輸電線路鐵塔結構設計優化探討

柳文旭 沈陽電能建設集團有限公司聯發設計分公司

我國電力工程的主要任務是進行電能的生產與運輸，因此輸電線的效率將直接影響工程的質量。電能是一種較為危險的能源物質，在對其運輸的過程中要注意保證安全性。一般情況下，輸電線路處于較高的位置，在進行設計時，需要考慮穩定性，大跨越鐵塔結構就是一種較為常見的支撐結構，在輸電線路中有著較好的應用。在工程設計過程中，要根據現實情況對這一結構進行簡單調整，使其在發揮作用的同時，降低所需成本。

一、我國輸電線路鐵塔結構設計的現狀

我國上百年來都是應用鐵塔架空電線來輸送電能，而且隨著我國經濟的增長，人們對電能的需求量也開始增加，相應的，這就促使著電容量也需要增加。但是受我國地域寬廣的影響，我國使用的電源地點呈分散型特點，很多電量需要依靠電線來實現傳輸，因此鐵塔就隨之應運而生。正是我國這種地域寬廣的特色，在鐵塔的設計過程中，需要考慮到一條完整的線路，需要經過特別負責的實際狀況，才能實現傳輸，也就是說，設計過程中，一定要考慮到地形、氣候以及電壓等級等帶來的影響，因此這就給設計人員帶來了挑戰。其需要對當地的情況進行實地考察，根據考察的實際情況來設計出符合當地特點的輸電線路，以此來實現電路的傳輸。

二、輸電線路鐵塔結構設計優化

（一）桿件布置合理

在開始進行桿件布置之前，要與電氣專業密切配合，領會電氣的設計意圖。在滿足電氣要求的前提下，桿件布置力求做到主材傳力清晰，構造力求簡單，桿件準線盡可能交于一點，減少偏心。平面內同一節點處的兩主材夾角要滿足170 以上，以避免整體失穩。受壓主材的長細比盡量控制在50-70 之間。對于酒杯型、貓頭型鐵塔的上、下曲臂的內側主材，根據有關資料和試驗，應盡量使用雙組合主材，減小連接過程中引起的偏心力，受力較大的桿件選用雙角鋼后，螺栓由單剪變為雙剪，減少了螺栓數量，減小節點板盡寸，還減小了風荷載的作用力。合理設置斜材、輔助材，使主材、斜材“物盡其用”，使一根主材中，各段同時達到或靠近滿應力。斜材、輔助材與主材之間的夾角不得小于150，達到減小斜材受力，達到支撐主材的目的。在單斜材的析架中，斜材的設置應使長的桿件受拉控制，短的桿件受壓控制，還應作單、雙斜材的經濟比較。合理選擇塔身的坡度，使塔身準線的交點盡量靠近外力（導、地線負荷及風荷載）的重心，這樣塔身主材受力合理，斜材受力最小。根據塔腳彎矩的作用力及擬選用的主材規格，來選用合理的塔腳根開和塔頂寬度，大根開的塔身盡量采用大交叉的斜材型式，主材可分5—6 格。使用K 型腹桿時，采用內置撐桿的V 形式。整個鐵塔，力求減少變坡次數，使變形均勻，減少突變。

（二）鐵塔塔頭的優化設計

鼓形是過往500kV 雙回路線路的常規布置形式，采用該種形式布設塔頭有形式較為簡易、傳力直接且明確等特征，以垂直形式排列導線，塔頭偏高，若對跨越指標提出要求時，為符合電氣對地間距標準，就要提高整塔高程，造成塔身、上層導地線均形成較大的風荷載，不僅增加鐵塔建設期間材料的消耗量，還會產出較高的基礎作用力。雙層橫擔的V 串塔型也是布設鐵塔的常用方法之一，塔頭布置形式以三角形為主。對鼓型、雙層橫擔兩種布塔形式進行分析，并結合參照已投運的輸電線路工程中較成熟的設計成果，發現以上兩種布設方式各自均存在一定優勢及不足。鼓型塔布設流程相對簡潔、傳力直接清晰、走廊相對較窄小。V 串雙層橫擔塔布設實踐中，利用以三角形式排列導線，該種形式能使塔高大概有10m 的降幅，和鼓形塔相比較塔材用量減少量大概為10%，并且其基礎作用力減少率也高于12%，建設期間能取得較好的經濟效益。500kV 線路建設期間通常不會對走廊寬窄度提出較嚴格要求，而對高跨指標作出一定約束，故而本項目建設期間采用由兩層橫擔的V 串塔型進行設計，能明顯降低工程造價。

（三）鐵塔塔身坡度優化

對有相同斜材形式的鐵塔身部而言，能夠對其主材和斜材產生直接作用的是塔身坡度的變化。坡度是由塔身高度、塔身瓶口寬度和塔腳根開這三個獨立的變量確定的，即為（塔腳根開－塔身瓶口寬度）/塔身高度。當塔頭形式和呼高確定后，塔身就是一定值，這時塔身坡度就由塔身瓶口寬度和塔腳根開來確定。塔腳根開與塔身瓶口寬度的差值越大，塔身坡度越大；塔腳根開與瓶口寬度的差值越小，相應的塔身坡度越小。在塔身變坡處寬度一定的情況下，塔身坡度的優化實際上就是鐵塔根開的優化，鐵塔根開的大小會控制塔身主材，進而影響整基塔的重量，同時還會對基礎作用力的大小產生較大的影響。塔身坡度越小，鐵塔斜材越短。同時，斜材受力也越小，斜材重量將會減輕，但鐵塔主材內力將加大，主材規格就越大，根據計算，鐵塔主材一般要占整個塔重的40%左右，主材的大小對塔重的影響最大，因此，坡度越小塔重反而會增加。反之，塔身坡度越大，根開就越大，塔身主材內力就越小，主材規格就相應減小，但此時，鐵塔斜材長度會增長，內力隨之而增大，斜材規格將會急劇增加，斜材基本受長細比控制，很明顯，也是不經濟合理的。塔身坡度、鐵塔整體的安全穩定以及鐵塔重量，三者是相輔相成的，不斷變化的，需要反復設計計算，找到三者的契合點。其中，塔身瓶口寬度尺寸一般來說可調節范圍較小，但是其甚至影響到整個鐵塔的剛度、塔頭的穩定性和全塔的重量。

三、結語

隨著我國電力行業的發展，輸電鐵塔在整個輸電系統中發揮著非常重要的支撐作用。但是由于我國地域特點，輸電鐵塔結構的設計具有非常大的挑戰性，因此在設計過程中，必須要應用合適的材料，合理地選擇鐵塔型式，優化鐵塔設計，合理地布置鋼材，這樣才能保證整個輸電系統的安全。未來輸電線路鐵塔結構的設計還需要不斷的完善，以此來提高對抗外界給其帶來的破壞，保證輸電線路的穩定性。