大风区特高压直线铁塔优化设计

大风区特高压直线铁塔优化设计
摘要：近年来，我国电网建设发展迅速，特高压输电技术大幅提高，线路设计
条件也越发困难。

为了设计出既安全可靠，又经济合理的输电铁塔，优化铁塔横
担长度、串型经济比选逐渐成为铁塔优化设计的重要环节。

本文重点的探讨了大
风区特高压直流输电铁塔的串型选择与横担长度的关系，并通过力学计算和经济
比选对大风区铁塔横担进行优化设计。

通过I串、V串和3串比选表明：大风区
铁塔宜采用V串形式，其经济性和安全性更好。

关键词：特高压；输电铁塔；横担；悬垂绝缘子串
一、引言
输电线路作为高负荷电能的输送载体，是一种应用广泛的重要生命线工程。

近年来，我国特高压事业发展迅速，越来越多的输电铁塔需要穿越大风区、重冰
区和高烈度区等，导致输电铁塔的安全性和经济性都备受关注。

随着人们对电力
需求的不断加大，一旦电力系统发生故障或破坏就会造成极大的经济损失和社会
影响[1-2]。

因此，结构优化设计已不仅仅是要求输电铁塔结构自身耗材最少，而
是还应该考虑到整塔的力学强度、疲劳寿命、稳定特性、可靠度指标，以及材料
的标准化、施工的难易性、功能的多用性、后期运行维护，甚至是结构整体的美
观等诸多问题的综合性课题。

近年来，国内外自然灾害频繁发生，给人们的正常
生产、生活带来诸多不便，也使得各国经济蒙受了巨大的损失，特别是风荷载[3-4]。

因此，对于大风区输电铁塔的设计不仅要考虑结构的经济性，同时更要注重
结构的安全性。

二、工程模型
2.1 工程简介
昌吉-古泉（准东-华东）±1100kV特高压直流工程是目前世界上电压等级最高、输送容量最大、输送距离最远、技术水平最先进的特高压输电工程。

工程起于新
疆准东（昌吉）换流站，止于安徽皖南（古泉）换流站，途经新疆、甘肃、宁夏、陕西、河南、安徽六省区，线路路径总长度约3304.7千米。

依据规划的输送功率，该工程不仅能点亮4亿盏30瓦的电灯，而且将实现大范围内资源优化配置，落
实大气污染防治行动计划，符合国家“西电东送”总体战略。

大风区线路需要翻越
新疆天山山脉，且途径百里风区，最大设计风速43m/s。

2.2 铁塔串型
为了满足大风区铁塔间隙校验的安全性，大风区铁塔悬垂绝缘子串型主要分为：I串、V串与V+中吊串型式（以下简称3串），三种构造形式，如图1~3所示。

图1 I串型式图2 V串型式图3 V+中吊串型式
2.3 铁塔横担形式
针对于不同串型，其中直臂横担铁塔满足I串构造要求、V串与3串型式采用双曲臂横担铁塔，如图4~5所示。

图4 直臂横担铁塔图5 双曲臂横担铁塔
2.4杆塔设计原则
杆塔设计与材料选择时，应严格遵守《架空输电线路杆塔结构设计技术规定》
（DL/T5154-2012）等相关规范、规定的要求，同时应遵照相关工程设计原则执行[5]。

其中，工程推荐采用Q420大规格角钢，但当极端最低温度低于-30℃时，采
用Q235B、Q345B普通规格角钢，Q345B大规格角钢以及Q420C高强钢（肢宽
≤200mm）。

三、铁塔优化设计
3.1 V串与3串比选
大风区ZC4315系列铁塔V串与3串绝缘子串联数表选取如下表所示。

表2 V串与3串绝缘子串联数表
注：所有塔型呼高为69m
分析结果表明：ZC43151B1L塔塔重增加约10.58~11.44%，ZC43152B1L塔塔重增加约
17.11~20.64%，ZC43153B1L塔塔重增加约19.04~23.09%，ZC43154B1L塔塔重增加约
14.73~16.78%，ZC43155B1L塔塔重增加约13.66~17.49%。

从上述数据可以看出，采用3串的
塔重较V串提升幅度的明显。

通过对比模型和分析可以得出有以下几点原因：采用3串后塔头高度明显增加，增加幅度约为6米左右。

塔高增长6米后，塔身增加一
个节间，由此将引起塔体迎风面积增大。

通过分析表明，增大后的塔体主材均调高1~2个规格，进而导致塔重增加明显。

从杆件的受力情况分析，由于主材受力变大、规格提高，同样
导致的斜材和辅助材规格同时增大，并且螺栓数量也会相应增加，同样会增加塔重。

由于横
担中部也受力，虽然可以减少折臂部分的主材规格，但是直臂部分横担主材反而增加，且绝
缘子数量和重量也比V串明显增加，同样致塔重增加。

因此，相比于3串，采用V串较为合理。

4.2 V串与I串
V串与I串铁塔布置对比如下，采用I串较V串铁塔ZC43151B1L铁塔呼高增加9.0米，
横担直臂增加7.1m（L1），横担折臂减少12.26m（L2），地线支架外伸8.7m（L3）；
ZC43152B1L铁塔呼高增加9.5米，横担直臂增加7.2m，横担折臂减少11.45m，地线支架外
伸8.9m；ZC43153B1L铁塔呼高增加10.0米，横担直臂增加7.4m，横担折臂减少13.05m，
地线支架外伸9.2m；ZC43154B1L铁塔呼高增加11.5米，横担直臂增加7.5m，横担折臂减少13.43m，地线支架外伸9.6m；ZC43155B1L铁塔呼高增加12.0米，横担直臂增加7.7m，横担
折臂减少13.86m，地线支架外伸9.9m。

具体尺寸如图6所示
图6 V串与I串铁塔塔头布置示意
计算结果表明：ZC43151B1L塔塔重增加约25.62~22.36%，ZC43152B1L塔塔重增加约
29.55~ 20.15%，ZC43153B1L塔塔重增加约33.43~22.79%，ZC43154B1L塔塔重增加约
34.17~22.45%，ZC43155B1L塔塔重增加约36.16~23.76%。

从上述数据可以看出，杆塔选择I
串后呼高增加，该指标对于杆塔塔重提升幅度的明显。

通过对比模型和分析数据可以得出以
下几点结论：（1）I串与V串采用相同的使用条件下，I串杆塔比V串呼高提高9~12米，直
接导致杆塔塔高加大，主材跳2~3个规格。

（2）考虑到保护圆后，ZC43154B1L和
ZC43155B1L采用I串的绝缘子串要加高2米，由此进一步导致塔头加高2米。

ZC43153B1L至
少增加0.5米左右。

（3）I串荷载点仅位于横担端部，因而导致横担主材交V串荷载增加了
一倍，因此横担主材规格需相应增加规格。

（4）为了满足地线对导线的保护作用，选择I串
布置后，地线架需要相应向外一侧移动8.8~9.9米，并导致地线架杆件规格增加。

（5）相比
之下I串较V串减少了折臂部分，其减轻幅度不够明显。

（6）从受力角度分析，考虑到大风的作用，V串相对更加稳定，不易摆动，比I串其可靠性更高，更宜于在大风区使用。

因此，I串与V串相比，I串塔重远远高于V串，塔重的上升幅度巨大，并且结构选择I串后结构偏
于不安全。

四、研究结论
为了设计出既安全可靠，又经济合理的输电铁塔，本文针对于大风区（43m/s）特高压铁塔进行了串型优化设计的经济比选。

通过对大风区铁塔的力学计算和经济比选表明：选择采
用3串的铁塔较采用V串的铁塔塔重增加较多，虽然横担长度有所改善，减少了迎风面积，
但铁塔反而呼高增加，且经济性较差。

而采用I串的铁塔，不仅塔重远远高于V串，且铁塔横担过长，结构整体偏于不安全。

因此，大风区铁塔宜采用V串型形式，其经济性和安全性更好。

参考文献：
[1]李宏男.高压输电塔抗震分析与设计[M].北京：中国电力出版社，2009.
[2]张卓群，李宏男，李士锋，等.输电塔-线体系灾变分析与安全评估综述[J].土木工程学报，2016，12（49）：75-88.
[3]唐国安.我国500kV线路倒塔事故率浅析[J].电力建设，1994，15（11）：18-24.
[4]白海峰.输电塔线体系环境荷载致振响应研究[D].大连理工大学，2007.
[5]架空输电线路杆塔结构设计技术规定（DL/T5154-2012）[S].北京：中国计划出版社，2012.。