特高压直流输电线路跨越耐张塔的结构优化

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摘 要：本文以某地区±800KV特高压直流输电线路跨越耐张塔为例，主要分析了塔材界面类型以及结构设计两方面，对比了钢管和角钢的优缺点。通过对跨越耐张塔的结构优化，提出了结合钢管和角钢设计跨越耐张塔的方式，并阐述了其原因。

关键词：特高压；直流；输电线路；耐张塔

0.引言

近年来，随着我国电网工程的不断发展，大跨越设计以及施工逐渐增加。而在大跨越设计中，如何保证跨越塔的设计合理性是工程的重点之一。我国在跨越塔设计方面经过了多年的实践与经验积累，从最初的钢筋混凝土烟囱塔这种单一的形式，逐渐发展到多种结合模式，如钢筋混凝土、组合角钢、焊接钢板以及钢管结构等等。

在国外一些发达国家，在跨越塔杆的选择上大多是角钢塔。而我国在钢管和角钢塔方面的研究资料较少。因此，本文以某地区±800KV直流特高压输电线路中的跨越耐张塔为例，分析了混合选材的设计。

1.塔材界面的选择

目前，我国在自立式铁塔的塔材上，大多选择的是角钢和钢管。在选择界面类型时，需要考虑以下几种因素：

1.1风荷载

在我国出台的《架空送点线路杆塔结构设计技术规定》中明确提出，风荷载的标准值为：

Ws=w0βzμsμzAf （1）

其中，βz指的是风压高度变化系数，μs指的是杆件风载体型系数。当塔架是由型钢杆件组成时，为1.3（1+Z）；当搭架是由圆断面间组成时，为（0.7～1.2）（1+Z）。其中Z为塔架背风面荷载降低系数。μz指的是在Z高度的风振系数，Af指的是杆塔迎风面的构件投影面积。在公式（1）中，只有μs和杆件界面的结构、型号有关，因此，设计中型材的重要性不言而喻。一般情况下，圆断面杆件组成的塔架风载要远远小于型钢杆件。

1.2轴心受压构件稳定性

轴心受压构件的稳定公式如下：

N/（hA）≤mNf （2）

在该公式中，N指的是构件所受到的轴力，h指的是铁塔轴心受压构件的稳定系数，A指的是构件毛截面的界面，mN指的是压杆稳定强度折减系数[1]。

1.3压弯构件稳定性能的影响

单一的稳定系数h需要通过相关的理论进行计算，一般构件截面尺寸会对该系数产生一定的影响，因此需要具有代表性的截面进行计算。平面失稳的形态是弯扭屈曲，压弯构件在弯矩作用平面外的稳定有一种情况：绕截面的弱轴受弯。我国在《钢结构设计规范》中明确规定：在绕非对称主轴以外的任一轴失稳时应当按照弯扭屈曲对其稳定性进行计算。

对于所有的角钢杆件都需要进行稳定强度折减验算，角钢构件绕平行轴的稳定性特点在于随着长细比的不断上升，稳定系数会不断的下降。而钢管材料由于其各向同性，没有强轴和弱轴之分，同时钢管的回转半径、截面刚度都比角钢要大一些，因此稳定性更好。

2.钢管塔和角钢塔的比较

从受力、质量、变形、外观上来看，钢管塔更加优秀；但是从运输、组装上来说，则是角钢塔更加方便，尤其是在焊接钢管的过程中。如果在线路中大量使用钢管塔，由于焊接质量难以进行有效的控制，必然会为线路的正常使用埋下安全隐患，降低线路的安全性和稳定性。因此，在选择这两种塔时，要根据实际情况，结合两者的优点。对于受力较大的主材使用钢管，而其他的斜材则可以使用角钢。

从结构性能方面看，钢管塔的受力性较好，体型较小，在长期使用下不容易产生变形。有一定的微风影响，当塔的高度较高时，需要消耗的钢材数量较少，基础受力也比较小；在加工组装方面，钢管塔的生产自动化程度较低，焊接需要消耗大量的人力物力，生产周期较长。而且成品的钢管塔运输比较麻烦，尤其是在山区等交通不便的地方；在构件数量及造价方面，构件数量要比角钢塔少了20%左右，但相应的，每吨所消耗的成本则高出30%以上。

而角钢塔的体型较大，结构在外界环境下可能会产生变形，如果塔的高度较高，则需要消耗比钢管塔更多的钢材，基础作用力较大。如果在建造时采用的是强度较高的钢材，一般就不会受到微风震动的影响；在加工组装方面，角钢塔的自动化程度较高，在焊接时比较简便，工期较短，质量有所保障。同时，角钢塔的单件质量较小，在运输方面有一定的优势，同时在质量检测方面也更有保障。和钢管塔相比，角钢塔的构件数量比较多，但是造价却比钢管塔更低。

3.工程概况

按照架空输电线路大跨越设计技术指导，和一般的转角塔有所区别，为了避免方向水屏风对大跨越转角塔产生的影响[2]，该工程分析了在0°、45°、60°、90°方向水平风可能产恒的影响，并模拟了以下三种荷载情况：第一，最大风，无冰，无风，未断线；第二，最大覆冰，一定的风速和气温；第三，最低温，无冰，无风，未断线。除了以上的荷载情况之外，在设计转角塔时除了考虑一般转角塔的因素之外，还分析了其他的终端情况。

在事故工况方面，模拟了三种事故工况：第一，断2根相导线，地线完好，无风，无冰；第二，断1根地线，导线完好，无风无冰；第三，各相导线均取1相导线最大使用张力的70%，地线为80%。

在安装工况方面：第一，导线或地线荷载。耐张塔锚线和紧线在搭设时，应当考虑到线路侧导、地线尚未架设或已经架设两种情况；第二，临时拉线产生的荷载。锚线和紧线允许计及临时拉线的作用，临时拉线的对地夹角应当小雨45°，同时要保证其方向和导线、地线的一致；第三，安装时的附加荷载。在施工时，将附加值设为导线12.0kN，地线4.0kN，跳线6.0kN。

4.跨越耐张塔的结构优化

4.1塔身断面类型的选择

±800kV直流输电线路跨越耐张塔一般采用的是干字型塔，塔身主要分为矩形断面和方形断面两种形式，相比之下，矩形断面所消耗的主材料要方形断面小。

由于纵向张力的原因，因此在国内一般是将沿跨越侧作为长边，而垂直于线路的方向作为短边。经过实践证明，矩形断面和方形断面比，变形更小，而且所投入的成本更低。

4.2塔身斜材的布置优化

塔身斜材一般采用的类型有交叉型、正K型、倒K型等等。在传统的布置中，采用的大多是交叉布置，但是这种单一的布置方式可以会导致斜材同时受压。而将这几种方式进行组合，则可以有效避免这个问题。如果斜材受力成为拉压系统，确保拉杆能起到一定的稳定作用，则可以有效减少斜材的规格，降低塔的重量。

在500kV的输电线路工程中，一般在布置塔身斜材时，分为单分式和再分式。无论哪种方式，关键在于斜材和水平面的夹角的确定，夹角的大小直接决定了斜材的受力大小。夹角越大，则斜材抗外荷载的力矩越小，斜材所受到的力就越多，就需要更大的斜材规格。通过分析计算得出，当斜材和水平面的夹角控制在35°～45°之间时，塔的重量是最轻的。

4.3横隔面的优化

根据工程的要求，在塔身变坡处、直接受扭力的断面处、塔顶以及塔腿顶部断面处必须设置横隔面。在塔身坡度没有改变的区域内，一般横隔面的间距要在平均宽度的5倍处，一定不能大于5倍，同时也不能大于4个主材分段[3]。因此，在塔身坡度没有改变的区域内，通过横隔面的设置，能够有效提高铁塔的整体刚度，在力的传递上也更加高效，降低了铁塔的重量，均衡了塔内各个构建所受的力，保证了铁塔的稳定性。

5.结语

在角钢构件和钢管构件中，角钢塔的最主要优势是风载体型系数较高，这也正是导致角钢塔耗材量大的核心原因。同时圆断面杆件组成的塔架风载要比型钢杆件小。在使用角钢杠件时，需要进行稳定强度折减验算，而钢管则不需要复杂的验算步骤。钢管材料的截面刚度比角钢要大，稳定性能较强。因此，在该工程的设计中，采用的是混合炫彩的方式，对于受力较大的主材使用的是钢管，其他的斜材则采用角钢，保证了输电线路的安全与稳定。

参考文献

[1] 赵远涛，李京凯，刘文勋，徐维毅，李健，朱焰，于跃. ±800kV特高压直流耐张塔跳线的优化方案[J]. 电力建设，2012，02：27-31.

[2] 胡毅，刘凯，刘庭，肖宾，彭勇，苏梓铭. 超/特高压交直流输电线路带电作业[J]. 高电压技术，2012，08：1809-1820.

[3] 任杰. 输电线路铁塔的选型设计与结构优化研究[D].华北电力大学，2014.