800kV特高压直流输电线路直线杆塔结构设计策略探讨.docx

800kV特高压直流输电线路直线杆塔结构设计策略探讨 摘要：本文主要对800kV特高压直流输电线路杆塔结构设计原则及优化策略进行了分析与探讨，以供同仁参考关键词：800kV特高压直流输电线路；杆塔结构；设计原则；优化策略1. 前言 800kV特高压直流输电线路工程是一项耗资、规模较大的电网标准化工程它的实施主要是为了进一步提高我国的输变电电网工程质量，强化电网管理，提升供输电效率近年来为了加速我国的输变电电网工程改造，全面推进电网一体化进程，政府相继出台了不少行业标准在这一工程当中，线路工程杆塔费用支出在整个输电线路工程当中占据主导位置鉴于这种情况，在对800kV特高压输电线路工程进行设计的过程中，相关的专业设计人员一定要针对工程所在地的基本情况，来对线路杆塔塔头进行科学合理化的设计，在保证线路杆塔塔头设计满足相关工程标准的基础上，尽可能地控制成本，寻求线路杆塔塔头质量与成本之间的最佳结合点目前，我国800kV特高压输电线路的杆塔结构设计仍然存在着一定的限制因素，所以在设计中也需要逐步深入，满足项目设计的整体需求本文主要对800kV特高压直流输电线路杆塔结构设计原则及优化策略进行了分析与探讨，以供同仁参考。

二、800kV特高压输电线路直线杆塔结构设计原则800kV特高压输电线路直线杆塔结构设计目前最科学、最常用的杆塔结构设计方法是极限状态设计法，其方法基础以概率理论为主相关人员在设计杆塔结构时，必须确保结构完全输电线路的严格电气性能规定，通过可靠度指标对杆塔构件的真实可靠度进行度量确定一般来说，杆塔结构的设计应严格遵守下列三大原则：一是必须坚持保证杆塔的刚度、稳定、强度和投入运行的可靠性、安全性为设计前提的原则二是结构设计应坚持结构形式简洁、构件布置科学、传力线路清晰、简单、直接、精短的设计原则三是应坚持合理降低钢材的消耗量，控制杆塔造价的合理性、经济性的设计原则在研究杆塔结构的设计方法时，不但要研究杆塔结构的构件承载力计算、力学模型计算、杆端节点机构分析等问题，而且要对杆塔模型的选择进行深入的研究，探讨塔头类型、铁塔节间、根开、坡度等的布局及改善提升方法在现阶段，杆塔设计通常以理想的铰接式空间桁架为设计基础，把塔空间视为完整的静态系统，根据受力的稳定条件和平衡条件展开杆塔内力的分析，来选择合理的杆塔材料三、800kV特高压输电线路直线杆型结构设计要点探讨（1）杆塔选型针对工程的具体特征，科学、合理地选择铁塔结构型式是保证工程安全可靠和控制造价的关键之一。

影响工程的技术指标主要在于比例较高的直线塔，所以直线塔的选型和优化是工程优化设计的重点1）导线挂线方式对于直线塔来说，导线的挂线方式直接决定了塔头尺寸的大小（主要是极间距的大小），从而影响到铁塔的钢材耗量和线路的走廊宽度如何尽可能减小极间距是水平排列直流线路控制铁塔技术指标的关键直线塔导线的挂线方式无论是交流还是直流常用的有“I串型式”和“V串型式”I串挂线方式由于风偏和摇摆角的因素，从而使得其极间距较V串挂线方式大，普遍是V串时的1.3倍左右；同时I串由于绝缘子串呈悬垂型式，使得在相同的线高下铁塔高度较V串方式要高4m左右；由此而导致在相同线高下I串方式的塔重是V串方式的1.1～1.15倍对于重冰区，直线塔采用“V”串布置，除了可较大幅度减小塔头尺寸，降低塔重外，还能提高重冰区的冰闪和污闪电压，有效的防止脱冰跳跃据国外资料，一定条件下，采用“V”串较I串能提高绝缘子串的覆冰耐压10～20%，且导线脱冰跳跃时稳定性好很明显，采用V串的挂线方式，一方面可减小塔重，另一方面可减小线路走廊宽度，减轻对环境的破坏2）塔头布置型式羊角型和干字型塔是水平排列直流线路国内外最常用的塔型，属于成熟塔型，具有型式简洁、传力清楚、塔重较轻、基础费用省、运行维护方便等特点。

表1、塔头型式比较塔头型式干字型羊角型方案一方案二方案三方案四示图优点常规干字型塔的塔头布置方式该方式的优点是塔头简练，传力清楚，导地线荷载分别由地线横担和导线横担直接传到塔身上在方案一的基础上的改进型式，即地线高度不受结构构造要求加高，是500kV直流线路常用的型式该方式的优点是保持了方案一传力清楚的优势，同时较方案一减轻了塔重常用直流羊角塔的型式，较干字型塔外形显得更轻巧，导地线荷载在靠近塔身附近共同由导线横担传力，因此避免了构造要求增加的塔重；塔重较干字塔轻该方案为综合干字型塔和羊角塔优点的基础上对其缺点加以改进后的推荐型式外形美观，塔重轻缺点由于构造要求使得地线横担很高，较其它方案高3～4m，从而导致塔重最重同时，地线横担下平面和导线横担上平面主材在塔身交点处的板需双向火曲，对加工精度要求高，安装不方便塔头臃肿，同时，导地线横担上平面主材在塔身交点处的板同样需双向火曲，对加工精度要求也高，安装不方便并且，地线横担下平面斜材负端距过大，当节点处理不恰当时，容易造成平面外失稳同方案二一样，由于构造要求使得横担上下平面间的塔身段较长，而影响了塔重，且纵向扭矩能力相对不足外形上尽管较干字塔略为轻巧，仍然显得不够美观。

横担正面斜材受力较其它方案大，且纵向抗扭能力不如方案三由上表的分析内容，从传力、外型、节点处理、塔重等多方面进行比较，直线塔主要塔头型式推荐采用上表中方案四的羊角型塔图1、直线塔塔头型式而对于微气象区(覆冰变化明显的分水岭)、岩溶区、采空区等地，羊角型塔在变形上不容易满足要求时，应首选单极运行的酒杯塔该种塔型实质上是将直流线路的同塔双极架设，拆分为两个单极运行，以此来避免过大的扭距和扭转变形问题，等同以往同塔双回建设的线路在经过重冰区时为了解决脱冰舞动等一系列问题而改成两个单回建设，是较成熟的塔型图2、单极运行的酒杯塔（2）铁塔选材综合考虑钢管塔加工、运输、安装的难度及造价经济性，本工程不推荐采用钢管塔；双组合角钢方案：旋转90度后的新型十字型截面较常规截面受力分布更加均匀，承载能力有所提高，可在本工程中推广使用；本工程推荐螺栓级别分别为：M16及M20螺栓6.8级，M24螺栓8.8级3）杆塔结构布置优化在保证铁塔的强度、可靠度、稳定性和必要的刚度、满足变形要求的前提下，通过铁塔结构优化设计，力求满足以下要求：结构形式简洁，杆件受力明确，结构传力路线清晰；结构构造简单，节点处理合理，利于加工安装和安全运行；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；结构节间划分和构件布置合理，充分发挥构件的承载能力；结构选材合理，降低铁塔钢材耗量，使铁塔造价经济合理。

1）横担结构优化对于V串直流直线塔横担方式普遍采用的是三角型横担(如下表中的方案一)，部分采用梯形横担(方案二)和梯形与三角形结合的横担(如方案三)表2、横担型式比较三方案比较分析并结合直流塔的试算情况，方案三的横担结构最为省材，故推荐方案三的横担结构2）地线支架结构优化常用的地线支架型式有两种，如下图表3、地线支架型式比较地线支架型式特 点方案一该型式挂线角钢直接受弯，往往导致挂线角钢规格较大，节点板尺寸较大同时悬臂部分(500kV悬臂长一般在0.4m，而800kV悬臂长一般在0.8～1.0m)不方便检修地线方案二该型式避免了挂线角钢直接受弯的问题，结构受力合理，角钢规格和节点板较小同时也有利于检修根据上表中两方案的比较，结合地线头受力的特点，推荐直线塔地线支架采用方案二的型式3）塔身主材节间长度优化铁塔构件的承载能力与构件的长度、截面面积及材料屈服点有关当构件的规格由强度控制时，构件需要选取的截面面积(规格)与其所承担的内力成正比，内力愈大，所需截面面积愈大当构件的规格由稳定控制时，构件规格的选取则不仅仅与其所承担的内力有关，还与构件本身的长度有关，内力不变时，构件的长度越长，所需规格越大；而长度不变时，内力越大，所需规格也越大。

因此，当内力一定时，构件计算长度确定的合适与否会严重影响其截面的选择，从而直接影响塔重最佳的构件计算长度就是构件的强度与稳定相当时的计算长度(即临界长度)，要实现该目标，对于轴心受压的主材容易实现，但对于偏心受力的斜材一般很难达到，由于斜材往往较长，要实现其强度与稳定相当，势必增加许多辅助支撑材，反而导致塔重增加，且铁塔构件布置密集，增加了挡风面积，从而导致外荷载增加，而影响塔重对于800kV直流铁塔主材重量要占铁塔总重量的40%左右，塔身交叉斜材约占铁塔总重量的25%左右，其它为辅助材、节点板和螺栓重量很明显，影响铁塔重量的主要因素就是铁塔主材下面来分析主材的临界长度结合铁塔的计算情况，主材规格普遍在L140以上，当主材采用Q420高强度钢时，其相关的临界参数见下表：表4、主材临界长细比与临界长度规 格φλ，Q345λ，Q420L，Q345L，Q420L140120.82347.0042.60130.20118.00L140140.82147.3042.90130.10118.00L160120.84643.1039.00137.10124.00L160140.84543.2039.20136.50123.90L180140.83744.6040.50159.20144.60L180160.83644.8040.60159.00144.10L200140.85441.6037.70165.60150.00L200160.85341.8037.90165.50150.10L200180.85242.0038.10165.50150.10L200200.85142.2038.20165.80150.10L200240.84942.5038.60165.80150.50注：表中L180以上角钢按M24的螺栓考虑，其余按M20的螺栓考虑减孔。

由上表可得出，钢材的设计强度越大则临界长度越小，即Q420钢种比Q345钢种的临界长度要小角钢肢宽在140～160的主材，采用Q345和Q420时，最小轴布置的计算长度分别取1.3～1.4m与1.2～1.25m最合适；对于角钢肢宽在180～200的主材，采用Q345和Q420时，最小轴布置的计算长度分别取1.6～1.65m与1.45～1.50m最合适当然，节间长度的确定还受塔身的分段、接腿及外形尺寸等因素的制约，同时考虑到节间长度对斜材、辅助材的影响以及腹杆布置形式对主材的内力影响，往往很难理想地使主材长度达到按稳定计算的承载力等于按强度计算的承载力，但利用此长度作为设置节间长度的参考值，对杆件布置形式、节间长度的进一步优化，降低塔重具有重要作用4）横隔面布置优化根据构造要求：在铁塔塔身变坡处、直接受扭力的截面处和塔顶及塔腿顶部截面处必须设置横隔面；在塔身坡度不变段内，横隔面设置的间距一般不大于平均宽度的5倍，也不宜大于4个主材分段合理设置横隔面可加强铁塔整体刚度，对向下传递结构上部因外荷载产生的扭力、减小塔重、均衡塔身构件内力具有明显的作用特高压线路直线塔当呼称高大于60mm(因塔型而异)时，按照构造要求为满足铁塔的整体刚度需设置构造横隔面。

对于塔身不变坡段内横隔面的设置位置一般有以下三种方式(如下图)，若采用方式三。