輸電線路鐵塔的選型設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

劉 曉,李恒蔚

（國網(wǎng)山東青州市供電公司,山東 濰坊 262500）

0 前言

當(dāng)前我國電網(wǎng)建設(shè)由于受經(jīng)濟(jì)發(fā)展與地理環(huán)境的影響，呈現(xiàn)出長距離、大規(guī)模、高等級等主要特點(diǎn)。目前我國的特高壓工程與日俱增，在技術(shù)方面取得的成果也非常喜人，但與發(fā)達(dá)國家相比，我國輸電線路鐵塔在設(shè)計(jì)過程中的理念與技術(shù)還存在一些問題。因此，需要研究其選型設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以節(jié)約輸電成本、提升輸電質(zhì)量。

1 選型設(shè)計(jì)

本文針對青州110kV的輸電線路鐵塔的經(jīng)典選型進(jìn)行研究。針對110kV輸電線路的主要特征，加之青州地區(qū)的線路走廊情況，選擇了兩種主要塔型，分別為單回路與雙回路；在導(dǎo)線方面選用的是鋼芯鋁絞線，型號為單根LGJ-300/40；地線方面選用的是鋁包鋼絞線，型號為JLB-100[1]。由于青州地區(qū)地形復(fù)雜，氣候多樣，想要在所有地區(qū)內(nèi)運(yùn)用典型塔型，其選型相對復(fù)雜，從氣象角度看，在塔型設(shè)計(jì)過程中，風(fēng)速與冰厚是對鐵塔影響最大的兩個(gè)方面，青州地區(qū)的最大風(fēng)速為每秒27米，最大覆冰厚度為地線支架10毫米，導(dǎo)線5毫米。

在單回路直線塔中，選擇的是貓頭塔，直線塔角度為0°ZMl-15.0m；單回路轉(zhuǎn)角塔中選擇的是干字型塔，從經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)角的角度看可分為四級，分別為耐張塔0°—20°Jl-15.0m；20°—40°J2-15.0m；40°—60°J3-15.0m；60°—90°J4-15.0m。

在雙回路直線塔中，選擇的是鼓型塔，直線塔角度為0°SZl-15.0m，從經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)角的角度可分為四級，分別為耐張塔0°—20°SJl-15.0m；20°—40°SJ2-15.0m；40°—60°SJ3-15.0m；60°—90°SJ4-15.0m。以上經(jīng)典塔型已經(jīng)經(jīng)過多年實(shí)踐，直線塔可以在很大程度上節(jié)約路徑走廊，耐張塔按照角度進(jìn)行四段劃分，與傳統(tǒng)的三段劃分相比，更加精細(xì)，對保證整個(gè)工程的經(jīng)濟(jì)性有很大作用[2]。

在對輸電線路鐵塔進(jìn)行選型設(shè)計(jì)的過程中，還需要注意氣象條件，主要根據(jù)以下數(shù)據(jù)進(jìn)行選取：最高氣溫40℃，風(fēng)速0m/s；最低氣溫-20℃，風(fēng)速0m/s；覆冰氣溫-5℃，風(fēng)速10m/s，厚度5mm；基本風(fēng)速氣溫-5℃，風(fēng)速25m/s；安裝情況氣溫-10℃，風(fēng)速10m/s；年平均氣溫10℃，風(fēng)速0m/s；雷電過電壓氣溫15℃，風(fēng)速10m/s；操作過電壓10℃，風(fēng)速15m/s；帶電作業(yè)氣溫15℃，風(fēng)速10m/s。

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在鐵塔的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，現(xiàn)階段主要有全概率設(shè)計(jì)法、概率理論設(shè)計(jì)法以及半概率半經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法三種。結(jié)構(gòu)可靠度是結(jié)構(gòu)可靠性的重要指標(biāo)，屬于定量描述，國際上用可靠指標(biāo)β來表示，其計(jì)算公式如下：

我國在輸電線路結(jié)構(gòu)過程中，無論是設(shè)計(jì)參數(shù)還是設(shè)計(jì)方法，都符合同一時(shí)期內(nèi)的民用與工業(yè)建筑，因此，行業(yè)特點(diǎn)在鐵塔結(jié)構(gòu)中表現(xiàn)得不太明顯。從某個(gè)角度上說，建筑行業(yè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在很大程度上上影響著桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[3]。當(dāng)前我國鐵塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要依托于概率理論設(shè)計(jì)法，其中包含了承載力與正常使用的兩種極限狀態(tài)。在對鐵塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，還常常會受到施工環(huán)境的影響，要對持久狀態(tài)、短暫狀態(tài)以及偶然狀態(tài)進(jìn)行分別考慮，都要進(jìn)行承載力極限狀態(tài)的測評，針對于持久狀態(tài)，還需要對正常使用狀態(tài)進(jìn)行驗(yàn)證，而短暫狀態(tài)可以以正常使用狀態(tài)為依托完成設(shè)計(jì)。

結(jié)構(gòu)內(nèi)力的計(jì)算需要綜合結(jié)構(gòu)、理論以及材料三種力學(xué)，所以，鐵塔結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以被理想簡化，成為空間靜定塔架[4]。這種結(jié)構(gòu)的連接方式是直桿貫穿，其計(jì)算主要運(yùn)用的是截面法與結(jié)點(diǎn)法，兩者的有效結(jié)合能夠?qū)⒚總€(gè)桿件的內(nèi)力計(jì)算出來。

經(jīng)過計(jì)算，得出優(yōu)化以后的數(shù)據(jù)如下表：

表1 典型鐵塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

本文主要從輸電線路鐵塔的選型設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化兩方面論述，并擁有充足的理論與數(shù)據(jù)支撐，隨著社會對電力需求的逐漸增大，輸電線路的壓力也日益增加，想要確保電力輸送的充足，就需要對鐵塔的選型進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，并對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

[1]韓軍科,胡曉光,黨會學(xué)等.考慮主材節(jié)點(diǎn)剛域影響的鋼管輸電塔變截面梁單元有限元模型[J].工程力學(xué),2013,15(09):222-223.

[2]蔣代軍,劉德仁,夏瓊等.青藏鐵路多年凍土地基輸電塔熱棒樁基穩(wěn)定性試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2014,14(07):125-126.

[3]劉瑋婧,龔正洪,鄭偉偉等.高新技術(shù)在輸電線路鐵塔中的集成與應(yīng)用[J].中小企業(yè)管理與科技(上旬刊),2010,06(11):176-178.

[4]郭菁菁,王少剛,吳林峰等.大跨度桁架式開溝機(jī)三維虛擬設(shè)計(jì)及運(yùn)動仿真[J].技術(shù)與市場,2011,13(14):257-258.