重冰区220kV单回架空输电线路铁塔结构设计

李政民

（国核电力规划设计研究院，北京 100095）

重冰区220kV单回架空输电线路铁塔结构设计

李政民

（国核电力规划设计研究院，北京 100095）

文章总结分析了重冰区输电线路的特点，从结构设计角度提出了一系列重冰区铁塔设计的原则。在此基础上结合设计经验，针对重冰区220kV单回路铁塔设计给出了一些设计要点，包扩塔头型式选择、材质选择、结构布置优化等诸多方面，为今后类似工程的设计提供了一定了参考。

重冰区；单回路；输电线路；铁塔；设计

覆冰厚度是影响输电线路设计的重要参数，占工程本体造价约20%～30%的输电铁塔。覆冰的影响主要表现为覆冰时线条荷载增大和杆件覆冰后自重的增大，其中影响最大的为断线及前后档不均匀覆冰时产生的不平衡张力，使铁塔承受较大的扭矩和弯矩作用。以往由于气象资料及设计、运行经验的不足，由覆冰引起的倒塔事故对国民经济造成了重大的损失。我国南方地区2008年冰灾以来，电力行业对杆塔设计规范进行了修编并出台了《重覆冰架空输电线路设计技术规程》用于指导重冰区铁塔设计，设计人员也通过越来越精细的计算提高重冰区铁塔的安全性，获得了很好的效果。但重覆冰区多位于海拔较高的山区，沿线地形复杂，气象资料匮乏，线路在覆冰条件下受力情况较为复杂。同时这些地区在覆冰期又很难到达，不便与获取数据、运维和检修，因此为提高铁塔安全性，降低事故率，有必要对重冰区铁塔的设计要点做进一步探讨。

1 重冰区线路特点

重冰区线路有如下特点：①气象条件复杂多变。一方面重冰区线路多位于海拔较高的山区，气温、空气湿度、风速等复杂多变，且存在较多微气候。另一方面，重冰区气象资料的采集存在诸多困难，使得完整的一手气象资料匮乏，给设计造成诸多不便；②覆冰荷载大。导线在覆冰情况下，传至铁塔上的垂直荷载和线条张力均会显著增大，冰荷载成为铁塔设计的主要控制荷载。例如20mm覆冰情况下，单导线垂直荷载及纵向张力分别为正常大风工况下的约3.0倍和5.7倍（400导线）；③荷载的动力特性。铁塔在不均匀脱冰情况下，受扭矩、弯矩或其共同作用，但因脱冰存在动力特性，使得铁塔受力分析变的更为复杂；④安全性要求高。重冰区多存在事故率高、运行维护困难、事故停电时间长等问题。这就对重冰区的铁塔安全性提出了更高的要求。

2 重冰区铁塔设计原则

对于重冰区铁塔的设计，需要充分考虑覆冰的特性，包括由脱冰造成的不均匀覆冰情况，以及覆冰情况下杆塔自身构件的增重，全方位进行设计，才能保证杆塔的安全。依据《重覆冰架空输电线路设计技术规程》（DL/T 5440-2009）及以往设计经验，对重冰区杆塔设计与优化基本原则如下：①重覆冰线路宜采用导线对称排列的杆塔，且塔身断面为正方形；②导地线及绝缘子覆冰后计入风荷载增大系数，数值按《重覆冰架空输电线路设计技术规程》（DL/T 5440-2009）取；③各类杆塔均应按线路的正常运行情况（包括基本风速、设计冰厚、最低气温及其组合）、断线情况、不均匀冰荷载情况（包括受弯和受扭组合）和安装情况的荷载进行计算。对于重冰区杆塔还需按稀有的覆冰荷载情况进行验算，此时考虑所有导、地线同时同向有不平衡张力，使杆塔承受最大弯矩情况；④各类杆塔在有冰工况下，均应计入构件覆冰对杆塔构件的影响。即对有冰的工况下，需考虑杆塔构件在覆冰情况下的自重增大；⑤结构形式简洁，传力线路清晰，构件布置合理，充分发挥构件的承载能力。结构构造简单，节点处理合理，利于加工安装和运行安全；⑥构件选材及分段合理，利于山区运输和杆塔组装；⑦结构布置紧凑，尽量减少线路走廊宽度，节约有限的土地资源。

3 重冰区铁塔设计要点

根据以往的设计经验，重冰区走廊限制较小，普遍采用单回路设计，以下对较为广泛的重冰区200kV单回输电线路铁塔的设计要点进行探讨。

3.1 铁塔材料的选择

常用于输电铁塔的有钢管和角钢两种材料，钢管塔从受力、塔重、变形上等均优于角钢塔，但从运输、加工、组装上则不如角钢塔。对重冰区线路，在受力满足要求的情况下，应优先采用便于运输和组装的角钢塔。通常，角钢的承载力完全可以满足220kV线路工程需要。

就材质而言，主材优先采用Q420高强钢，可进一步降低单根角钢构件的重量，方便运输和组装。螺栓选择方面，由于重冰区铁塔构件受力大，连接螺栓数多。采用高强度螺栓可有效减小构件端头连接螺栓的数量，从而达到减小连接板的尺寸，降低塔重的目的，220kV线路推荐采用6.8级（M16和M20）、8.8级（M24）镀锌螺栓。

3.2 塔头布置

（1）直线塔塔头布置。对于一般单回路直线塔，猫头塔和酒杯塔都是比较成熟的型式。相比之下，酒杯塔全高矮，传力清晰，塔重较轻；猫头塔较重，但走廊宽度小，保护角小，如图1所示。计算结果也表明，相同条件下，酒杯塔腿主材规格较小，有利于山区运输。通常重冰区走廊空间不作为主要考虑因素，DL/T 5440-2009规程也建议重冰区杆塔导线宜采用水平排列，有利于防止导线脱冰跳跃时过于接近出现闪络跳闸等情况。因此重冰区220kV单回路直线塔推荐采用酒杯塔。

图1 直线塔塔头布置示意图

（2）耐张塔塔头布置。对于重冰区单回耐张塔，国内外已投运的220kV线路主要有三角排列的干字型塔、水平排列的酒杯塔两种型式（见表1）。

表1 耐张塔塔头型式对比表

目前220kV及以上电压等级的单回耐张转角塔，主要为干字型塔。这种塔型结构简单，受力清楚，占用线路走廊窄，而且施工安装和检修比较方便，积累了丰富的运行经验，综合分析，推荐采用干字型耐张塔，如图2所示。

图2 耐张塔塔头布置示意图

3.3 重冰区杆塔结构优化设计要点

（1）常规优化设计内容。对重冰区铁塔而言，常规情况下铁塔的优化内容同样适用，主要有：①地线挂点推荐鹰嘴式，避免单角钢挂线导致的不协调及检修不便；为了确保刚度和传力的可靠，对上下曲臂交点处主材之间的夹角按大于20度进行处理；②酒杯塔上下曲臂内部的杆件所在平面内斜材分别按断开和不断开进行计算，对于耐张塔地线支架下平面以及导线横担上平面，同样也按斜材断开与不断开进行计算，“强强联合”更全面的确保重冰区杆塔的安全可靠；③塔身采用“方型”断面，对铁塔坡度及开口尺寸采用不同组合试算，选择综合造价最低的尺寸及坡度组合；④斜材与水平面的夹角α控制在35°～45°之间，合理选择隔面型式及设置位置；⑤节点构造尽可能减小杆件的偏心受力；对酒杯塔塔身K节点和颈口连接处适当加强以确保强度和刚度，如图3～6所示。

图3 酒杯塔头结构布置优化

图4 耐张塔横担结构布置优化

图5 塔身开口及坡度优化示例

图6 推荐隔面型式

（2）直线塔边导线横担布置。按《重覆冰架空输电线路设计技术规程》第12.0.8条：垂直档距系数（垂直档距与水平档距之比）小于0.8的杆塔，应按导线、地线脱冰跳跃和不均匀覆冰时产生的上拔力校验导线横担和地线支架，导线上拔力取最大使用张力的5%～10%，地线上拔力可取最大使用张力的5%。

因此重冰区直线塔按覆冰跳跃时，需计算导地线上拔的情况，边相导线上平面主材变为受压杆件。此时单横杆斜才的布置方式无法为横担上平面主材提供可靠地支撑，因此推荐采用上平面交叉材满布的型式，虽然传力路径较为复杂，重量也有所增加，但该型式的横担具有良好的抗弯和抗扭刚度，能够保证重冰区线路在发生覆冰跳跃时横担的安全可靠性，如图7、图8所示。

图7 常规横担布置型式

图8 重冰区推荐横担布置型式

（3）耐张塔挂线点布置。根据重冰区特点，耐张塔中挂点可设计两处，根据转角度的不同，选择不同的导

线挂点，以获得更大的电气安全距离。同时，地线支架按左右对称设计，必要时一侧边导线跳线可以上绕设置，在少量增加塔重的同时，可以兼顾满足坡位处跳线对地距离的要求，避免因跳线对边坡的距离不够而增加杆塔呼高，降低造价的同时为施工和运行提供方便。此外，还可将中挂点于边挂点设计至同一水平，虽然地线及横担会有所增长，但塔头高度大大降低，同时，该塔型有效的降低了重冰区塔型的导地线舞动、脱冰跳跃的问题，确保了结构可靠性，如图9、图10所示。

图9 耐张塔挂点布置示意图

图10 干字型水平排列耐张塔示意图

（4）次弯矩的影响。重冰区铁塔因构件规格较大、节点板较大、连接螺栓较多及节点构造复杂等因素使得全塔构件连接的连续性、节点板刚性都强于一般轻中冰区铁塔，杆件端部受到较大的嵌固作用，节点限制杆件间夹角的变化，造成杆件弯曲，由此产生的杆弯矩具有二阶效应，称为次弯矩。通常设计输电铁塔时，普遍采用几何小变形、材料线弹性假定，将所有构件视为二力杆单元，节点简化为铰节点，按照桁架结构进行分析计算，不考虑弯矩。大量工程实践表明，这种近似方法基本上可以满足工程设计需要，但对于某些特殊杆塔，尤其大荷载，大位移作用时采用非线性分析作为线性杆件体系杆塔设计的指导和补充是有必要的。

以一种重冰区直线塔为例，采用ANSYS有限元软件中梁-杆单元模拟计算，针对不均匀覆冰工况，分析杆件受弯情况如图11所示：

由弯矩图可以看出，对于重冰区酒杯塔，弯矩最为明显的地方主要集中在酒杯塔曲臂的K节点附近，其次为颈口处的塔身主材，此外塔腿隔面处K节点的弯矩也较为明显。非线性计算结果与以前酒杯塔的相关研究与试验结论一致，因此在杆塔设计时，对于曲臂K节点和颈口处应根据经验适当加强，并留有余度，以保证重冰区杆塔的安全性。

图11 不均匀覆冰工况弯矩图

4 结束语

位于重冰区的输电铁塔，覆冰产生的大荷载是大多数杆件的控制力。在脱冰情况下，杆塔荷载同时具有动力、静力特性使得铁塔受理更为复杂。对于重冰区220kV单回路铁塔，从结构设计的角度可从塔头型式、材质选择、结构布置优化等方面把握其设计要点，除进行常规优化设计外，要充分考虑重冰区荷载大且复杂、事故率高、运维困难的特点。其它各类重冰区铁塔设计时亦应在严格遵守重覆冰架空输电线路设计技术规程基础上，充分结合受荷特性、沿线自然环境特点，有针对性的提出增强铁塔安全性的设计方案。

[1]重覆冰架空输电线路设计技术规程[S].DL/T5440—2009.

[2]110kV～750kV架空输电线路设计规范[S].GB50545—2010.

[3架空输电线路杆塔结构设计技术规定[S].DL/T5154—2012.

[4]韩大刚,刘洪昌.500kV重冰区同塔双回耐张塔设计及试验研究[J].电力建设,2013,34(8):56-63.

[5]张海平,张驰.20mm重冰区500kV同塔双回输电线路设计[J].电网技术,2015,39(1):123-129.

[6]林奇祥,江全才.基于SAP2000软件的中重冰区直线塔静力分析[J].三峡大学学报(自然科学版),2014,36(6):51-53.

Discussions of Main Points of the Tower Structural Design for 220kV Single-circuit Overhead Transmission Line in Heavy Icing Area

Li Zhengmin
(National Nuclear Power Planning and Design Institute,Beijing 100095)

This paper summarizes and analyzes the characteristics of transmission lines in heavy icing area, and proposes a series of principles for tower structural design in these area. On this basis and according design experiences, the main points of the tower structural design for 220kV single-circuit transmission lines in heavy icing area is given. Including the design of tower-head type, material selection and structural optimization, etc. This paper provides some reference for future similar engineering design.

Heavy icing area; Single-circuit; Overhead transmission line; Tower; Design

TN823+.12

A

2096-2789（2016）11-0164-03

李政民（1984-），男，工程师，研究方向：输电线路结构设计。