淺析架空輸電線路結構設計

郭昌華

【摘 要】電網是重要的基礎設施，是國家能源的重要組成部分，輸電線路設計應從保障能源安全、優化能源結構出發，大力推行兩型三新（資源節約型、環境友好型，新技術、新材料、新工藝）的設計理念，實現輸電線路安全可靠和可持續發展。本文通過簡析輸電線路結構設計特點，優化桿塔設計，積極推廣新技術、新材料、新工藝的應用，節約用地，控制造價，提高輸電線路工程技術經濟性。

【關鍵詞】輸電線路；結構設計；技術經濟性；

1、架空輸電線路的結構設計要求

架空輸電線路由導線、地線、絕緣子、金具、桿塔、基礎等部分組成，其中桿塔和基礎是影響工程造價的主要因素，因此對輸電線路結構設計提出了如下要求：

（1）提高輸電線路的可靠性；

（2）提高線路通道的利用率，節約建設用地；

（3）保護生態環境，減少植被破壞及水土流失；

（4）節約材料，降低工程造價；

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 內外大多采用熱扎等肢角鋼制造，螺栓組裝的空間桁架結構，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、轉角鐵塔和終端鐵塔，轉角鐵塔轉角分級一般采用20度為一級，終端鐵塔使用角度可用于0度至90度范圍內。輸電線路桿塔受力計算包括桿塔自身應力計算及基礎作用力計算等。

1.2輸電線路桿塔基礎

鋼筋混凝土電桿常用的基礎型式有底盤及拉線盤，通常采用預制方式；鐵塔基礎通常采用鋼筋混凝土現澆方式，常用的基礎型式有板式基礎、原狀土掏挖基礎、人工挖孔樁基礎、灌注樁基礎及巖石基礎等。輸電線路的基礎設計應該結合地形、地質情況，鐵塔基礎作用力、施工安全、方便、效率等選擇最優方案。桿塔基礎受力計算包括基礎本身承載力計算、上拔穩定計算、基礎下壓計算、地基計算、鋼筋混凝土電桿傾覆穩定計算等。

1.3 輸電線路導線

輸電線路中導線材料通常是導電性能較為優良的金屬材料，確保通流的密度適中，導線需要依照項目輸送容量要求進行截面選取，控制電暈放電問題的發生，導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線提升輸送的容量，為了避免架空輸電線路因感應過電壓以及雷擊過電壓造成的破壞，通常在導線上端設計避雷線等裝置，針對關鍵性輸電線路，一般要求安裝兩根避雷線，且需要增大地線保護角。有光纜通訊要求可采用光纜兼避雷線。對架空輸電線路進行設計之時，需要對線路路徑走廊、周圍自然條件、氣候環境的影響進行綜合考慮。

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鍵構件，絕緣子的主要功能是在承受一定荷載以及過電壓的基礎上，對導線進行支撐，使導線與桿塔之間絕緣。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量決定的，現今高壓架空線路絕緣子主要包含，有機復合型絕緣子、玻璃絕緣子以及懸型盤式絕緣子。高壓架空線路設計過程中，需要重視絕緣子抗劣化、抗腐蝕、電氣強度以及機械荷載的性能符合相關標準。

2、架空輸電線路桿塔結構優化

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。各類桿塔均應計算線路正常運行情況、斷線情況、不均勻覆冰情況和安裝情況下的荷載組合，必要時應驗算地震等罕見情況。

2.2桿塔結構設計的方法與原則

桿塔結構設計原則為：

（1）保證桿塔強度、剛度、穩定性以及可靠性。

（2）線路構件布置的合理性、結構的簡潔性、傳力路線的清晰、簡短與直接。

（3）減少桿塔鋼材的耗量，確保桿塔造價的合理性。

桿塔結構的設計方法：

（1）桿塔結構分析以及力學模型、承載力運算、桿端的節點結構計算等的研究分析。

（2）研究模型選取、鐵塔節間、坡度以及塔頭種類的優化布局。

現今，通常依照鉸接型空間桁架對桿塔進行設計，假設節點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，依據平衡條件以及變形協調對桿塔變形與內力進行分析并依照受力以及穩定性條件對桿塔材料進行選取。

2.3 桿塔的結構優化手段

（1）依照高度的差異進行桿塔設計。由于海拔高度差異會對電氣間隙大小產生影響，進而桿塔外形尺寸受到影響，桿塔耗鋼量就會增高。高海拔區域必須依照海拔高度根據300米-500米的高度差劃分出不同等級。

（2）改良直線鐵塔掛線形式，減少塔頭的尺寸。進行鐵塔設計之時，直線塔要采取不同絕緣子串進行懸掛，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受到影響。依照過去的項目經驗，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，進而使鐵塔耗鋼量減少。其次V 串使用需要依照導線、塔型以及氣象條件的差異通過鐵塔的計算進行對比論證。

（3）鐵塔的根開尺寸以及塔身坡度的優化。塔身的坡度與根開選取會對鐵塔的重量與美觀性產生很大影響，而且會對塔身的主材與斜材規格、基礎作用力有直接影響。合理塔身坡度需要確保塔材的應力分布變化和材料規格變化互相均衡協調，確保均勻受力。塔身的坡度與根開的優化是以鐵塔重量看做目標函數，再與構件的受力性能和基礎作用力進行綜合分析，挑選出最佳的根開以及坡度。

（4）鐵塔曲臂K節點優化。單回路的鐵塔要采取的是直曲臂，曲臂的材料受力比較簡單，K節點的受力較好，結構簡單，然而受到直曲臂影響，依照間隙圓進行塔窗布置時會受到制約，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，依照間隙圓進行塔窗布置時比較靈活，塔頭的尺寸很小，且塔重比較經濟。

（5）節點優化。節點構造屬于設計過程的關鍵內容，依照鐵塔的真型實驗統計，線路節點的構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。依靠節點優化盡可能確保實際的塔型和計算的模式相一致，且確保節點符合構造標準的基礎下盡可能簡化，防止出現次應力，同時使塔重減少。節點設計要遵循以下原則。

（a）防止連接桿件的夾角太小，要控制桿件負端距。

（b）節點的連接必須緊湊，保證符合剛度要求基礎上降低節點板的面積。

（c）有效控制桿件的偏心連接，防止節點板彎曲。

（d）針對兩面型連接桿件要防止對孔布置，降低桿件的斷面損失。

（e）控制包角鋼的連接數量，進而為減輕桿塔的質量創造有利條件。

（f）針對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行連接。

（6）山區線路的鐵塔要采取全方位的長短腿形式。全方位長短腿與高低基礎進行配合使用，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現環境保護。

3、輸電線路桿塔中的高強度鋼材運用

過去線路設計之中，我國一般采取Q235以及Q345型鋼材，Q235與Q345的穩定性好、強度較高，離散性較低，缺陷在于屈服的強度較低，控制鐵塔耗鋼中的關鍵手段就是采取高強鋼材。

輸電線路鐵塔采取什么樣的強度級別鋼材主要由構件受力特性以及構件長細比來決定，鐵塔結構中大多數構件的受壓比較穩定，而高強鋼的強度會增加很多，然而穩定系數與Q345 比較折減更快。

受壓的穩定性影響因素為構件長細比，依照鋼結構計算方法標準，以L160×16為例分別比較分析高強鋼中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格要高出10%左右，采取Q390型角鋼在理論上可以增強鋼材大約13%強度，但是實際情況由于角鋼的規格最多能增強10%，這對整體的項目經濟性來說沒有較大意義，所以實際項目基本上不會采取Q390型角鋼。針對Q420以及Q460 型角鋼構件的長細比不超過40的時候，構件是由強度來控制的，角鋼的承載力提升20%～30%左右，這就可以使角鋼的規格有效降低，Q460型角鋼的優勢非常明顯。構件的長細比處于40-80范圍之內，構件是由穩定來控制，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，角鋼的規格能夠有所降低。構件的長細比超過80之時構件徹底由穩定進行控制，而這時選取高強角鋼沒有很大價值，所以不建議采取Q420以及Q460型高強鋼。

結束語

結束語與本文章的主要內容關聯性不強。

目前架空輸電線路持續增多，所以必須掌握好架空高壓線路的結構設計要求。并對架空輸電線路的桿塔結構進行優化，采用最合理的鋼材。保證高壓架空輸電線路設計更加完善，確保電網運行的安全性與穩定性。

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[5]110kV～750kV架空輸電線路設計規范 GB 50545-2010

（作者單位：四川省西點電力設計有限公司）