大风区特高压直线铁塔优化设计

大风区特高压直线铁塔优化设计

曹岳1李宁1张卓群1

（1.国核电力规划设计研究院有限公司北京100095）

摘要：近年来，我国电网建设发展迅速，特高压输电技术大幅提高，线路设计条件也越发困难。为了设计出既安全可靠，又经济合理的输电铁塔，优化铁塔横担长度、串型经济比选逐渐成为铁塔优化设计的重要环节。本文重点的探讨了大风区特高压直流输电铁塔的串型选择与横担长度的关系，并通过力学计算和经济比选对大风区铁塔横担进行优化设计。通过I串、V串和3串比选表明：大风区铁塔宜采用V串形式，其经济性和安全性更好。

关键词：特高压；输电铁塔；横担；悬垂绝缘子串

一、引言

输电线路作为高负荷电能的输送载体，是一种应用广泛的重要生命线工程。近年来，我国特高压事业发展迅速，越来越多的输电铁塔需要穿越大风区、重冰区和高烈度区等，导致输电铁塔的安全性和经济性都备受关注。随着人们对电力需求的不断加大，一旦电力系统发生故障或破坏就会造成极大的经济损失和社会影响[1-2]。因此，结构优化设计已不仅仅是要求输电铁塔结构自身耗材最少，而是还应该考虑到整塔的力学强度、疲劳寿命、稳定特性、可靠度指标，以及材料的标准化、施工的难易性、功能的多用性、后期运行维护，甚至是结构整体的美观等诸多问题的综合性课题。近年来，国内外自然灾害频繁发生，给人们的正常生产、生活带来诸多不便，也使得各国经济蒙受了巨大的损失，特别是风荷载[3-4]。因此，对于大风区输电铁塔的设计不仅要考虑结构的经济性，同时更要注重结构的安全性。

二、工程模型

2.1工程简介

昌吉-古泉（准东-华东）±1100kV特高压直流工程是目前世界上电压等级最高、输送容量最大、输送距离最远、技术水平最先进的特高压输电工程。工程起于新疆准东（昌吉）换流站，止于安徽皖南（古泉）换流站，途经新疆、甘肃、宁夏、陕西、河南、安徽六省区，线路路径总长度约3304.7千米。依据规划的输送功率，该工程不仅能点亮4亿盏30瓦的电灯，而且将实现大范围内资源优化配置，落实大气污染防治行动计划，符合国家“西电东送”总体战略。大风区线路需要翻越新疆天山山脉，且途径百里风区，最大设计风速43m/s。

2.2铁塔串型

为了满足大风区铁塔间隙校验的安全性，大风区铁塔悬垂绝缘子串型主要分为：I串、V串与V+中吊串型式（以下简称3串），三种构造形式，如图1~3所示。

图1I串型式图2V串型式图3V+中吊串型式

2.3铁塔横担形式

针对于不同串型，其中直臂横担铁塔满足I串构造要求、V串与3串型式采用双曲臂横担铁塔，如图4~5所示。

图4直臂横担铁塔图5双曲臂横担铁塔

2.4杆塔设计原则

杆塔设计与材料选择时，应严格遵守《架空输电线路杆塔结构设计技术规定》（DL/T5154-2012）等相关规范、规定的要求，同时应遵照相关工程设计原则执行[5]。其中，工程推荐采用Q420大规格角钢，但当极端最低温度低于-30℃时，采用Q235B、Q345B普通规格角钢，Q345B大规格角钢以及Q420C高强钢（肢宽≤200mm）。

三、铁塔优化设计

3.1V串与3串比选

大风区ZC4315系列铁塔V串与3串绝缘子串联数表选取如下表所示。

表2V串与3串绝缘子串联数表

注：所有塔型呼高为69m

分析结果表明：ZC43151B1L塔塔重增加约10.58~11.44%，ZC43152B1L塔塔重增加约17.11~20.64%，ZC43153B1L塔塔重增加约19.04~23.09%，ZC43154B1L塔塔重增加约14.73~16.78%，ZC43155B1L塔塔重增加约13.66~17.49%。从上述数据可以看出，采用3串的塔重较V串提升幅度的明显。通过对比模型和分析可以得出有以下几点原因：

采用3串后塔头高度明显增加，增加幅度约为6米左右。塔高增长6米后，塔身增加一个节间，由此将引起塔体迎风面积增大。通过分析表明，增大后的塔体主材均调高1~2个规格，进而导致塔重增加明显。从杆件的受力情况分析，由于主材受力变大、规格提高，同样导致的斜材和辅助材规格同时增大，并且螺栓数量也会相应增加，同样会增加塔重。由于横担中部也受力，虽然可以减少折臂部分的主材规格，但是直臂部分横担主材反而增加，且绝缘子数量和重量也比V串明显增加，同样致塔重增加。因此，相比于3串，采用V串较为合理。

4.2V串与I串

V串与I串铁塔布置对比如下，采用I串较V串铁塔ZC43151B1L铁塔呼高增加9.0米，横担直臂增加7.1m（L1），横担折臂减少12.26m（L2），地线支架外伸8.7m（L3）；ZC43152B1L铁塔呼高增加9.5米，横担直臂增加7.2m，横担折臂减少11.45m，地线支架外伸8.9m；ZC43153B1L铁塔呼高增加10.0米，横担直臂增加7.4m，横担折臂减少13.05m，地线支架外伸9.2m；ZC43154B1L铁塔呼高增加11.5米，横担直臂增加7.5m，横担折臂减少13.43m，地线支架外伸9.6m；ZC43155B1L铁塔呼高增加12.0米，横担直臂增加7.7m，横担折臂减少13.86m，地线支架外伸9.9m。具体尺寸如图6所示

图6V串与I串铁塔塔头布置示意

计算结果表明：ZC43151B1L塔塔重增加约25.62~22.36%，ZC43152B1L塔塔重增加约29.55~20.15%，ZC43153B1L塔塔重增加约33.43~22.79%，ZC43154B1L塔塔重增加约34.17~22.45%，ZC43155B1L塔塔重增加约36.16~23.76%。从上述数据可以看出，杆塔选择I串后呼高增加，该指标对于杆塔塔重提升幅度的明显。通过对比模型和分析数据可以得出以下几点结论：（1）I串与V串采用相同的使用条件下，I串杆塔比V串呼高提高9~12米，直接导致杆塔塔高加大，主材跳2~3个规格。（2）考虑到保护圆后，ZC43154B1L和ZC43155B1L采用I串的绝缘子串要加高2米，由此进一步导致塔头加高2米。ZC43153B1L至少增加0.5米左右。（3）I串荷载点仅位于横担端部，因而导致横担主材交V串荷载增加了一倍，因此横担主材规格需相应增加规格。（4）为了满足地线对导线的保护作用，选择I串布置后，地线架需要相应向外一侧移动8.8~9.9米，并导致地线架杆件规格增加。（5）相比之下I串较V串减少了折臂部分，其减轻幅度不够明显。（6）从受力角度分析，考虑到大风的作用，V串相对更加稳定，不易摆动，比I串其可靠性更高，更宜于在大风区使用。因此，I串与V串相比，I串塔重远远高于V串，塔重的上升幅度巨大，并且结构选择I串后结构偏于不安全。

四、研究结论

为了设计出既安全可靠，又经济合理的输电铁塔，本文针对于大风区（43m/s）特高压铁塔进行了串型优化设计的经济比选。通过对大风区铁塔的力学计算和经济比选表明：选择采用3串的铁塔较采用V串的铁塔塔重增加较多，虽然横担长度有所改善，减少了迎风面积，但铁塔反而呼高增加，且经济性较差。而采用I串的铁塔，不仅塔重远远高于V串，且铁塔横担过长，结构整体偏于不安全。因此，大风区铁塔宜采用V串型形式，其经济性和安全性更好。

参考文献：

[1]李宏男.高压输电塔抗震分析与设计[M].北京：中国电力出版社，2009.

[2]张卓群，李宏男，李士锋，等.输电塔-线体系灾变分析与安全评估综述[J].土木工程学报，2016，12（49）：75-88.

[3]唐国安.我国500kV线路倒塔事故率浅析[J].电力建设，1994，15（11）：18-24.

[4]白海峰.输电塔线体系环境荷载致振响应研究[D].大连理工大学，2007.

[5]架空输电线路杆塔结构设计技术规定（DL/T5154-2012）[S].北京：中国计划出版社，2012.