特高压直流输电线路杆塔结构优化

【摘要】在我国电网快速发展的背景下，为保证电网运行的可靠性，不但要加强对各设备的管理，同时也需要做好对输电线路杆塔的管理。尤其是特高压直流输电线路杆塔，其结构设计与稳定性与电网的运行有着密切联系，其结构在架空特高压输电线路中占有重要地位，通过结构的优化，能够在整体上提高输电线路建设的效果。本文基于可靠性对特高压直流输电线路杆塔结构优化进行了简单分析。

【关键词】特高压;直流输电线路;杆塔;结构优化

输电线路杆塔主要完成对架空输电线路的支撑，常见的杆塔材料为钢材、钢筋混凝土等，并且按照材料可以分为多个种类，主要包括角钢塔、钢管塔、钢筋凝土杆以及钢管杆等，其高压直流输电线路杆塔主要选择用角钢塔，具有可靠性高以及使用年限长等优点。为了能够更好的提升电网运行可靠性与稳定性，需要进一步对杆塔结构进行研究，基于可靠性对其进行优化。

一、特高压直流输电线路杆塔型式选择

1.杆塔类型

随着我国电网建设程度的不断加深，特高压直流输电线路数量也在不断增加，在输电线路建设过程中，杆塔型式的选择与结构设计是否合理也影响着电网运行的可靠性与稳定性。现在我国特高压直流输电线路杆塔型式主要包括拉线杆塔与自立杆塔两种，其中耐张塔主要为自立杆塔。拉线杆塔所需钢材数量少，其质量只为自立杆塔质量的60%～80%，受钢材产量影响，现在以拉线杆塔为主要型式，已经被广泛应用于各级电压输电线路的建设[1]。同时，拉线杆塔建设往往需要占据大面积的耕地，并且在后期维护管理中存有较大难度，随着科学技术的快速发展，以及各类杆塔型式的更新，拉线杆塔应用数量在不断减少。

2.导线排列方式

就我国特高压直流输电线路建设现状来看，大多数选择双极同塔的建设方式，其中在重冰区，受覆冰率影响，覆冰率过大会对杆塔造成较大的扭矩，一般会选择用双极双塔的方式建设。本文主要对双极同塔方式进行了分析，此种方式在排线方式上主要分为水平排列与垂直排列两种，其中选择垂直排列方式可以降低杆塔高度，并且能够有效平衡杆塔荷载，具有更高的安全性与经济性[2]。另外，对于局部走廊拥挤地段可以选择用垂直排列的方式。

3.绝缘子串塔型比较

悬垂绝缘子串直线塔与V形绝缘子直线塔塔头结构设计存在很大的区别，传统特高压直流输电线路杆塔建设主要选择悬垂绝缘子串线塔，但是在一些建设空间受影响的地方可以选择用V形绝缘子串直线塔，达到减少走廊宽度的目的，能够有效改进因为村庄密集而线路穿越困难的问题[3]。

二、杆塔设计方法分析

1.极限状态设计方法

大部分特高压直流输电线路选择用以概率理论为基础的极限状态设计方法，通过可靠指标来衡量结构各构件的可靠性。杆塔结构的极限状态即结构或者构件在规定各荷载组合作用下或者各种变形限值条件下，满足线路安全运行的临界状态。结构极限状态包括正常使用极限状态与承载力极限状态两种，结构强度、连接以及稳定性等都必须要控制在承载力极限状态下，选择荷载设计值与材料强度设计值进行计算;而结构的变形则必须要严格控制在正常极限要求内，采用荷载标准值进行计算[4]。其中，对于杆塔结构承载力极限状态的计算，公式为：

对于基本组合，荷载效应设计值S计算公式为：

其中，γo表示结构重要性系数;R表示结构构件抗力设计值;S表示荷载效应组合设计值;γG表示永久荷载分项系数，其中对结构受力有利时，取值1.0，不利时取值1.2;Qi表示为第i项可变荷载分项系数，取值为1.4;QiK表示为第i项为可变荷载保准值;CG、CQi表示永久荷载与可变荷载标准值;Ψ表示可变荷载组合系数，正常运行情况下取值为1.0，断线与安装情况下取值为0.9，验算工况时取值为0.75;GK表示为永久荷载标准值。

对于杆塔正常使用极限状态的计算，采用荷载标准组合，即：

其中，δ表示结构与构件裂缝宽度或者变形规定限制值，单位mm。

2.风荷载计算方法

（1）线条风荷载计算

我国对特高压直流输电线路杆塔线条风荷载标准值计算公式为：

其中，α表示风压不均匀系数;μZ表示风压高度变化系数;μSC表示导线与地线体型系数，其中线径在17mm或者覆冰情况的，μSC取值为1.2;线径在17mm以上的，μSC取值为1.1;βC表示为线路导线与地线风荷载调整系数，并且只用于计算作用杆塔上的导线与地线风荷载;d表示导线与地线外径或覆冰时计算外径，单位m;Lp表示杆塔水平档距，单位m;θ表示风向与导线或者地线方向之间夹角;V表示基准高度风速，单位m/s;Wo表示基准风压标准值，单位kN/m2。

（2）塔身风荷载计算

对于特高压直流输电线路杆塔塔身风荷载计算公式为：

其中，WS表示风向与杆塔塔面相垂直时，杆塔风荷载标准值;μZ表示为风压高度变化系数;μS表示构件体型系数，如果杆塔构件材料为型钢，则按照1.3（1+η）计算，η为塔架被风面降低系数;βZ表示为杆塔结构风荷载调整系数，其中如果杆塔高度在60m以内，应按照相关要求确定系数;如果塔高度在60m以上，应选择由下到上逐段增大的数值，但是加权平均值对自立式铁塔不小于1.6;Af表示构件承受风压投影面积计算值。

3.构件承载力计算

按照我国电线杆塔结构设计相关规范要求，对于特高压直流输电线路结构承载力计算公式为：

其中，N表示轴心压力设计值，单位N;Φ表示为铁塔轴心受压构件稳定系数;mN表示压杆稳定强度折减系数;A表示构件毛截面面积，单位mm2;f表示刚才强度设计值，单位N/mm2。

三、杆塔设计优化措施

1.塔头优化

（1）塔头

在对特高压直流输电线路杆塔塔头结构进行优化时，可以选择四种方案：

第一，常规干子塔布置方式。此种设计方案塔头结构简单，传力更为清楚，导线与地线荷载分别通过导线横担与地线横担传到塔身。如果选择此种设计方案，需要满足杆塔高度要求，因为此种杆塔设计方案要求地线横担高度比较高，与其他方案相比大约高出3～4m，杆塔自身质量也比较大，不但钢材需求量要大，同时对结构构件的加工精度要求也比较高，如果安装过程中管理稍有不慎就会影响杆塔建设质量，进而会对后期电网的运行造成影响，需要结合实际情况来确定是否选择此种设计方案。

第二，干子塔改进型。即以干子塔形式为基础，对其进行改造，针对地线横担高度问题进行了优化，解除了此方面的干扰，进而也能够减少钢材用量，解决了干子塔结构设计具有的缺点，在应用上可以得到更广泛的应用。经过改造后的杆塔塔头结构相对复杂，在加工精度上要求更高，杆塔安装时难度较大，并且地线横担下平面斜材负端距过大，如果施工时处理不当机会出现平面失稳的情况。

第三，直流羊角塔方式。此种方案是一种比较常用的杆塔设计形式，与干子塔结构相比，外形更为轻巧，并且杆塔的质量也比较小，唯一的缺点是外观相对较差。

第四，干子塔与羊角塔结合形式。将两种杆塔塔头形式进行结合，综合两种方式的优点，达到外形美观、质量轻的目的。但是此种方案塔头设计后横担正面斜材受力要大于前三种方案设计。

图1 塔头布置方式

对于杆塔塔头设计方案的选择，需要结合输电线路建设的实际需求，以及杆塔设置地理位置来确定，保证杆塔设置的有效性与合理性，能够更好的提高电网运行的稳定性与可靠性。

（2）导线横担

导线横担设计方式主要可以分为三角形与方形两种，其中三角形横担传力更直接，斜材大多为辅助材，整个结构造型更简单轻巧。但是，三角横担端部夹角比较小，使得横担吊杆负端距比较大，在大负荷条件下下端部节点板太大，运输与安装相对困难。并且，此种设计方式垂荷方向无支撑，会增大端部挂线角钢体积，造成其与结构整体不协调。方形横担挂点结构刚度比较好，能够更好的承担较大的荷载，并且不会造成变形。此种设计方式其结构造型相对笨重，里面斜材受力比较大，而质量与三角横担结构质量差不多。因此，在进行杆塔设计时，对于横担开口较小的担挂点直线塔应选择三角形横担，如果横担开口较大，则应选择用方形横担。

2.直线荷载设计

特高压直流输电线路杆塔结构设计，确定的杆塔高度并不相同，在对其直线荷载进行计算时，确定的导线与地线高度系数群取值也不同，为了能够提高杆塔构件承载力，在进行直线荷载设计时，需要采取分组的方式，即不同呼称高度对应不同水平档距[5]。当设计风速与水平档距确定时，杆塔越高则导线与地线高度系数越大，在实际工程建设中，杆塔高度主要根据经济呼称高度来确定，但是在设计过程中还需要考虑交叉跨越、边线、风偏以及跨林区等情况，以满足实际需求为目的，适当提高杆塔高度。如果按照同一规划使用条件设计所有呼称高杆塔，将会降低杆塔单基经济指标，不但会增加杆塔质量，同时还会增加基础作用力，形成资源浪费。由此可见，在对特高压直流输电线路杆塔结构直线荷载进行设计时，尤其是呼称高与宽度均较大的杆塔进行设计时，应按高度进行分组设计，争取提高对各构件承载力的应用效率，在减少杆塔自身质量的同时，提高杆塔直线荷载力，完成对杆塔结构的优化设计。

四、结束语

电网建设的快速发展，逐渐涌现出更多特高压直流输电线路，为保证电网运行的稳定性与可靠性，应针对特高压直流输电线路运行特点进行研究，做好电源建设，提高资源开发的合理性。特高压直流输电线路具有工程线路长、杆塔荷载大等特点，这就需要结合实际需求做好对杆塔结构设计的优化，争取进一步提高线路投资以及环境保护的有效性。

参考文献

[1]范文亮，李正良，王承启.多变量函数统计矩点估计法的性能比较[J].工程力学.2012，（11）：32-33

[2]范文亮，李正良，韩枫.单变量函数统计矩的点估计法性能比较[J].工程力学.2012，（09）：15-16

[3]张国良.快速实现输电线路杆塔排位优化的方法[J].电力建设.2011，（05）：21-22

[4]邹建华，黄伟.湖北宜昌地区线路覆冰分析及对策[J].湖北电力.2010，（S1）：48-49

[5]莫柳柳.输电线路基础施工质量的技术控制措施[J].科技资讯.2011（04）：65-66