要表現(xiàn)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(chǎn)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(shè)計、運行經(jīng)驗的不足，由覆冰引起的倒塔事故對國民經(jīng)濟造成了重大的損失。我國南方地區(qū)2008年冰災(zāi)以來，電力行業(yè)對桿塔設(shè)計規(guī)范進行了修編并出臺了《重覆冰架空輸電線路設(shè)計技術(shù)規(guī)程》用于指導(dǎo)重冰區(qū)鐵塔設(shè)計，設(shè)計人員也通過越來越精細的計算提高重冰區(qū)鐵塔的安全性，獲得了很好的效果。但重覆冰區(qū)多位于海拔較高的山區(qū)，沿線地形復(fù)雜，氣象資料匱乏，線路在覆冰條件下受力情況較為復(fù)雜。同時這些地區(qū)在覆冰期又很難到達，不便與獲取數(shù)據(jù)、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(qū)鐵塔的設(shè)計要點做進一步探討。

1 重冰區(qū)線路特點

重冰區(qū)線路有如下特點：①氣象條件復(fù)雜多變。一方面重冰區(qū)線路多位于海拔較高的山區(qū)，氣溫、空氣濕度、風(fēng)速等復(fù)雜多變，且存在較多微氣候。另一方面，重冰區(qū)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(shè)計造成諸多不便；②覆冰荷載大。導(dǎo)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(shè)計的主要控制荷載。例如20mm覆冰情況下，單導(dǎo)線垂直荷載及縱向張力分別為正常大風(fēng)工況下的約3.0倍和5.7倍（400導(dǎo)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(fù)雜；④安全性要求高。重冰區(qū)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(qū)的鐵塔安全性提出了更高的要求。

2 重冰區(qū)鐵塔設(shè)計原則

對于重冰區(qū)鐵塔的設(shè)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(gòu)件的增重，全方位進行設(shè)計，才能保證桿塔的安全。依據(jù)《重覆冰架空輸電線路設(shè)計技術(shù)規(guī)程》（DL/T 5440-2009）及以往設(shè)計經(jīng)驗，對重冰區(qū)桿塔設(shè)計與優(yōu)化基本原則如下：①重覆冰線路宜采用導(dǎo)線對稱排列的桿塔，且塔身斷面為正方形；②導(dǎo)地線及絕緣子覆冰后計入風(fēng)荷載增大系數(shù)，數(shù)值按《重覆冰架空輸電線路設(shè)計技術(shù)規(guī)程》（DL/T 5440-2009）?。虎鄹黝悧U塔均應(yīng)按線路的正常運行情況（包括基本風(fēng)速、設(shè)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(qū)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(dǎo)、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(yīng)計入構(gòu)件覆冰對桿塔構(gòu)件的影響。即對有冰的工況下，需考慮桿塔構(gòu)件在覆冰情況下的自重增大；⑤結(jié)構(gòu)形式簡潔，傳力線路清晰，構(gòu)件布置合理，充分發(fā)揮構(gòu)件的承載能力。結(jié)構(gòu)構(gòu)造簡單，節(jié)點處理合理，利于加工安裝和運行安全；⑥構(gòu)件選材及分段合理，利于山區(qū)運輸和桿塔組裝；⑦結(jié)構(gòu)布置緊湊，盡量減少線路走廊寬度，節(jié)約有限的土地資源。

3 重冰區(qū)鐵塔設(shè)計要點

根據(jù)以往的設(shè)計經(jīng)驗，重冰區(qū)走廊限制較小，普遍采用單回路設(shè)計，以下對較為廣泛的重冰區(qū)200kV單回輸電線路鐵塔的設(shè)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(yōu)于角鋼塔，但從運輸、加工、組裝上則不如角鋼塔。對重冰區(qū)線路，在受力滿足要求的情況下，應(yīng)優(yōu)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(zhì)而言，主材優(yōu)先采用Q420高強鋼，可進一步降低單根角鋼構(gòu)件的重量，方便運輸和組裝。螺栓選擇方面，由于重冰區(qū)鐵塔構(gòu)件受力大，連接螺栓數(shù)多。采用高強度螺栓可有效減小構(gòu)件端頭連接螺栓的數(shù)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(jié)果也表明，相同條件下，酒杯塔腿主材規(guī)格較小，有利于山區(qū)運輸。通常重冰區(qū)走廊空間不作為主要考慮因素，DL/T 5440-2009規(guī)程也建議重冰區(qū)桿塔導(dǎo)線宜采用水平排列，有利于防止導(dǎo)線脫冰跳躍時過于接近出現(xiàn)閃絡(luò)跳閘等情況。因此重冰區(qū)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(qū)單回耐張塔，國內(nèi)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(zhuǎn)角塔，主要為干字型塔。這種塔型結(jié)構(gòu)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(jīng)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(qū)桿塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計要點

（1）常規(guī)優(yōu)化設(shè)計內(nèi)容。對重冰區(qū)鐵塔而言，常規(guī)情況下鐵塔的優(yōu)化內(nèi)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(dǎo)致的不協(xié)調(diào)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(nèi)部的桿件所在平面內(nèi)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(dǎo)線橫擔(dān)上平面，同樣也按斜材斷開與不斷開進行計算，“強強聯(lián)合”更全面的確保重冰區(qū)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(shè)置位置；⑤節(jié)點構(gòu)造盡可能減小桿件的偏心受力；對酒杯塔塔身K節(jié)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(jié)構(gòu)布置優(yōu)化

圖4 耐張塔橫擔(dān)結(jié)構(gòu)布置優(yōu)化

圖5 塔身開口及坡度優(yōu)化示例

圖6 推薦隔面型式

（2）直線塔邊導(dǎo)線橫擔(dān)布置。按《重覆冰架空輸電線路設(shè)計技術(shù)規(guī)程》第12.0.8條：垂直檔距系數(shù)（垂直檔距與水平檔距之比）小于0.8的桿塔，應(yīng)按導(dǎo)線、地線脫冰跳躍和不均勻覆冰時產(chǎn)生的上拔力校驗導(dǎo)線橫擔(dān)和地線支架，導(dǎo)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(qū)直線塔按覆冰跳躍時，需計算導(dǎo)地線上拔的情況，邊相導(dǎo)線上平面主材變?yōu)槭軌簵U件。此時單橫桿斜才的布置方式無法為橫擔(dān)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(fù)雜，重量也有所增加，但該型式的橫擔(dān)具有良好的抗彎和抗扭剛度，能夠保證重冰區(qū)線路在發(fā)生覆冰跳躍時橫擔(dān)的安全可靠性，如圖7、圖8所示。

圖7 常規(guī)橫擔(dān)布置型式

圖8 重冰區(qū)推薦橫擔(dān)布置型式

（3）耐張塔掛線點布置。根據(jù)重冰區(qū)特點，耐張塔中掛點可設(shè)計兩處，根據(jù)轉(zhuǎn)角度的不同，選擇不同的導(dǎo)

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(shè)計，必要時一側(cè)邊導(dǎo)線跳線可以上繞設(shè)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(shè)計至同一水平，雖然地線及橫擔(dān)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(qū)塔型的導(dǎo)地線舞動、脫冰跳躍的問題，確保了結(jié)構(gòu)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(qū)鐵塔因構(gòu)件規(guī)格較大、節(jié)點板較大、連接螺栓較多及節(jié)點構(gòu)造復(fù)雜等因素使得全塔構(gòu)件連接的連續(xù)性、節(jié)點板剛性都強于一般輕中冰區(qū)鐵塔，桿件端部受到較大的嵌固作用，節(jié)點限制桿件間夾角的變化，造成桿件彎曲，由此產(chǎn)生的桿彎矩具有二階效應(yīng)，稱為次彎矩。通常設(shè)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(gòu)件視為二力桿單元，節(jié)點簡化為鉸節(jié)點，按照桁架結(jié)構(gòu)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(shè)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(shè)計的指導(dǎo)和補充是有必要的。

以一種重冰區(qū)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(qū)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(jié)點附近，其次為頸口處的塔身主材，此外塔腿隔面處K節(jié)點的彎矩也較為明顯。非線性計算結(jié)果與以前酒杯塔的相關(guān)研究與試驗結(jié)論一致，因此在桿塔設(shè)計時，對于曲臂K節(jié)點和頸口處應(yīng)根據(jù)經(jīng)驗適當加強，并留有余度，以保證重冰區(qū)桿塔的安全性。

圖11 不均勻覆冰工況彎矩圖

4 結(jié)束語

位于重冰區(qū)的輸電鐵塔，覆冰產(chǎn)生的大荷載是大多數(shù)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(fù)雜。對于重冰區(qū)220kV單回路鐵塔，從結(jié)構(gòu)設(shè)計的角度可從塔頭型式、材質(zhì)選擇、結(jié)構(gòu)布置優(yōu)化等方面把握其設(shè)計要點，除進行常規(guī)優(yōu)化設(shè)計外，要充分考慮重冰區(qū)荷載大且復(fù)雜、事故率高、運維困難的特點。其它各類重冰區(qū)鐵塔設(shè)計時亦應(yīng)在嚴格遵守重覆冰架空輸電線路設(shè)計技術(shù)規(guī)程基礎(chǔ)上，充分結(jié)合受荷特性、沿線自然環(huán)境特點，有針對性的提出增強鐵塔安全性的設(shè)計方案。

[1]重覆冰架空輸電線路設(shè)計技術(shù)規(guī)程[S].DL/T5440—2009.

[2]110kV～750kV架空輸電線路設(shè)計規(guī)范[S].GB50545—2010.

[3架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)定[S].DL/T5154—2012.

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

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

[6]林奇祥,江全才.基于SAP2000軟件的中重冰區(qū)直線塔靜力分析[J].三峽大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)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(jié)構(gòu)設(shè)計。