山區(qū)超高壓線路新型桿塔設(shè)計研究

翟彬，李世鵬，李陶波

（山東電力工程咨詢院有限公司，濟(jì)南250013）

山區(qū)超高壓線路新型桿塔設(shè)計研究

翟彬，李世鵬，李陶波

（山東電力工程咨詢院有限公司，濟(jì)南250013）

對于山區(qū)500 kV超高壓線路，山地坡度大，鐵塔呼稱高易受邊導(dǎo)線對地距離的控制，使得鐵塔過高，線路造價也大大增加。以智圣—魯中500 kV線路工程為依托，針對500 kV超高壓單回線路在山區(qū)的特點，綜合考慮絕緣子金具串型式、塔頭規(guī)劃、電磁環(huán)境、防雷性能、鐵塔塔重、鐵塔受力情況等各方面的因素，并重點借鑒干字型塔受力特點，設(shè)計了下字型直線塔。通過對下字型直線塔在山區(qū)地形、走廊緊張地區(qū)、單雙回路分歧時、與其它塔型連接時適用性的分析，并與常規(guī)直線塔的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，論證了在山區(qū)采用下字型直線塔時，超高壓交流線路的設(shè)計更加安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理。

超高壓；山區(qū)；新型桿塔；塔頭規(guī)劃

0 引言

對架空輸電線路單回路直線塔而言，國內(nèi)、外廣泛采用的塔型主要有酒杯塔和貓頭塔，110～750 kV交流線路工程中均大量應(yīng)用了這兩種塔型，如圖1所示。

圖1 架空輸電線路塔型

貓頭塔和酒杯塔各有優(yōu)缺點，三相導(dǎo)線水平排列的酒杯塔橫擔(dān)長度大于貓頭塔，故線路所占走廊較寬。貓頭塔三相導(dǎo)線為三角排列，500 kV輸電線路貓頭塔中相導(dǎo)線要抬高10.5 m，導(dǎo)致鐵塔負(fù)荷增加，塔重比酒杯塔增加7%，占地面積增大50%，本體投資比酒杯塔增大10%，但線路走廊比酒杯塔減小30%。

由于山區(qū)線路走廊的拆遷量不大，為了降低工程造價，山區(qū)地段宜采用酒杯塔，而平丘地區(qū)線路走廊相對擁擠，拆遷量較大，宜采用貓頭塔。山地坡度較大，鐵塔呼高易受邊導(dǎo)線對地距離控制，下山坡側(cè)導(dǎo)線對地距離高，容易受到繞擊［1-2］。為了有效解決上述問題，綜合考慮絕緣子金具串型式、塔頭規(guī)劃、電磁環(huán)境、防雷性能、鐵塔塔重、鐵塔受力情況等各方面的因素［3］，特別是借鑒干字型塔受力較好的優(yōu)點，在智圣—魯中500 kV交流線路工程（以下簡稱智魯線）中規(guī)劃下字型直線塔，如圖2所示。

下字型直線塔頂架采用羊角型布置，地線和上導(dǎo)線采用公用頂架，下導(dǎo)線橫擔(dān)布置在下坡側(cè)，相對于酒杯塔，降低了呼高，減少了塔重。下字型塔屬于干字型塔的演化塔型，結(jié)構(gòu)型式簡潔，傳力路徑清晰，塔頭尺寸較小、結(jié)構(gòu)布置緊湊，動力性能更好，避免了酒杯塔和貓頭塔K節(jié)點變形［4-5］較大的問題，更加安全可靠。

圖2 下字型直線塔效果圖

1 新型單回路直線塔設(shè)計

1.1 串型選擇

對于輸電線路工程，I型和V型懸垂串都曾大量使用，與I型串相比，500 kV單回路鐵塔使用V型串時，鐵塔橫擔(dān)需加長4 m，但V型串可限制導(dǎo)線偏移，導(dǎo)線相間距減小約3 m，走廊寬度更小些，降低了房屋拆遷和樹木砍伐量，但鐵塔單基鋼材指標(biāo)將增加2%～3%，V型串絕緣子片數(shù)要增加1倍。

下字型直線塔主要用于單回路山地，拆遷量較少，線路走廊寬度不是主要制約因素，因此采用V型串的優(yōu)勢不明顯，推薦下字型塔采用I型懸垂串。

1.2 塔頭規(guī)劃

智魯線工程中，在10 mm和15 mm冰區(qū)單回路導(dǎo)線采用4×JL／G1A-630／45，地線采用JLB40-150。

1）導(dǎo)線間距離。根據(jù)線路規(guī)范［3］，當(dāng)全部采用I串時，水平線間距離D按式（1）計算。垂直排列導(dǎo)線的垂直線間距離取0.75D，但對采用懸垂絕緣串的桿塔，其垂直線間距離在500 kV時不應(yīng)小于10 m［3］。直線塔最小導(dǎo)線間水平距離計算結(jié)果如表1所示。

式中：Lk為懸垂絕緣子串長度；U為線路額定電壓；fc為最大弧垂。

2）電氣間隙距離。塔頭間隙圓中帶電檢修、操作、雷電過電壓以及工頻電壓等工況下，導(dǎo)線風(fēng)偏軌跡對桿塔構(gòu)件和工作人員之間的最小間隙，屬于導(dǎo)線對桿塔或相對地電氣間隙。

根據(jù)線路規(guī)范［3］相關(guān)規(guī)定，500 kV線路帶電部分與桿塔構(gòu)件的最小空氣間隙選取如表2所示。對于需要工作人員停留的部位，還應(yīng)考慮人體活動范圍0.5 m。因此，推薦下字型直線塔在海拔1 000 m時帶電作業(yè)檢驗間隙取3.7 m，雷電過電壓空氣間隙取3.3 m，操作過電壓間隙取2.7 m，工頻電壓間隙取1.3 m；塔身肢厚取0.3 m，橫擔(dān)肢厚取0.2 m。間隙圓圖如圖3所示。

表2 500kV線路空氣間隙值m

圖3 下字型直線塔間隙圓圖

3）地線支架高度。根據(jù)線路規(guī)范［3］，線路檔距中央導(dǎo)線和地線間的空間距離應(yīng)按雷擊檔距中央地線時導(dǎo)地線空氣間隙不發(fā)生擊穿的原則來確定，其值可由式（2）計算得到。

式中：S為導(dǎo)線與地線間的距離；L為檔距。

對于直線塔，導(dǎo)地線層間距不控制，導(dǎo)地線弧垂差和懸垂串高度即可滿足要求。

4）導(dǎo)線脫冰跳躍高度。根據(jù)重覆冰地區(qū)線路規(guī)范［8］，經(jīng)計算，15mm冰區(qū)導(dǎo)線垂直層間距不小于8.6m時，導(dǎo)地線間距不小于5.1 m時，滿足脫冰跳躍高度要求。

1.3 電磁環(huán)境

按照間隙圓及其它控制條件確定最小塔頭尺寸后，進(jìn)行電磁環(huán)境的校核計算工作。

1）可聽噪聲。在最高運(yùn)行電壓550 kV、海拔1 000 m情況下，利用BPA公式［6-7］，下字型塔導(dǎo)線平均高為12～16 m，計算邊線外20 m處可聽噪聲值為54.77～54.14 dB，滿足55 dB的限值要求，下字型塔頭規(guī)劃不受可聽噪聲指標(biāo)控制。

2）無線電干擾。利用電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［9］中多分裂導(dǎo)線激發(fā)函數(shù)法，雙80%時的激發(fā)函數(shù)可由雨天干擾值減去10～15 dB而得。下字型塔導(dǎo)線平均高為12～16 m，無線電干擾計算值為52.08～51.42 dB，滿足55 dB的限值要求，下字型塔頭規(guī)劃不受無線電干擾指標(biāo)控制。

3）地面電場強(qiáng)度。采用逐次鏡像法計算，下字型塔導(dǎo)線平均高為12～16m，邊線外16m處離地面1.5 m處未畸變電場計算值為3.9～2.1 kV／m，最大場強(qiáng)不超過4 kV／m。因此下字型塔地面場強(qiáng)指標(biāo)與常規(guī)塔相差不大，線路下場強(qiáng)控制在10 kV／m之內(nèi)。

1.4 防雷性能分析

線路雷電性能計算包括線路雷電反擊和繞擊計算。本文反擊計算采用行波法，繞擊計算采用電氣幾何模型法（EGM）［10-12］。

在桿塔工頻接地電阻為5～30 Ω，呼高21～34 m，雷暴日取40日時，下字型塔反擊耐雷水平均大于260 kA，略低于酒杯塔。另一方面，下字型塔下層導(dǎo)線受大地屏蔽，地線對上層導(dǎo)線的保護(hù)角為-16°，故繞擊耐雷水平較好，繞擊跳閘率遠(yuǎn)低于酒杯塔。

1.5 振型分析

根據(jù)建筑荷載規(guī)范［13］規(guī)定，對于扭轉(zhuǎn)風(fēng)振作用效應(yīng)明顯的高聳結(jié)構(gòu)，需考慮扭轉(zhuǎn)風(fēng)振的影響。由于酒杯塔扭轉(zhuǎn)振動周期與彎曲振動周期較為接近，可能會引起彎扭耦合風(fēng)振效應(yīng)，這時酒杯塔結(jié)構(gòu)的風(fēng)振響應(yīng)規(guī)律將非常復(fù)雜。大量風(fēng)洞試驗結(jié)果表明，風(fēng)致扭矩和橫風(fēng)向風(fēng)力具有較強(qiáng)相關(guān)性［13］。當(dāng)扭轉(zhuǎn)振動周期較大時，兩者的耦合作用易發(fā)生不穩(wěn)定的氣動彈性現(xiàn)象，這對桿塔結(jié)構(gòu)來說是十分不利的。下字型塔扭轉(zhuǎn)振動周期小于酒杯型塔，并且與彎曲振動周期相差較大，可不考慮彎扭耦合風(fēng)振效應(yīng)。從動力性能上看，下字型塔結(jié)構(gòu)布置方式比酒杯型塔更加合理、科學(xué)。

1.6 結(jié)構(gòu)分析

結(jié)構(gòu)簡單，傳力路徑清晰。酒杯塔由于塔頭較大、曲臂較多等原因，傳力路徑較為復(fù)雜，結(jié)構(gòu)分析困難。下字型塔繼承了以往干字型塔的特點，結(jié)構(gòu)簡單，傳力路徑非常清晰，在結(jié)構(gòu)傳力上具有明顯的優(yōu)勢，結(jié)構(gòu)分析也更為容易。

不存在K節(jié)點較大變形的問題。酒杯型塔K節(jié)點變形是其結(jié)構(gòu)傳遞受力的必然結(jié)果。此外瓶口、曲臂和曲板的角度、螺孔間隙、塔材的初彎曲、鐵塔組裝方法、施工和加工誤差均對K節(jié)點位移值有重要影響。下字型塔屬于干字型塔的演化，結(jié)構(gòu)簡單、塔頭尺寸小、結(jié)構(gòu)布置緊湊，避免了K節(jié)點變形較大的問題，更加安全可靠。

局部構(gòu)造簡單，加工容易。酒杯型塔在局部構(gòu)造上較為困難，特別是瓶口處，桿件規(guī)格較大，數(shù)量較多，相互間傾角難以控制，導(dǎo)致加工非常困難，下字型塔在局部構(gòu)造上不存在這些問題。

2 下字型直線塔適用性分析

2.1 山區(qū)地形的適用性

山區(qū)地形復(fù)雜，鐵塔需要使用長短腿設(shè)計，且部分地段需要沿傾斜的山坡走線，以智魯線工程為例，酒杯塔兩邊線距離達(dá)到23.2 m，受山坡坡度影響三相導(dǎo)線對地距離差別較大，坡度30°時，兩邊線導(dǎo)線對地距離相差為13.4 m，因此受到一側(cè)邊相控制而需要相應(yīng)抬高另外兩相的對地距離。下字型塔采用兩層橫擔(dān)布置，下相導(dǎo)線位于塔身一側(cè)，沿山坡走線時可以將下相橫擔(dān)布置在遠(yuǎn)離山坡的一側(cè)，從而提高對地距離，降低鐵塔呼稱高。山坡走線對比如圖4所示。

圖4 山坡走線對比

不同坡度時酒杯塔與下字型塔呼高對比如表3所示，計算條件為導(dǎo)線弧垂取16 m，串長取5 m，對地距離取12 m。由表3可知，當(dāng)鐵塔高度受邊導(dǎo)線對地距離控制時，使用下字型塔可以有效降低呼稱高。坡度30°時，與酒杯塔相比，下字型塔可降低鐵塔呼高12.7 m。

表3 不同坡度時酒杯塔與下字型塔呼高對比

2.2 走廊緊張地區(qū)適用性

線路規(guī)范［3］規(guī)定500 kV線路邊導(dǎo)線距建筑物的水平距離不低于5 m，并且建筑物所在位置距地1.5 m高處最大未畸變場強(qiáng)不應(yīng)超過4 kV／m。因此超高壓線路拆遷范圍包括了線路本身所占的走廊寬度以及地面場強(qiáng)要求的拆遷寬度兩部分，通過縮小鐵塔橫擔(dān)寬度或者減小線路附近的地面場強(qiáng)都可以減少拆遷。

1）單回走線時走廊寬度。下字型塔、酒杯塔和貓頭塔電場分布圖如圖5所示，h為距地面高度。下字型塔左側(cè)均小于4 kV／m，不受電場強(qiáng)度控制，右側(cè)4 kV／m點位于中心線外側(cè)16 m處；下字型塔上橫擔(dān)寬度為8 m，拆遷范圍為24 m。酒杯塔電場分布兩側(cè)對稱，4 kV／m點位于中心線外側(cè)23 m處，電場強(qiáng)度控制的拆遷范圍為46 m。貓頭塔電場分布兩側(cè)對稱，4 kV／m點位于中心線外側(cè)20 m處，電場強(qiáng)度控制的拆遷范圍為40 m。

2）雙回平行走線時走廊寬度。與酒杯塔和貓頭塔相比，下字型塔走廊寬度較窄，智魯線單回路段與智圣站、魯中站遠(yuǎn)期多條線路平行走線，若兩回酒杯塔線路最小平行間距50 m，貓頭塔平行間距為48 m。采用下字型塔背靠背布置，即只有一相導(dǎo)線的一側(cè)布置在兩條平行線路的外側(cè)，下字型塔平行間距為43 m。為減少拆遷，在拆遷集中的地段利用下字型塔一側(cè)拆遷范圍不受電場強(qiáng)度控制的特點，可比酒杯塔減少拆遷寬度29 m，比貓頭塔還要少21 m。

圖5 不同塔型電場分布

2.3 單雙回路分歧時的適用性

超高壓線路單雙回路交錯布置，出現(xiàn)多次單雙回路的分歧，與雙回路分歧塔連接的單回路塔可以為耐張塔或者直線塔，相比而言采用單回路耐張塔時檔中相間距離更大，塔位布置更靈活，但是投資較直線塔也要增加更多。對于超高壓線路，考慮到絕緣子及跳線的費(fèi)用，使用直線塔與雙回路分歧塔相接，每基塔可節(jié)省投資約40余萬元。對于酒杯塔和下字型塔分別采用最有利于空間距離的相序布置方式進(jìn)行比較，如圖6所示。采用酒杯塔分歧時最小相間距離為5.6m，采用下字型塔分歧時最小相間距離為11.5 m，因此，在用于單雙回路分歧時，下字型塔能夠增加相間距離。

圖6 直線塔與分歧塔連接時相間距離

2.4 與其他塔型連接的適用性

下字型塔和酒杯塔、貓頭塔、干字型耐張塔分別連接的情況，如圖7所示。與酒杯塔連接時，相間距離大于7 m，其中最近點水平距離4.6 m，垂直距離5.3 m，導(dǎo)線三角排列時等效水平線間距離為11.1 m。由式（1）計算，且導(dǎo)線的平均氣溫工況應(yīng)力控制，10 mm冰區(qū)可使用的最大檔距為710 m，15 mm冰區(qū)可使用的最大檔距為705 m，因此酒杯塔和下字型塔交錯使用可行。與貓頭塔連接時，貓頭塔中相需與下字型塔上相相連，這樣空間距離最大，最小相間距離位于塔頭處，距離為11.6 m。與干字型耐張塔連接時，干字型耐張塔中相需與下字型直線塔上相相連，這樣空間距離最大，最小相間距離為9.9 m。與酒杯塔相比，下字型與貓頭塔和干字型耐張塔交錯使用時，導(dǎo)線排列等效水平線間距離更大。

圖7 下字型塔與其它塔型連接時導(dǎo)線布置

3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

3.1 線路走廊

根據(jù)計算結(jié)果，下字型塔可以減小線路走廊，進(jìn)而減少拆遷。與酒杯塔相比，單回線路走廊寬度減小22 m，兩回線路平行走線時減小29 m。與貓頭塔相比，單回線路走廊寬度減小16 m，兩回線路平行走線時減小21 m。

3.2 桿塔及基礎(chǔ)

以Ⅲ型直線塔為例（風(fēng)速27 m／s，冰厚15 mm），同等呼高時，平腿下字型塔比酒杯塔約重25%；當(dāng)山地坡度30°時，下字型塔與酒杯型塔相比可降低呼高約12.7 m?；A(chǔ)計算時，取地質(zhì)條件為強(qiáng)風(fēng)化巖石，計算露頭為3.0 m，基礎(chǔ)型式為插入式掏挖樁基礎(chǔ)，按偏心插入進(jìn)行設(shè)計，其桿塔及基礎(chǔ)指標(biāo)和造價見表4。

表4 下字型塔和酒杯塔造價對比

由表4可知，下字型塔與酒杯塔相比鐵塔及基礎(chǔ)總費(fèi)用降低約8.9%。經(jīng)測算，下字型塔與酒杯塔相比具有經(jīng)濟(jì)性的臨界坡度為21.9°，當(dāng)線路坡度超過該臨界點時，下字型塔可有效降低單基造價。

4 結(jié)語

在相同導(dǎo)地線型號下，下字型塔滿足電磁環(huán)境指標(biāo)要求。

下字型塔傳力路徑比酒杯型直線塔簡捷，動力性能更好，施工時組塔方便。避免了交流特高壓中酒杯塔和貓頭塔K節(jié)點變形較大的問題。

下字型塔反擊耐雷水平略低于酒杯塔，繞擊跳閘率遠(yuǎn)低于酒杯塔。

雖然同等呼高時，平腿下字型塔單基塔重比酒杯塔增加約25%，但當(dāng)鐵塔高度受邊導(dǎo)線對地距離控制時，下字型塔可以有效降低鐵塔呼稱高，下字型塔與酒杯塔相比具有經(jīng)濟(jì)性的臨界坡度為21.9°，30°坡度時與酒杯塔相比可降低12.7 m，鐵塔及基礎(chǔ)總費(fèi)用降低約8.9%。

下字型塔可以減小線路走廊，與酒杯塔相比，單回線路走廊寬度減小22m，兩回線路平行走線時減小29 m；與貓頭塔相比，單回線路走廊寬度減小16 m，兩回線路平行走線時減小21 m。

與酒杯塔相比，用于單雙回路分歧時，下字型塔能夠增加相間距離。

下字型塔與酒杯塔連接時，10 mm、15 mm冰區(qū)檔距分別不超過710 m和705 m，下字型塔與酒杯塔、貓頭塔、干字型耐張塔交錯使用時可以滿足相間距離要求。

［1］萬亦如，陳稼苗，周浩，等．特高壓直流輸電山區(qū)線路Z型桿塔與T型桿塔的比較［J］．電網(wǎng)技術(shù)，2012，36（3）：28-33．

［2］曾二賢，包永忠，楊景勝，等．山區(qū)輸電線路的環(huán)保設(shè)計和措施研究［J］．電力勘測設(shè)計，2014，2（1）：46-51．

［3］GB 50545—2010110～750 kV架空輸電線路設(shè)計規(guī)范［S］．

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［5］邵永波，LIE Seng-Tjhen．K節(jié)點應(yīng)力集中系數(shù)的試驗和數(shù)值研究方法［J］．工程力學(xué)，2006，23（1）：79-85．

［6］張殿生，倪宗德，張洞明，等.電力工程高壓送電線路設(shè)計手冊（第二版）［M］．北京：中國電力出版社，2003．

［7］J·G·安德生.345 kV及以上輸電線路設(shè)計參考手冊［M］．北京：電力工業(yè)出版社，1981．

［8］DL／T 5440—2009重覆冰架空輸電線路設(shè)計技術(shù)規(guī)程［S］．

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［13］GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［S］．

Late-model Tower Design of EHV Transmission Lines in Mountainous Areas

ZHAI Bin，LI Shipeng，LI Taobo
（Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Corp.Ltd，Jinan 250013，China）

The height of 500 kV transmission line tower in mountainous areas is usually determined by the clearance between wire and ground，which leads to greater tower height and increases the cost of the EHV transmission lines.On the basis of actual 500kV transmission line project from Zhisheng substation to Luzhong substation，the late-model supporting tower is designed considering mountain transmission line features，including the type of insulator fittings，layout of tower head，electromagnetic environment，lightning protection，tower weight and stress.Also，during the design process of the late-model tower，the outstanding stress performance of branching tower was especially studied for reference.Compared with normal tower，when latemodel tower is used in mountainous areas，narrow corridor areas or when connected with double-circuit tower and other kind of tower，from the aspect of reliability and economy，it is preferable to adopt the late-model tower.

extra-high voltage（EHV）；mountainous areas；late-model tower；layout of tower head

TM753

A

1007－9904（2015）04－0016－06

2015-01-20

翟彬（1982），男，工程師，研究方向為架空輸電線路的設(shè)計和研究；

李世鵬（1989），男，工程師，研究方向為架空輸電線路的設(shè)計和研究；

李陶波（1984），男，工程師，研究方向為架空輸電線路的設(shè)計和研究。