高壓輸電鐵塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究與應(yīng)用

江西恒能電力工程有限公司 張 松

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，有必要對(duì)塔的施工進(jìn)行改進(jìn)，我們必須做好每一步，從分析了解現(xiàn)代高壓輸電線路塔的設(shè)計(jì)對(duì)塔架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，完成整個(gè)工程。此外，國(guó)內(nèi)外對(duì)電力設(shè)施建設(shè)的關(guān)注也越來(lái)越多，現(xiàn)階段，輸電塔和電網(wǎng)建設(shè)是國(guó)際社會(huì)關(guān)注的問(wèn)題困難，特別是在人口密集地區(qū)，建筑能源結(jié)構(gòu)不僅要影響人們的正常工作和生活，而且要保持一定的距離。因此，在美國(guó)、日本等人口相對(duì)集中的發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)，電網(wǎng)建設(shè)、高壓輸電鐵塔建設(shè)、多回路高壓選擇同一塔的高壓輸電塔。本實(shí)用新型與多回路塔相比，適用于土地資源稀缺的經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)城市和地區(qū)。

1 優(yōu)化塔身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探析與思考

隨著社會(huì)的進(jìn)步，城市能源網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)越來(lái)越受到人們的重視。例如，目前的能源網(wǎng)正在進(jìn)行全面的設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)電網(wǎng)只能在輸電塔之間使用電能，有些輸電塔可以安裝多個(gè)屋頂。從回路的角度來(lái)看，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想是輸電線路的設(shè)計(jì)思想。然而，隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，一些材料具有比傳統(tǒng)材料更先進(jìn)、更高效、更安全的因素。此外，新輸電線路的最大優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、科學(xué)，降低了輸電帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)，提高了輸電的安全性和準(zhǔn)確性。在塔身設(shè)計(jì)過(guò)程中，線路清晰，降低了難度因素，既提高了工程效率，又保證了安全。此外，隨著近年來(lái)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，能源網(wǎng)絡(luò)不再僅僅依靠塔樓傳輸能源，甚至可以利用互聯(lián)網(wǎng)對(duì)能源網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制。現(xiàn)在可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)充電，雖然互聯(lián)網(wǎng)可以提高能源網(wǎng)絡(luò)的效率，但能源網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施也需要塔樓的支持。因此在設(shè)計(jì)塔架結(jié)構(gòu)時(shí)必須充分考慮安全因素、技術(shù)因素、質(zhì)量因素等。此外，塔的設(shè)計(jì)還必須考慮平衡以及抗沖擊能力等因素。此外，塔的設(shè)計(jì)必須符合一定的物理原理和建筑設(shè)計(jì)原則，初步設(shè)計(jì)必須現(xiàn)場(chǎng)勘察，塔的設(shè)計(jì)不應(yīng)只注重對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，也對(duì)建筑材料的選擇[1]。

1.1 有效途徑

斜塔材料的設(shè)計(jì)本文認(rèn)為，減少塔身傾斜材料的主要方法是選擇和測(cè)量能夠抵抗外部荷載彎曲力矩地傾斜材料的長(zhǎng)度。在這種情況下，荷載報(bào)酬對(duì)材料的彎曲功能有影響，即材料與傾斜面之間的角度受塔身結(jié)構(gòu)嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)的約束。在設(shè)計(jì)過(guò)程中必須選擇一些材料，并且必須檢查水平面與塔體之間的特定角度。網(wǎng)絡(luò)管理一般在30度左右。該設(shè)計(jì)的一些缺點(diǎn)是只考慮了一側(cè)的水平腿約束，沒(méi)有充分考慮塔的維護(hù)能力。塔身設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮以下因素：首先，塔的類(lèi)型，在此基礎(chǔ)上必須考慮材料的選擇要求，除準(zhǔn)確計(jì)算塔身長(zhǎng)度外等，最終了解塔的承載力。在塔體斜材布置方法中，無(wú)論是采用雙斜料，還是采用斜截面材料，或采用雙斜分料截面的性質(zhì)，是選擇斜排列的材料為K形，或斜交叉的材料，或足夠的反排列的材料為K形等，同時(shí)，應(yīng)選擇什么樣的位置等。因此，在作出正確的決策之前，所有這些都需要精確的比較，這有助于塔的建造。

1.2 具體方案

為了減少基礎(chǔ)材料和基礎(chǔ)能力的消耗，僅有的500kV單回和大型裝載塔基于大量大型塔架。隨著500kV左右的雙回線在同一桿塔中并聯(lián)，越來(lái)越多的方式將被采用，如塔身大、塔身厚、塔座大等。最近，一個(gè)項(xiàng)目是與一條雙500kV輸電線路在同一個(gè)桿塔中的項(xiàng)目。由于施工材料是公司最弱的，因此航站樓塔身的適當(dāng)材料高度傾斜，造成經(jīng)濟(jì)損失。后來(lái)，增加了隔墻板支撐材料的施工，繼續(xù)研究細(xì)節(jié)，改進(jìn)塔體建筑，這是非常重要的。這種現(xiàn)象在中國(guó)非常普遍，此類(lèi)事故的發(fā)生率相對(duì)較高，因此對(duì)塔架布局提出了最高要求。之后繼續(xù)進(jìn)行細(xì)節(jié)工作，改進(jìn)塔架施工。同時(shí)對(duì)牽引設(shè)備提出了最高要求[2]。

1.3 具體措施

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)傾斜墊保持塔體的平衡，如在節(jié)點(diǎn)板和塔體中間加傾斜墊，可以提高塔體的穩(wěn)定性和強(qiáng)度。不過(guò)，由于它要求一定的水平，設(shè)計(jì)較為麻煩。為了確保節(jié)點(diǎn)不出現(xiàn)扭曲，可選擇單腳鐵，或單腳鋼可緊固在塔體內(nèi)，或雙排螺栓可緊固在塔體內(nèi)，以提高關(guān)鍵材料的加工精度。邊緣方面，如塔身設(shè)計(jì)使用了“雙角截藍(lán)截面”，則可使塔體斜板節(jié)點(diǎn)在同一平面上共同工作。如果鋼箱梁拼裝平臺(tái)的截面形狀為“十”字形，可直接使用普通鋼板的彎曲方式。而如果塔體的主體材和斜材均為鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)上則是十字形的，即既合乎熱力學(xué)原理，又可使整體構(gòu)造更加新穎。有很好的視覺(jué)效果。由中國(guó)人設(shè)計(jì)的500kV雙回路鋼管鐵塔主要是在今年設(shè)計(jì)的，通過(guò)過(guò)載試驗(yàn)和全工況試驗(yàn)，設(shè)計(jì)人員可以選擇供參考。然而，由于鋼管塔的施工成本比其他塔高，可以采用角鋼塔，也可以采用角鋼塔。

2 在國(guó)外的應(yīng)用

在一些歐美發(fā)達(dá)國(guó)家，電力建設(shè)處于世界前列。以德國(guó)為例，該國(guó)能源工業(yè)發(fā)展迅速，電力線路越來(lái)越多，該國(guó)最大的電壓已達(dá)到380V。這主要是由于德國(guó)土地面積小。因此，為了提高土地資源的使用率，有的放矢，高效利用土地資源，國(guó)家規(guī)定，如果必須修建電力走廊，同一塔中的線路必須修建兩條或兩條以上，但德國(guó)的高壓線路基本上是同一塔中的四倍。同一座塔的線路應(yīng)修建四次以上，線路較多。在所有能源建設(shè)中，同一塔中的運(yùn)輸占了很大一部分投資，約占25%。對(duì)日本來(lái)說(shuō)，地面空間越窄，即使在受力條件下，帶塔多回路電力線路的建設(shè)也比較普遍，而電壓在110V以上的線路是帶塔的四倍，同樣，帶塔多回路電力線路的建設(shè)500kV以上高壓線路帶桿塔的情況很少，但實(shí)際施工中經(jīng)常可以看到帶桿塔8回路的線路施工。

3 輸電技術(shù)的應(yīng)用原則

高壓直流輸電建設(shè)已具備了輸電容量大、電壓等級(jí)長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，已步入了特高壓范圍內(nèi)，對(duì)國(guó)家電網(wǎng)的大規(guī)模建設(shè)、安全平穩(wěn)運(yùn)營(yíng)將產(chǎn)生重大的影響，對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的安全平穩(wěn)運(yùn)營(yíng)也提出了更高的技術(shù)要求。工程建設(shè)條款根據(jù)超高壓直流輸電工程建設(shè)，區(qū)別于傳統(tǒng)高壓直流輸電工程建設(shè)的主要特征。

3.1 電力系統(tǒng)規(guī)劃

由于在同一個(gè)塔架上建造多回路塔架的難度以及Institut電力設(shè)計(jì)有限公司的主要管理文本，因此，在施工前和同塔多圈塔架施工過(guò)程中，做好前期勘察工作十分必要，還應(yīng)注意保留較多線路，以便于隨后的地區(qū)網(wǎng)絡(luò)改造，并滿足能源網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展需求。

3.2 現(xiàn)有電網(wǎng)資源

成本是電力部門(mén)和市政部門(mén)必須考慮的關(guān)鍵問(wèn)題之一，以最大限度地節(jié)約成本，提高效率。目前，電網(wǎng)建設(shè)的主要問(wèn)題是年費(fèi)用，同塔多回路塔的電網(wǎng)建設(shè)需要花費(fèi)大量的資金，成本能源投資可以帶來(lái)更高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，需要加以考慮。因此，有必要充分利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)資源，節(jié)約成本，提高效率。在不影響電耗和正常生產(chǎn)生活的前提下提高管道輸送能力，節(jié)約成本。

3.3 城市建設(shè)規(guī)劃

城市發(fā)展和人民生活工作意味著能源供應(yīng)充足，重組和更換能源網(wǎng)絡(luò)不會(huì)影響人們的正常工作和生活。所以隨著城市的快速發(fā)展，輸電必須跟上城市發(fā)展的步伐。因此，在人口稠密、土地資源稀缺的城市中，從同一塔樓上建造多圓塔具有十分重要的意義[3]。

4 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

4.1 鐵塔基礎(chǔ)材料成本費(fèi)用

在供電線路鐵幢的建設(shè)中，一般都必須考慮基礎(chǔ)成本，即除了鐵幢的基礎(chǔ)材料成本，還有電纜、鋼材和混凝土等的應(yīng)用。而塔式選材規(guī)范也多種多樣（三管塔、法蘭連接單管塔、連接單管塔、角鋼塔、桅桿電纜）。因?yàn)殡娋W(wǎng)本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，同一電路下的電網(wǎng)施工成本超過(guò)了傳統(tǒng)電網(wǎng)。也因此，在同一威海市塔山中的多圈結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性更大，需要更多的基礎(chǔ)材料。在通常情況下，同塔高壓鐵塔的施工規(guī)模很大，基礎(chǔ)線路材料成本也超過(guò)了普通的輸電高電壓鐵塔。

4.2 電氣材料成本費(fèi)

本實(shí)用新型涉及一種電鐵塔結(jié)構(gòu)，其電鐵塔結(jié)構(gòu)的材料成本與傳統(tǒng)電鐵塔結(jié)構(gòu)的材料成本相同，鐵塔構(gòu)件采用熱軋鋼板Q345B、Q235B等熱軋材料，鋼板采用Q345、Q235鋼。然而，由于桿塔本身的特殊性，在線路施工過(guò)程中，線路絕緣子是在傳統(tǒng)線路的基礎(chǔ)上使用的。在同一座塔的施工中，電氣材料、電線和通信線路的使用情況基本相同。因此，在電氣材料成本方面，同一塔多回路塔與傳統(tǒng)回路塔的施工成本相同。

4.3 施工費(fèi)用

與傳統(tǒng)的線路相比，電路鐵塔施工難度較大，對(duì)施工隊(duì)伍和施工人員的技術(shù)水平要求也較高，現(xiàn)階段我國(guó)同塔多回線路施工經(jīng)驗(yàn)相對(duì)較少，因此同塔多回線路的造價(jià)也相對(duì)較高。

4.4 征地費(fèi)用

由于線路桿塔的設(shè)計(jì)要求是以占地為基礎(chǔ)的，在土地資源稀缺的地區(qū)使用同一線路桿塔是不可能建成的。人口密集地區(qū)的能源網(wǎng)絡(luò)越來(lái)越多，因此，傳統(tǒng)的塔架線路被同一塔架中的大量電路所取代，這在大型項(xiàng)目中可以看到，同塔多回路的土地購(gòu)置成本要比傳統(tǒng)的線路低。

5 鐵塔設(shè)計(jì)

5.1 鐵塔荷載

鐵塔荷載是指在同一座塔中的多回路塔的功能，包括自然條件、人為因素和能量消耗。設(shè)計(jì)過(guò)程充分考慮了塔樓所在區(qū)域50年內(nèi)不同的自然條件和可能的人為因素。正常情況下，同一桿塔中多條回路的使用壽命至少為50年。在施工過(guò)程中，施工隊(duì)以適當(dāng)?shù)馁Y質(zhì)負(fù)責(zé)施工。

5.2 日常運(yùn)行

在日常電力運(yùn)行中，一般情況下主要分為三種：一種涉及風(fēng)速，不結(jié)冰，不斷線；另一種是相對(duì)風(fēng)速，冰，線不會(huì)斷裂；另一個(gè)是最低溫度，沒(méi)有冰，沒(méi)有風(fēng)，沒(méi)有斷線。

5.3 斷線

輸電線路斷線原因可以分成兩類(lèi)：一類(lèi)為塔吊線斷開(kāi)，環(huán)境溫度約為-5℃，結(jié)冰，若無(wú)風(fēng)影響計(jì)算，在同一輸入線圈中，斷線時(shí)無(wú)導(dǎo)體，地導(dǎo)線連續(xù)，但斷開(kāi)時(shí)無(wú)導(dǎo)體不能破壞它。另一個(gè)張力塔斷線，溫度也是-5℃，無(wú)冰，也無(wú)風(fēng)，在同一個(gè)輸入線圈中，可以切斷了所有的地線圈，連一根也切斷了任何一條。所以，在不同的塔，斷開(kāi)情況也有所不同。

5.4 不均勻荷載

同樣，這兩座塔，懸垂型桿塔和耐張型桿塔在相同的條件下，受力也不同。根據(jù)架空線路，在-5℃時(shí)，隨著覆冰不均勻，風(fēng)速相同，兩側(cè)覆冰計(jì)算不同，第一類(lèi)塔導(dǎo)體縱向不平衡應(yīng)力最大為10%，第二類(lèi)塔導(dǎo)體縱向不平衡應(yīng)力最大為10%；在同一塔的情況下，不平衡張力為使用張力的30%。這說(shuō)明第二類(lèi)塔的非均勻荷載較大。因此，應(yīng)考慮地線間的不平衡應(yīng)力，即塔的最大承載力。

5.5 安裝

懸垂型桿塔安裝和荷載有兩個(gè)主要考慮因素。一是影響電線、地線及相關(guān)物體的負(fù)荷。包括各種鋼絲繩的重量及使用工具，如起重荷載，運(yùn)行時(shí)考慮的動(dòng)模量為1.1；其次，各種鋼絲繩的錨索作業(yè)。在實(shí)踐中，總結(jié)了錨索的豎向受力分量和地面線的重力和附加荷載，即懸點(diǎn)的豎向荷載量，而鋼絲繩的縱向受力而地應(yīng)力和錨索張力是混凝土縱向不平衡應(yīng)力的取值[4]。

耐張型桿塔的安裝主要考慮導(dǎo)線、接地線荷載、錨索、錨索、接地線和耐張導(dǎo)線的安裝。需要注意的是，導(dǎo)線電壓平衡值與標(biāo)準(zhǔn)值相同，按30kN計(jì)算，接地光纖必須滿足5kN標(biāo)準(zhǔn)。

牽引繩與地面之間的夾角通常小于20°。在計(jì)算導(dǎo)體的窄電壓時(shí)，將考慮初始長(zhǎng)度和導(dǎo)體誤差、接地電纜和吸引力等因素。在同一塔四圈能量線的建設(shè)中，必須先修建接地電纜，然后采取進(jìn)一步的施工步驟。

6 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源在我們的日常生活中越來(lái)越重要，電力基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)在我國(guó)顯得越來(lái)越重要。許多問(wèn)題在中國(guó)沒(méi)有得到解決。在投資等方面所占的比例相對(duì)較大，已成為我國(guó)建設(shè)交通干線的關(guān)鍵。輸電塔本身的設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到塔身的新材料，以質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的方式施工，保證不浪費(fèi)資源和成本，它能保持高負(fù)荷能量，使輸電線路的建設(shè)安全、合理、經(jīng)濟(jì)，從而優(yōu)化輸電塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，滿足基本的能源建設(shè)要求。促進(jìn)中國(guó)電力的可持續(xù)運(yùn)行和部分電網(wǎng)的安全運(yùn)行，這關(guān)系到中國(guó)電力的發(fā)展和人民生活的舒適，因此輸電塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和應(yīng)用對(duì)我國(guó)未來(lái)的能源消費(fèi)具有重要意義。