输电线路铁塔结构设计优化探讨韦平

输电线路铁塔结构设计优化探讨韦平

韦平

（广西谦嘉电力有限责任公司广西南宁530021）

摘要：当前我国电网建设由于受经济发展与地理环境的影响，呈现出长距离、大规模、高等级等主要特点。目前我国的特高压工程与日俱增，在技术方面取得的成果也非常喜人，但与发达国家相比，我国输电线路铁塔在设计过程中的理念与技术还存在一些问题。因此，需要研究输电线路铁塔结构设计优化，以节约输电成本、提升输电质量。

关键词：输电线路；铁塔结构；设计优化

1输电线路杆塔的分类及概述

输电线路杆塔是输电线路建设过程中必不可少的重要结构组件，其主要的功能就是把导线、避雷线和附属设备进行支撑架空，从而保证所有相关的导线之间，导线与地面和一些交叉跨越物之间保持安全的距离。在电力系统中主要应用的电力线杆塔主要分为：直线杆塔、耐张杆塔、转角杆塔、换位杆塔、跨越杆塔、终端杆塔这五大类。

而电力杆塔建设主要采用两种材料形式：铁塔和钢筋混凝土塔。一般在输电线路的电压等级大于110kV时都采用铁塔形式，而电压等级小于66kV时会多采用钢筋混凝土塔。在输电距离较远，线路电压等级高，施工环境复杂的环境一般采用铁塔。由于铁塔结构的可变性，铁塔结构的安全性方面有着相当的优势。但是铁塔的使用对材料的需求量也大，结构设计不合理也会导致杆塔本身的抗弯矩和承载力的不足，并造成材料浪费。

因此电力线路杆塔必须要根据线路的电压等级、回路数量、环境情况等进行考虑，从而选择合适的杆塔形式后在针对实际情况进行优化选择，从而选择最为合适的杆塔结构，从技术性、经济性方面综合对杆塔的选择进行评判。

2铁塔设计的原则

输电网能够有效的发挥其作用，主要是输电线路中的各个组件要能够承受运行过程中的各种外来因素影响，尤其是输电线路的杆塔部分，必须要能够承受一些外在环境的影响，必须要能够稳定的矗立在地面上，保证线路的正常可靠运行使用。所以说杆塔设计中，需要注意以下的设计原则问题：①杆塔的设计必须要保证杆塔的强度，要保证杆塔能够在一些极端条件下稳定，要能够有效的抗震，有效的抵抗一些断裂破，环境污染导致的线路绝缘破坏，以及雷击破坏等；②杆塔的美观经济性也必须要考虑，杆塔的设计中对于杆塔各个部分都必须要进行考虑，只有这样才能够有效的保证杆塔的美观；同时需要考虑各个部件的价格要合理；③杆塔材料施工质量，杆塔使用的所有材料的质量必须要达到使用的要求标准，同时，杆塔的底座钢筋混凝土施工的质量也是必须要做好设计和准备的。

3铁塔结构设计优化

3.1铁塔塔头优化设计

在以往常规双回路线路中，塔头形式一般布置为鼓形。该塔头布置形式较为简洁，传力清晰，由于导线采取垂直排列方式，塔头较高，当有跨越要求时，为满足电气对地距离要求，全塔高度较高，导致塔身风荷载和上层导地线风荷载较大，塔材耗量和基础作用力均较大。另外一种形式为双层横担的V串塔型，塔头为三角形布置方式。

鼓型塔：优点是铁塔挂点简单明确、由上而下受力传递清晰，导、地线的垂直荷载、水平荷载经塔头横担上相应挂点传递到铁塔的身部，同时走廊较窄。缺点为导线采用垂直排列，上下相之间的电气距离要求使得塔头较高，塔重较重，约34800.0kg。

双层横担塔：优点为导线布置采用三角排列，比常规塔头布置减少了一层横担从而有效降低了塔高，导地线风荷载和塔身风荷载降低明显，塔重较轻，约29700.0kg，而且其基础作用力较小。缺点是下导线横担较长，构造复杂，且走廊较宽。

通过以上两种形式的分析，同时参考已投运的工程中的成熟的设计成果，上述两种形式都有各自的优点及缺点。鼓塔型塔头布置较为简洁，传力清晰且走廊较窄；V串双层横担塔，导线采取三角排列方式，能有效降低塔高近10m，塔材较鼓形塔降低约10%，同时其基础作用力也减少12%以上，综合经济效益明显。线路一般对走廊的要求不高且有高跨要求，采用两层横担的V串塔型对降低工程造价显得更有意义。

2.2铁塔塔身横断面样式分析

一般来说，高压输电线路所用的直线型铁塔的塔身横断面样式，有长方形（即矩形）和正方形。直线型铁塔的水平荷载（即垂直于线路方向，平行于横担方向）大于其顺线路方向的纵向荷载，故此情况下的铁塔塔身横断面为长方形的样式是正确的。但其抗纵向荷载能力较差，而方塔抗纵向荷载能力强。因一般电压等级的线路为主网电源点输出线路，其安全性、稳定性、重要性要求较高，故一般采用正方形横断面的铁塔塔身。

对有相同斜材形式的铁塔身部而言，能够对其主材和斜材产生直接作用的是塔身坡度的变化。坡度是由塔身高度、塔身瓶口宽度和塔脚根开这三个独立的变量确定的，即为（塔脚根开－塔身瓶口宽度）/塔身高度。

当塔头形式和呼高确定后，塔身就是一定值，这时塔身坡度就由塔身瓶口宽度和塔脚根开来确定。塔脚根开与塔身瓶口宽度的差值越大，塔身坡度越大；塔脚根开与瓶口宽度的差值越小，相应的塔身坡度越小。在塔身变坡处宽度一定的情况下，塔身坡度的优化实际上就是铁塔根开的优化，铁塔根开的大小会控制塔身主材，进而影响整基塔的重量，同时还会对基础作用力的大小产生较大的影响。塔身坡度越小，铁塔斜材越短。

塔身坡度、铁塔整体的安全稳定以及铁塔重量，三者是相辅相成的，不断变化的，需要反复设计计算，找到三者的契合点。其中，塔身瓶口宽度尺寸一般来说可调节范围较小，但是其甚至影响到整个铁塔的刚度、塔头的稳定性和全塔的重量。

2.4塔身斜材布置优化

双回路直线塔塔身较长，主要受力斜材布材形式的合理与否，不但影响铁塔本身的受力安全可靠，对铁塔本身的重量和对应工程本体的造价，也是至关重要的。

因此在设计计算中，也需考虑对斜材布材样式的优化。塔身斜材常用的布置型式有“正K型”、“倒K型”、交叉式等布置，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情况的发生，使斜材受力成为拉压系统，充分利用拉压系统的受力特性（拉杆对压杆的稳定计算起支撑作用），可减小斜材规格，降低塔重。

斜材布置形式和塔身主材分段长度及辅助材布置型式是密切相关的，确定受力斜材与主材的夹角可使斜材布置合理，外观显得协调。夹角大，斜材较平，布置过密，易形成由长细比控制选材，不能充分发挥材料性能。而角度过小，内力加大，会加大选材规格，增加材料长度。结合以往铁塔设计经验可知，当斜材与水平面的夹角控制在35°～45°之间时，塔重较轻。当然，在初步确定布材以后，需要不断对斜材的布置进行调整以使设计趋于最合理化。

2.5塔身横隔面的布置

一般，对于在变坡处，集中荷载受力处等必须设置受力横隔面。横隔面的形式通过以往工程的经验积累和不断优化，许多已经成为了典型隔面形式。选用合适的形式，优化布置铁塔身部的横隔面，对于向下传递由结构上部外荷产生的扭力、减小塔重、均匀塔身构件内力、减小塔身扭转效应具有一定的作用。在实际设计的过程中，需要处理好的关键所在是横隔面的上、下间距的优化布置。

结语

随着社会对电力需求的逐渐增大，输电线路的压力也日益增加，想要确保电力输送的充足，就需要对铁塔的结构进行合理设计，实现对结构的优化。

参考文献：

[1]孙宇爽.高压输电线路铁塔结构设计要点分析[J].电子世界，2014，18：68.

[2]方明辉.关于输电线路的铁塔结构设计论述[J].山东工业技术，2015，08：194.