高压输电线路铁塔结构设计要点分析

孙华伟

摘要：高压输电线路铁塔作为架空高压输电线路的重要组成部分，其结构的合理设计是现代电力系统运行与发展的重要保障。随着我国电力事业的快速发展，对铁塔的结构提出了更高的要求。基于此，本文对高压输电线路铁塔结构设计要点进行分析。

关键词：高压输电线路；铁塔结构；设计要点

引言

随着国内电网建设规模的逐步扩大，在电力系统发展进程中推动高压输电线路的建设已经成为必然趋势。高压输电线路在整个供配电系统中扮演着非常重要的角色，它能够把电能从遥远的山区地方输送给城市电力负荷区域，为城市提供平衡的供电，对国民经济发展促进作用不言而喻。

一、输电线路铁塔结构设计遵循原则

作为电力供应与输送系统中起着关键作用的输电线路铁塔，分布在各个电力系统的干线与分支线路中，起着不可估量的桥梁作用。在电力输送系统中扮演着重要角色的输电铁塔，在结构设计方面更是需要高标准，这对设计人员来说就是一个相当严峻的考验，如何能使设计出来的电力铁塔更适合当地的工况要求，一直是困扰设计人员的难题。

任何一条线路工程的杆塔型式主要取决于线路的电压等级、外荷载大小、沿线的地形、交通运输以及经济发展状况。

（1）电压等级越高，其电气间隙、绝缘要求、对地距离等就越大，则，塔头尺寸就越大，铁塔高度也越高；同时，电压等级越高，输送容量就越大，要求的导线截面也越大，导线截面增大则意味着杆塔所承受的外荷载也越大。同时，外荷载的大小还受气象条件的影响，如风速、覆冰厚度等。

（2）杆塔型式还取决于线路所经地区的地形情况，地形越差，杆塔的刚度要求则越高，根据以往工程经验，对于平原地区多用扁塔，而对于山区地形，为了加强杆塔的纵向刚度，则多用方塔。

（3）沿线的交通运输状况决定了杆塔的型式和材料要求，如交通运输不方便的山区线路，采用钢管塔和混凝土塔的运输及施工费用往往是角钢塔的数倍甚至数十倍。

（4）沿线的经济发展状况同样影响到杆塔型式的选择。经济发达地区，征地费用是影响到投资的主要因素，因此，拉线塔则不如自立式塔；同时，沿线的经济状况也影响到导线的排列方式，经济越发达的地区由于走廊紧张，铁塔型式的选择上则要求尽可能缩小线路走廊宽度。

二、高压输电线路铁塔结构设计要点

1、塔头铰结点的设置

在输电线路铁塔内力分析时，均将杆系结点作为铰结点。本节所述塔头铰结点的设置，是指两铰拱或三铰拱力学模型的选择及构造模式。如：酒杯型塔头K节点，从力学模型看是纯铰，将其处理成结实的刚性节点，虽不会影响结构的正常工作，但浪费了不少钢材。又如：有些线路工程，直线塔开始使用中相V串、三铰拱塔头。但有的塔在中间铰部位下，又加设了平连杆。三铰拱在国外输电线路铁塔结构设计中，已早有应用，如美国500kV直线塔、南非400kV直线塔，都大范围使用了三铰拱塔头，且中间铰部位下均未加设平连杆。建议我国在修订《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》时，在基本规定一节中应强调指出，杆塔结构加工图必须与内力计算图保持一致。不得轻易改动结构布置或添加未经计算但可能影响受力的杆件。

2、导线横担下平面斜材布置

导线横担下平面斜材常见的布置形式为交叉斜材（双斜材）式，且交叉斜材布置到导线横担根部时，大多连接到导线横担的主材上。在纵向荷载作用下，其连接部位的主材或节点板极易变形。为此，常见设计者在这一部位节点上，增设一根短角钢，以增强这一部位抵抗纵向荷载的能力。虽然这一办法能解决问题，目前也没有因此引发事故的案例，但仍不算最佳方案。为使设计尽可能合理，满足杆系传力的要求，只需设计者将横担下平面交叉斜材杆系布置到导线横担根部时，与塔身横隔面侧面横材的中点相连接，使导线纵向荷载通过塔身横隔材直接传递到塔身上去，就可解决主材和节点板弯曲变形问题。

3、派生结构的杆系布置

近年来，由于城网建设的需要，同塔多回路并架已广泛使用。如某工程真型塔试验时，曾因110kV横担受力后引起试验塔倒塔。经专家分析，一致认为与110kV横担连接的塔身节间是K形三分段杆系，110kV横担吊杆直接拉在K形三分段辅助材支撑的主材小节间点上，塔身主材在110kV横担的拉拽下，位移过大，塔身主材不能在原设计条件下正常工作，而导致试验失败。只要将原K形斜材杆系中的塔身主材三分段下端的小节间与110kV横担连接方式，改为塔身节间与110kV横担连接的小节间，脱离原K形斜材杆系，独立自成一个节间，使杆系传力均由受力材传递，节与节之间互不干扰，就可以使结构正常工作。该设计按专家意见修改后，顺利通过了试验。这个实例证明，派生结构应认真注意杆系布置的合理性，才能保证铁塔的正常工作。

4、上、下曲臂结构选型

在我国输电线路杆塔设计中，上、下曲臂结构的应用十分广泛，一般的输电线路铁塔都会利用这种结构。一般这种结构外侧面呈直线或曲线形状，但是曲线布置存在一定的缺陷，上、下曲臂连接处会出现拐点，如果这个拐点小，导致主材内力略小，虽然影响不大，但却容易产生不平衡力，造成不安全因素；如果拐点大，节点不平衡力可能超限，更是不可取的。而选择直线布置，曲臂主材节点内力平衡，是最佳选择。当上下曲臂高度和一定时，上曲臂高度值与塔材重量值成正比，原则上上曲臂高度越小越能够节约成本，但因受到上下曲臂间隙圆的限制，某塔型上曲臂高度为5米，下曲臂高度为8米。在上下曲臂之间，需要进行合理的节间设置，上曲臂5个节间最小轴或4个节间平行轴布置，下曲臂7个节间最小轴或6个节间平行轴布置。但在实际操作中发现，采用平行轴方案应力较小，且可节省8根斜材，具备相当优势。因此，选择节间平行轴设计更加经济适用。

5、塔身斜材的布置

制约塔身斜材的基本条件是斜材对外荷载抵抗力矩和计算长度的选择。其中斜材对外荷载抵抗力矩的大小，即斜材和水平面的夹角大小，将直接影响到该节间主材分段及杆件选材。从国内科研成果以及工程设计实践经验看，塔身斜材和水平面的夹角取40°～50°为宜。塔身斜材的布置形式，还和塔身的宽度有关，在塔型选型时，要分析控制选材的条件，塔身主材节间分段情况、主材计算长度，以及不同的接腿配置不同的塔身等多因素，进行优化组合。另外塔身斜材布置的形式，外荷载大小，几何尺寸、构件截面模量，是选择单斜材，还是双斜材，还是再分式双斜材；是选择交叉式斜材，还是正K形布置斜材，或是倒K形布置斜材，以及在什么部位选择什么布置形式等，都要认真比较选择。

6、塔身坡度设计

在设计过程中采用增加斜垫的方式确保塔身的平衡，例如在节点板和塔身之间增加斜垫，以确保塔身的安全和坚固。但是这样需要花费一定的技术水平，难度相对较大。

为了确保节点能够不弯曲，可以使用单角钢，单脚钢能够固定塔身，双排螺栓能够稳定塔身，保证主材边的准确性。塔身设计假若采用是“双角铡绀合十字断面”，可以使节点板和塔身斜材处于一个平面内共同工作。假若是四角钢组台成“十”字断面，能够直接采取制弯节点板的方法。

钢管塔的出现为宽塔身、大坡度塔身提供了一个好的支撑材料，假若塔身主材、斜材都使用的是钢管材料，并且在设计中构建成十字状，这样不仅可以符合力学原理，还能使构造更加新颖。而且具备很好的视觉成效。

7、绝缘配置

输电线路的绝缘配合就是解决铁塔上和档距中各种可能的放电途径，使输电线路能在工频电压、操作过电压、雷电过电压等各种工况条件下安全可靠地运行。考虑到多回输电线路的重要性和停电检修的困难，尽量减少维护工作量，延长绝缘子清扫周期，同塔多回路的泄漏比距可考虑提高一级进行设计。现行规程规定的对地间隙和相间间隙是在理论研究和真型试验的基础上，结合多年的运行经验所修订，同塔多回路可参照执行。

同塔多回路通常应用在廊道紧张地区，悬垂串推荐采用V型串布置。这样既可有效节约输电线路走廊。避免铁塔大风闪络现象，而且在相同绝缘子片数时V型串工频耐污电压将比I串提高20%以上。在特定的导线布置形式情况下，不同回路间的导线可能在同侧横担上相邻布置，其回路间水平距离还应比上述要求增加0.5m。

结语

电力事业是我国国民经济的重要支柱产业，它的稳定健康发展造福着人类，而高压输电线路铁塔是电力系统传输的主要工具，随着国内电力行业的迅速发展，铁塔的需求量也在与日俱增，因此如何优化输电线路铁塔结构设计在电力系统建设中显得尤为重要，这无疑给相关设计及制造行业带来了全新的机遇与挑战。

参考文献

[1]陆国威，刘宏滨.输电线路铁塔导线横担斜材的布置问题[J].广东电力，2011（10）.

[2]严斌.直线塔导线横担上平面斜材布置探讨[J].广东建材，2011（08）.