重冰區(qū)220kV線路桿塔選型與設(shè)計優(yōu)化

鄒相國 易黎明 王四秀

（湖北省電力勘測設(shè)計院，湖北 武漢 430040）

相對常規(guī)冰區(qū)桿塔而言，重冰區(qū)桿塔具有較多特殊性。一是冰凌荷載大，成為設(shè)計中主要控制條件，在重覆冰的情況下，存在因過載冰荷重而造成斷線、倒塔等巨大威脅；二是相鄰檔因不均勻冰或不同期脫冰造成地線支架、導(dǎo)線橫擔(dān)的破壞等；三是運行維護(hù)特別困難，常常需要在冰天雪地中巡查、搶修，勞動強度大且條件惡劣。因此，加強對重冰區(qū)桿塔的設(shè)計研究，成為保障重覆冰線路安全運行的前提。

本文結(jié)合現(xiàn)行設(shè)計規(guī)程，針對恩利線的工程特點，對220kV重冰區(qū)的輸電桿塔設(shè)計和優(yōu)化進(jìn)行了研究和探討。

1 重冰區(qū)桿塔規(guī)劃

重覆冰線路定位檔距不宜太大，且各檔距間盡量均勻，以減少不平衡張力；其次，各相鄰檔的高低差也要求小一些，以避免脫冰跳躍和不均覆冰時引起懸垂絕緣子串上翻，碰壞絕緣子和出現(xiàn)永久性接地故障。

根據(jù)220kV恩利線工程，對20mm冰區(qū)、30mm冰區(qū)桿塔的桿塔規(guī)劃，一方面確保檔距合理，另一方面耐張塔轉(zhuǎn)角度控制在40°以內(nèi)，并充分結(jié)合線路實際使用檔距情況。20mm冰區(qū)直線塔采用ZBC21、ZBC22，30mm冰區(qū)直線塔采用ZBC31、ZBC32；對于耐張塔也各自規(guī)劃兩個塔型，分別用于0～20°轉(zhuǎn)角、20～40°轉(zhuǎn)角，且2型轉(zhuǎn)角塔同時兼做冰區(qū)分界塔。

2 桿塔選型

2.1 直線塔選型。根據(jù)以往經(jīng)驗，I串在重冰區(qū)防冰閃效果不如V串，而且V串布置可靠性更高，因此220kV重冰區(qū)直線塔采用V串懸掛。對于一般單回路桿塔，直線塔中貓頭塔和酒杯塔都是比較成熟的型式。以本工程20mm冰區(qū)1型直線塔為例，相對貓頭塔而言，酒杯塔導(dǎo)線位于同一高度，走廊寬度大，傳力路徑相對更為清晰，而且同樣呼高下全高較小，由此塔重也較輕；而貓頭塔則相對走廊寬度小，導(dǎo)線三角形排列導(dǎo)致桿塔全高增加，塔重也因此增加較多，但是可以獲得更小的保護(hù)角。而且通過計算表明，同樣呼高情況下，酒杯塔塔身、塔腿主材規(guī)格會相對小一些，有利于山地運輸。

考慮到通常重冰區(qū)線路一般位于山區(qū)，走廊相對寬裕，走廊空間不作為主要考慮因素。DL/T 5440-2009規(guī)程也建議重冰區(qū)桿塔導(dǎo)線宜采用水平排列，這種排列方式有利于防止線條脫冰跳躍時過于接近，甚至導(dǎo)線之間出現(xiàn)閃絡(luò)跳閘等情況的出現(xiàn)。而且酒杯塔可以獲得更小的主材規(guī)格，有利于山地塔的運輸。因此，經(jīng)綜合比較分析，220kV重冰區(qū)的直線塔推薦采用酒杯塔。

2.2 耐張塔選型。目前220kV及以上電壓等級的耐張轉(zhuǎn)角塔，主要為干字型塔。這種塔型結(jié)構(gòu)簡單，受力清楚，占用線路走廊窄，而且施工安裝和檢修比較方便，因此在國內(nèi)各電壓等級線路中大量使用，積累了豐富的運行經(jīng)驗。本工程重冰區(qū)耐張塔也采用干字型塔。以本工程JC21桿塔為例，根據(jù)轉(zhuǎn)角度的不同，選擇不同的導(dǎo)線掛點，以獲得更大的電氣安全距離，進(jìn)一步確保運行維護(hù)的安全可靠。

3 桿塔設(shè)計優(yōu)化

3.1 塔頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化。塔頭的結(jié)構(gòu)布置，需要保證導(dǎo)地線荷載傳力清晰可靠。對于直線塔，本工程的設(shè)計塔頭設(shè)計優(yōu)化主要體現(xiàn)在以下兩方面：（1）導(dǎo)地線荷載通過曲臂傳遞至塔身，上下曲臂交點處，在鐵塔正視圖中表現(xiàn)為點接觸，為了確保剛度和傳力的可靠，對上下曲臂交點處主材之間的夾角按大于20度進(jìn)行處理。（2）上下曲臂內(nèi)部的桿件平面因為構(gòu)造原因，通常斜材桿件負(fù)端距大、偏心大，這與桿塔計算時的桿件模型將存在較大出入，為了保證重冰區(qū)桿塔的安全性，此處除了需要考慮偏心的影響之外，將塔頭的受力主要通過主材傳遞，傳力更為清晰可靠。

3.2 塔身節(jié)間布置。鐵塔主材節(jié)間的布置與塔身斜材的布置二者是相互關(guān)聯(lián)、相互影響的。在具體桿塔設(shè)計過程中，一般按照結(jié)構(gòu)最優(yōu)、受力最佳的原則進(jìn)行布置。根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，為使主材受力均勻同時減小桿件規(guī)格，可從以下兩個方面進(jìn)行調(diào)整：（1）主材構(gòu)件長度控制。由于本工程位于山區(qū)，考慮到運輸和組裝的方便，以及避免運輸過程中構(gòu)件的變形，對主材單根構(gòu)件的長度控制不超過9m，同時重量不超過500kg。在桿塔設(shè)計時，通過采用Q420高強鋼，同樣受力情況下，降低了主材規(guī)格，以減輕單根構(gòu)件重量。（2）根據(jù)相關(guān)計算經(jīng)驗，斜材和水平面夾角的大小將直接決定斜材抵抗外荷載的能力。從國內(nèi)外科研成果、工程設(shè)計實際經(jīng)驗以及鐵塔真型試驗來看，塔身斜材與水平面的夾角取35°～45°為宜，不宜小于30°或大于50°；根據(jù)以往的設(shè)計經(jīng)驗，塔腿主斜材夾角不得小于18°，宜控制在20°以上。

3.3 塔身隔面布置。鐵塔應(yīng)在塔身變坡斷面處、直接受扭力斷面處和塔頂及塔腿頂部斷面處設(shè)置橫隔面?？紤]到本工程重冰區(qū)桿塔的特點，按不大于平均寬度的3倍，同時不大于3個主材節(jié)間分段設(shè)置隔面，以進(jìn)一步增加剛度。

3.4 節(jié)點構(gòu)造優(yōu)化。節(jié)點構(gòu)造是設(shè)計的一個重要環(huán)節(jié)，鐵塔真型試驗破壞往往與節(jié)點構(gòu)造不當(dāng)有關(guān)。本工程重冰區(qū)桿塔在以下幾個方面進(jìn)行了節(jié)點優(yōu)化：（1）直線塔上下曲臂的交點，連接板進(jìn)行卷邊處理，且上下曲臂受力桿件盡量減小負(fù)端距，以保證節(jié)點的強度。（2）直線塔頸口處采用雙面連接，且采用火曲角鋼作為內(nèi)包角鋼，進(jìn)一步增強節(jié)點的強度和剛度。 （3）耐張塔塔身變坡位于下橫擔(dān)下面一個節(jié)間，從而簡化了下橫擔(dān)與塔身連接處的節(jié)點構(gòu)造，使傳力更為可靠。

結(jié)語

重冰區(qū)桿塔因其其覆冰荷載較大，成為桿塔設(shè)計時的主要控制條件。本文以220kV恩利線重冰區(qū)桿塔為分析對象，結(jié)合相關(guān)規(guī)程，對220kV重冰區(qū)線路的桿塔規(guī)劃、桿塔選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化等多方面進(jìn)行了總結(jié)。隨著新材料、新技術(shù)、新工藝等不斷發(fā)展，電壓等級也逐漸提高，要求對于重冰區(qū)桿塔設(shè)計的方案和思想都要尋求新的突破，不斷加強桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計的研究和試驗工作，以確保桿塔的可靠性的，同時充分考慮桿塔加工、運輸以及組裝的方便，全面保障重冰區(qū)輸電線路的安全運行。

[1]110～500kV 架空送電線路設(shè)計技術(shù)規(guī)范[S].