1、关于输电铁塔结构优化设计的研究摘要：随着国民经济的持续发展，能源需求日益增长，伴随着输电线路工程的大量建设，输电铁塔的优化设计工作也逐渐成了工程界非常关心的问题。当前，我国对输电铁塔结构优化设计的研究及应用非常少，因此，对输电铁塔的优化设计研究显得尤其重要。本文通过输电铁塔结构优化设计的基本原理、原则及优化方法等三个方面对输电铁塔结构优化设计进行研究，为工程设计者提供了重要的技术参考。 关键词：输电铁塔；结构优化设计 中图分类号：TN823+.12 文献标识码：A 文章编号： 1.输电线路铁塔结构设计的基本原理及要求 1.1 详尽调查沿线工程地质、水文及气象条件 为使输电线路铁塔结构设计能获得
2、较精确的沿线气象条件，应根据规程规范及当地气象资料，经计算取得 10m 高度处，3050 年一遇的 10分钟平均最大风速、极端最低气温、历年平均气温、历年平均雷暴日数，是否重冰区、稀有覆冰等条件进行验算。并对沿线既有输电线路、OPGW通信光缆的运行经验及自然灾害等资料进行分析，即可获得线路的气象条件。为获得准确的线路地质资料，设计单位可会同线路所在地区的地质勘探部门，对沿线现场钻孔取得土质和水样资料，并通过试验确定地质水文特性。 1.2 优选杆塔定位原则 杆塔定位应依据110750kV 架空输电线路设计规范中有关规定和具体工程所采用的各种杆塔设计条件进行。线路通过果园、经济作物林区时，不砍伐通
3、道，对个别垂直距离不满足要求的进行剪枝、削顶，甚至砍伐。对零星分布的树木及受地形、杆塔限制难以跨越的地方则采取砍伐处理，如须砍伐防护通道，按照线路宽度加林区主要树种高度的2 倍进行。 1.3 杆塔选型优化设计 在杆塔选型时，根据导地线型号及气象资料，按照安全可靠、经济合理、维护方便和环保要求选择合理的塔型；山区杆塔应依据地形特点，配置不等高基础，采用全方位长短腿结构形式；平地和丘陵等运输与施工方便地段，宜采用拉线杆塔和钢筋混凝土杆；在走廊清理费用比较高及走廊较狭窄的地带，宜采用导线三角形排列或垂直的杆塔，并考虑 V型、V 型、Y 型和 L 型的绝缘子串，在满足安全性和经济性的基础上减少线路走廊
4、宽度。 2.输电线路铁塔结构设计的基本原则 作为我国电力供应系统的关键组成部分，输电铁塔广泛分布于我国各地区的电力输送系统中，在保障我国电力输送稳定与安全方面发挥着重要作用，是保障我国电力系统安全供电的基础和前提。为保证设计方案的科学和合理，设计人员在对输电铁塔结构进行设计的过程中，要严格遵守相关规章原则进行。 2.1 绝缘配置 对输电线路进行绝缘配置就是要对铁塔上各档距之间所存在的各种放电途径进行绝缘设置，以确保输电线路在雷电过电压、操作过电压以及工频电压等条件下的安全可靠运行。由于多回输电线路具有停电检修困难等特殊性，在设计过程中要使绝缘子的清扫周期延长，以减少维护工作量。在通道紧张地区通
5、常多采用同塔多回路结构，以 V 型串对垂悬串进行布置。采用同塔多回路既能有效节约输电线路走廊，使铁塔在大风情况下避免闪络，还能使相同绝缘子的耐污电压较 I 型串电压高出 20%以上。多回路导线间的距离要在满足规范计算公式的前提下，根据导线布置的特殊情形在同侧横担上对不同回路间的导线进行相邻布置，并且将水平距离增加 0.5 米。 2.2 防雷特性 在输电输电线路设计手册中，用 N=rhT，h=hg-2f/3 来计算输电线路被雷击中的次数，在上式中，地面落雷的密度用 r 表示，避雷线的平均高度用 h 表示，年雷暴日数用 T 表示，避雷线悬挂点的高度用 hg 表示，避雷线弧垂用 f 表示。通过公式可
6、以看出，随着地线平均高度的增加，输电线路被雷击中的次数也逐渐增多。以 500kV 同塔四回路导线为例，由于其平均高度较单回路高出 50 米，较双回路高出 30 米，使得其实际被雷击的次数较单回路增加 2.12.5 倍，较双回路增加 0.61.0 倍。就绕击而言，在地线保护角相同的情况下，塔高每增加 20 米，绕击率就会增加一倍。至于反击，铁塔的电感和波阻会随着同塔多回路塔高的增加而增大，铁塔遭受雷击后的反射波从塔顶传播至接地装置再反射回塔顶的时间就会增加，导致较大的电位升高值，从而引起较单回路、双回路较高的绝缘闪络跳闸率。 2.3 塔身和基础 由于同塔多回路铁塔的塔身风压及外部荷载较单回路输电
7、线路高，在很大程度上增加了铁塔的自身重量及基础作用力。因此，可以将大跨越工程中重要工程与重要系数相乘的做法引入到对多回路铁塔结构的设计中，进而适当增强多回路铁塔结构设计的安全系数。对于大截面导线的多回路铁塔（500kV 或 220kV） ，可以通过采用钢管桁架结构对塔身风压及材料的体形系数进行适当降低，还可以选用高强度钢材运用于跨越塔等特殊塔形设计。受大量导地线的影响，多回路铁塔的设计会较多地受到安装工况的限制，因此，在设计过程中可以通过采用合理的施工手段，适当限制作业工序，还可以适度增大临时拉线的张力以有效降低塔重。在对同塔多回路铁塔进行结构设计的过程中，应严格遵守安全可靠的原则。 3.铁塔
8、优化设计分析 3.1 取用合理的档距 单基杆塔的重量及每公里杆塔数量决定了每公里的塔重。单基塔重与杆塔基础成反比。为了获得最优单位公里塔重指标，可以首先对杆塔档距与经济指标进行优化计算，在结合勘测定位经验的基础上综合考虑排位等因素对杆塔的水平、垂直档距进行确定。 3.2 合理的角钢规格 在设计过程中，塔重还受到材料规格的影响，结合当前我国国内角钢生产情况及角钢截面特性，通常选用宽肢薄臂角钢作为稳定控制的构件，选用厚壁角钢对强度或孔壁挤压进行控制，既要保证杆件足够大的刚度，又要保持尽量小的挡风面积。在进行稳定控制时，选用宽肢薄臂角钢要比选用厚壁具有更好的稳定承载力和重量轻度；而进行强度控制时，则
9、应优先考虑肢厚的杆件。 3.3 合理的布材 3.3.1 塔身主材分段：由于主材具有较大的长度和较少的接头，可以有效降低塔重，而各主材段之间的应力差异较大，过多的上部主材容易造成浪费。因此，尽可能保持各节间主材应力相近。对塔身主材进行分段需要对腹杆及各节间的长度进行综合优化，在设计过程中，应根据具体的塔形按照等差级数进行优化设计。通常来说，节间距应与塔杆的外负荷成正比。为了方便制图、加工和放样，在设计的过程中对于直线铁塔一般取 1.2 米左右的节间长度，而对于耐张线路铁塔则按 1.5 米左右进行节间布置。此外，受塔身分段、外形尺寸、接腿等因素以及节间长度和腹杆布置等因素的影响，铁塔主材稳定性及强
10、度很难同时达到最优。通常以主材稳定性及强度承载力同时最大化时的节间长度为拟定参考值对主材的节间长度、杆件布置等进行优化，以进一步降低塔重。 3.3.2 塔身斜材布置：塔身斜材的布置直接受到塔身主材各节间长度及辅助材料布置形式的影响，斜材承载力大小取决于斜材的水平倾角。过小的倾角使得斜材布置过密，而直接影响材料性能的发挥，而倾角过大又会使得杆件选材规格加大，使得材料的重量和长度增加。通过对各种塔形斜材说倾角的优化计算，最终确定 4050为最佳夹角。在宽基塔及大跨越铁塔设计中需要用到大量的 K 型结构。在直线塔设计中，上部较窄部分较多用到小交叉布置方式，用较多的节点板和较少的辅助材，而下部较宽部位则主要采用节点少、结构简单但辅助材较多的大交叉布置方式，以实现主材各部位受力的最优化。 4.结语 随着输电新技术及特高压电网在我国的建设和应用，输电线路铁塔设计面临越来越多的挑战，在今后的铁塔结构设计中，要不断沿着经济合理、安全可靠的目标和方向发展。 参考文献： 1罗希.高压输电线路设计与施工技术探析J.中国集体经济，2011， （22）. 2赵静.超高压输电塔架结构控制内力分析D.重庆大学，2007. 3李庆林.特高压输电线路铁塔组立抱杆的方案选择J.电力建设，2007， （3）. 作者简介：程浩（1986-） ，男，硕士，二级注册结构工程师，从事高压输电线路设计工作。
