架空送电线路铁塔设计分析

蔡高峰

摘 要：架空送电线路技术一直以其稳定、安全等多方面优势成为我国主要的中远距离输电模式，但是随着当前我国城市建设的快速发展，传统的架空送电线路铁塔的设计已经不能满足实际生活需要，如何设计新型的架空送电线路铁塔也亟待解决。文章以转角塔为研究分析的对象，主要对转角塔的不对称结构进行分析与论述。

关键词：架空送电；转角塔，不对称设计

中图分类号：TM753 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）23-0030-02

在我国实际的架空送电线路铁塔的应用中，转角塔在超过110 kV的送电线路中以每100 km仅30基左右的较小应用量成为了一种辅助型送电架空铁塔设计，但是随着城市对于电力需求量的日益增加，输电网络错综复杂，工业与普通居民对电力的需求程度不一样，使得羊角型塔、十字型塔、鼓型塔、酒杯型塔等多种传统的架空送电铁塔设计已经不再能够满足城市的用电需求。为了解决这个问题，不对称转角型铁塔的设计方案成为了解决我国越来越多大功率输电线路进入城区诸多问题的优秀设计方案。因此，优化转角塔的设计成为了一个很有研究价值的课题。

1 转角塔铁塔的主要优势

虽然转角塔也是传统架空送电线路铁塔的一种定型模式，但是其却有着自己显著的优势。在传统对称架空铁塔设计模型中，在输电线路角度发生了偏移的时候，传统对称架空铁塔极其容易因为风力从不同角度刮吹导致铁塔主体架构承受过大的压力，而导致铁塔的稳定性不足造成安全隐患，使得设计过程中设计人员不得不增加铁塔整体的用材结构规模设计来解决这个棘手的问题，因为这个原因，传统铁塔相比转角塔就造成了大量的材料浪费。而转角塔的不对称设计刚好解决了这个问题，其多变的角度设计可以满足不同地区的气候等诸多环境对于架空送电线路铁塔的技术要求。

2 架空转角塔结构的确定

确定架空送电线路转交铁塔的最终结构实际上就是确定转角塔设计过程中的两翼临界角度，因为在这个临界角度内所设计的转角塔模型都是合理的。

2.1 临界角的含义

我们知道，风由内向外方向吹来时，角度荷载方向（即导线张力、避雷线二者所产生的矢量力）与风荷载的方向相反。那么，在风的水平档距固定的情况下，转角塔模型中必然有某个转角刚好抵消铁塔整体机构所受到的水平力。反之，一旦风向转向，为了使得转角塔主体结构水平受力为零也会出现某个临界角度。

2.2 临界角度数值的确定

确定具体的临界角数值具有重大的实际价值，一旦我们能够确定这个临界角度，我们就只需要在这个临界角度内合理设计转角铁塔结构，便能因此最大程度地减少设计与施工成本。临界角由最大风速反向的风荷载确定，并且临界角的大小与反向分压大小成线性增长关系。

例如，当水平档距的大小为400 m（即档距450 m），正常规格的送电导线设计可承受的极限风速为30 m/s和20 m/s时，“临界角”的最大值分别为13.2 ？觷和11.2 ？觷（并且临界角的大小还会因为送电导线材料的差异而会有不同的数值）。

因此，在实际临界角的计算与选取中，我们为了安全起见，在忽略建设材料的诸多材料等因素的前提下，我们通常会相应的增加临界值的数值，在上面的例子中，我们便会将临界值的数值相应的增大到20 ？觷和15 ？觷，其他情况以此类推。在实际的设计与建设过程中，为了最大程度的节省设计施工成本，在保证安全前提下，如果我们能找到符合设计的转角塔模型，我们就不应该在拘泥于其他传统的架空送电线路铁塔设计模型而造成大量的不必要，甚至完全可以避免的财力与人力的浪费，因此设计出最合理临界角的转角塔便显得尤为重要。

2.3 水平档距的临界值

水平档距指的是不对称铁塔模型设计过程中，随着转角临界角度变化而随之变化的最大水平档距。临界水平档距直接影响铁塔的安全性，实际水平档距的大小与临界水平档距的大小关系是评判一座架空送电线路铁塔设计方案科学合理的主要理论依据，也是评判一座架空送电线路铁塔能否实施竣工的重要标准。

3 不对称铁塔临界角的实际应用

不对称转角塔的“临界角”仅仅为我们解决了设计上的设计难题。现代架空送电线路铁塔在我国居民工业用电的过程中扮演着极其重要的角色，因此，在合理的架空送电线路铁塔设计方案的前提下，如何保证架空送电线路的稳定性与耐用性，让建造竣工的转角塔完美适应转角塔所在地的气候、工况等许多实际情况，这在技术上也向我们提出了诸多要求。转角塔在实际应用过程中应该满足以下前提。

3.1 塔身受力要趋于稳定

在不对称转角塔设计模型中，转角塔整体所受到的荷载与导线产生的张力的方向相反时，转角塔的主体部分所受到的力的大小会发生根本性的变化。在这种情况下，控制手拉的转角塔塔身很有可能变成受压控制塔身。

3.2 合理增加临界角的实际应用数值

转角塔的实际选取的“临界角度”大于理论设计所计算出的“临界角度”时，转角塔主要的荷载方向上，其矢量方向的两侧架构所受的力会有很大的差异。如果二者的差异过小便会使得不对称转角塔的内部构造和相关材料的规格大小发生变化，从而造成不必要的成本浪费，同时其实用性也大打折扣，这是不可取的。同理，为了最大程度的节约建设材料，就必须使得二者之间存在足够的差距，使不对称转角塔结构规格和其他限制塔身结构的条件改变。换句话说，也就是较小型的不对称转角塔相比较大型的不对称转角塔而言会消耗掉更多的建设材料。与此同时，较小型铁塔的不对称设计不会成为转角塔整体架构的不利因素，因为反向风等一系列随机荷载只能是有利的因素。

3.3 科学细化建设材料的分级

在不对称转角塔的材料设计过程中，为了适应小对称转角塔的设计，我们还应该细化其他的材料分级，虽然细化材料的分级会在一定程度上增加加工、施工的复杂程度，但是对于采用小对称设计模式的转角塔是很有利的，当然，如果能在不增加加工、施工复杂程度的基础上细化这种分级自然最好不过了。

4 试验验证不对称转角塔设计的合理性

实践是检验真理的唯一标准。不对称转角设计方案的科学合理并不能等同于架空送电线路铁塔实际架设的科学合理，只有在科学合理的实践过后，我们才能确定设计方案的最终合理性。2002年9月，国家电网电力建设试验所为了验证架空送电路线铁塔的工程质量是否合格，是否能够满足实际环境对其整体架构的稳定性、耐久度等方面的诸多要求而进行了一次真型力学实验。实验过程中，研究人员选取了六种不同的试验环境：地线张力差，运行覆冰，事故断中导线，事故断右边导线，正常90 ？觷大风以及90 ？觷大风超载。试验结果表明，只有在试验荷载工况大于220%的时候，铁塔上下的两个曲形臂轴才开始出现一定程度的损坏，在这个试验荷载工况的范围内时，试验中的ZM3直线试验塔正常工作且塔身的零部件并未出现任何异常。试验结果与最初的设计要求预想完全一致，建设竣工后的铁塔是稳定安全的，我们可以将这个设计运用到实际的架空送电线路的建设中去。

5 结 语

不对称转角塔在我国架空送电路线中的应用前景是非常广阔的。一方面，不对称转角塔的设计不仅可以减小因为城市建设力度的增加而导致电力网络线过于错综复杂所带来的管理维护难度，同时也能减小城市变电所的体积大小而减少占地，优化中小型变电所的进出线路复杂程度。另一方面，我们也不能够一味地追求节约成本而在本来不适用的地理气候、输送电（比如电压压力过载等）环境下或者错误的设计建设不对称转角铁塔，而应该在科学合理的前提下优先考虑建设不对称转角塔，从而最大限度的建设合理的监控送电线路电网网络，实现效益最大化的目标。

参考文献：

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[2] 刘志华.送电线路铁塔设计研究[J].硅谷，2011，（12）.

[3] 孟隧民，孔伟.架空输电线路设计[M].北京：中国电力出版社，2007.