高压输电线路铁塔结构设计优化

江敏

摘 要：随着科技的进步，我国电力行业发展十分迅速。高压输电铁塔通过长期的工程实践，无论是从塔身的坡度设计，还是塔身建造过程中有关节点的选择设计，或是材料选择都积累了一定的经验。以下针对结构设计的优化提出一些建议。

关键词：输电线路；铁塔设计； 结构优化

中图分类号：S611文献标识码： A

引言：

目前，我国幅员辽阔，电网的建设必须严格限制输电过程中电能到损耗，架设高压或者超高压线路已经成为了一种必经之路。输电线路是电网运行过程中非常重要的一个组成部分，对我国工农业生产的发展都有着十分重要的意义。输电线路的建设，必须在符合相关规程规范的前提下，尽可能控制工程造价。笔者结合工作经验对高压输电线路铁塔结构设计进行了论述。

1、输电线路铁塔结构设计中遵循的原则

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各种要求，一直就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。

2、铁塔结构优化设计的几个方面：

本文仅以国内直流输电直线塔为例分析结构优化设计的问题。

2.1直线塔塔头型式的优化

对于直线塔而言，塔头的布置是杆塔结构优化的关键。塔头型式包括塔头外型、横担型式、地线支架型式、横担及地线支架与塔身的连接方式、塔身布材形式及挂点处理等方面。自立式直线塔可采用水平排列的“干字型”两层横担或“羊角型”一层横担的布置。对比分析如表1所示。

表1 塔头布置方案技术经济比较

由表1可以看出，方案三、方案四、方案五在计算塔重上相差甚微。经计算此直线塔导线横担端部采用方案三的三角形横担方式，其挂线角钢规格为2L200X16，采用方案四或方案五的梯形横担方式，其挂线角钢规格为2L125X10，横担主材规格为L140X12，因此对于大档距直线塔采用方案四或方案五挂线角钢与横担主材刚度更加匹配。

2.2直线塔开口及根开优化

直线塔塔高普遍较高，塔身主斜材内力的变化并不是线性的，从受力特性来看，塔身采用一个坡度显然是不合适的。针对不同的主材分段进行坡度调整，不仅可以优化主斜材的受力特性，还可以降低挡风面积，减少斜材长度，从而节省杆塔钢材用量，另外还可使结构美观。然而变坡次数增加，也会造成节点偏心次数的增加，结构次生内力的增加，因此如何选取变坡次数及变坡位置是很关键的。通过对某直线塔的计算，比较了下表几种不同的塔身变坡方案，结果如表2所示。

表2 变坡次数比较

从上表2可以看出此直线塔采用二次变坡方案塔重最轻，具有技术经济优势。

以此直线塔（51米呼高）为例，采用TTA铁塔设计软件分别计算了不同瓶口宽度和坡度的塔重，以曲线图表的方式直观表达如图1所示。

图1 某直线塔57米呼称高不同瓶口宽度及坡度塔重优化图表

从上图可知，此塔最佳的塔身瓶口宽度为5.3m，最佳坡度为0.10，针对不同的工程应分别对各塔型分别进行瓶口宽度及坡度优化。

2.3塔身断面型式

输电线路工程直线塔塔身断面型式一般有矩形(扁塔)、正方形(方塔)两种。就这两种塔身断面来看，扁塔的塔重较轻，但抗纵向荷载能力较差且长短腿使用不灵活，而方塔抗纵向荷载能力强且长短腿使用灵活，但塔重较重。在一般 500kV及以下电压等级的线路中，对于高差很小的平丘地形直线塔多采用扁塔型式，但对于线路高差较大的山区地形直线塔普遍采用方塔型式。

2.4塔身斜材布置优化

铁塔主要受力斜材约占塔身部分的50%，占全塔总重的30%左右。塔身斜材的布置是否合适，直接影响到塔重和工程造价。塔身斜材常用的布置型式有：交叉式、“正K型”、“倒K型”等布置，以往单一的交叉布置型式容易使斜材产生同时受压，几种方式组合布置可以避免同时受压的发生，使斜材受力成为拉压系统，充分利用拉压系统的受力特性，可减小斜材规格，降低塔重。

无论采取哪种斜材布置方式，最主要的问题就是斜材与水平面的夹角的大小，的大小直接决定了斜材的受力大小。根据线路铁塔斜材布置的经验，通过计算，当斜材与水平面的夹角控制在35～45之间时，塔重最轻。

2.5塔身斜材布置优化

合理设置横隔面可加强铁塔整体刚度，对向下传递结构上部因外荷载产生的扭力、减小塔重、均衡塔身构件内力具有明显的作用。根据对塔身高度、宽度进行了刚度分析，并对几种隔面设置型式及设置位置进行了计算比较，提出了隔面设置型式如图2：

图2隔面设置型式

在满足铁塔刚度要求的前提下，设计人员应按照塔重最优原则，通过对根开、瓶口宽度、变坡次数、塔身坡度、斜材布置、横隔面设置、长短腿布置及构件最佳计算长度等综合优化的方法，提出合理的铁塔结构布置方案。

结语:

总之，输电线路是电力系统的动脉，它将巨大的电能输送到四面八方，是连接各变电站、 各重要用户的纽带。输电线路的安全运行直接影响到电网的稳定和向用户的可靠供电，在电网中占据举足轻重的地位。因此，需要做好输电线路设计工作，为我国的电力工业发展提供重要保证。通过经验的累计，技能的提高以及计算机技术的辅助，会使输电线路的铁塔结构设计日臻成熟，达到经济、安全、可靠的目的，为电力的发展提供最根本的保障。

参考文献

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[2]220kV架空供电输电线路的勘测与铁塔定位设计[J].海峡科学

[3]高压输电线路设计与施工技术探析[J].中国集体经济

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[5]罗希.高压输电线路设计与施工技术探析[J].中国集体经济