| 工业设计| Industrial Design
·164·2016年11月重冰区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）
摘 要：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。
关键词：重冰区；单回路；输电线路；铁塔；设计
中图分类号：TN823+.12 文献标志码：A 文章编号：2096-2789（2016）11-0164-03
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
（a）酒杯塔塔头 （b）猫头塔塔头
（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）。
DOI:10.19537/https://www.doczj.com/doc/3c11335869.html,ki.2096-2789.2016.07.116