浅析架空高压输电线路结构设计

浅析架空高压输电线路结构设计
摘要：在电力系统中,输电线路起着重要的骨架作用,它将电能从变电站输送到用户。

近年来,随着电网建设的快速发展, 原有的电网所需要的占地面积较大，而且不利于地面交通的正常通行，建立一个即能保障正常供电又能节省占地面积的架空输电线路将有效解决输电线路所面临的问题。

关键词：输电线路；设计；
1架空高压输电线路结构的设计需求
架空线路与电缆线路是目前常用的两种送电线路，目前，国内外普遍采用架空线路作为输送电能的最主要方式。

其中，架空线路一般使用无绝缘的裸导线，通过绝缘子将导线悬架在输电线路杆塔上，来进行送电。

所以，架空输电线路可以认为是由输电线路杆塔、输电线路导地线和绝缘子金具串共同构成。

1.1 输电线路杆塔
高压架空输电线路杆塔多为钢筋混凝土杆塔或铁塔，是架空输电线路的主要支撑结构，高压架空输电线路杆塔根据需求不同又分为直线塔、转角塔、终端塔、换位塔、分支塔、轻重冰区分界塔、大跨越塔、特高压酒杯塔、分体塔、双柱塔等。

架空输电线路杆塔的设计包括基础上拔稳定计算、基础下压和地基计算、构件和基础底板承载力计算等，这对于高压输电线路杆塔来说尤为重要。

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1.2 输电线路导线
架空线路的导线一般由导电性能良好的金属制成，为保持合适的通流密度，导线应该根据工程输送容量的需要来选择截面，为降低电晕放电的可能，导线应具有较大的曲率半径。

高压架空输电线路多采用分裂导线来提高输送容量,为防止架空输电线路的感应过电压和雷击过电压带来的伤害，多在输电线路导线的上方采用避雷线，对于重要的输电线路，通常设置两根防雷线且增大地线架保护角。

在设计架空输电线路时，应考虑到线路沿线的气候环境、自然条件（雷闪、雨淋、结冰、洪水、湿雾）等的影响。

此外，架空输电线路的路径还应具备充裕的地面宽度和净空走廊。

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1.3 输电线路绝缘子
作为高压架空线路的重要构件之一，绝缘子主要作用是在一定的荷载和过电压条件下，支撑导线，并使得导线的带电部分与大地绝缘。

高压架空线路因其电压水平高，对绝缘的要求相应提高。

绝缘子的性能主要取决于绝缘材料的质量，目前在高压架空线路上常用的绝缘子有：悬式盘型绝缘子、玻璃绝缘子、有机复合材料绝缘子等。

在高压架空线路的设计中，应当注意绝缘子的机械荷载、电气强度、抗腐蚀、抗劣化的性能满足要求。

2.架空输电线路杆塔结构研究的主要内容
2.1杆塔的负载
对于杆塔负荷的研究，主要研究方向有结构关键性系数、负载周期、设计风速以及塔的静态和动态的风荷载计算方法，还有杆塔的荷载组合原则。

结构关键性系数由结构可靠度指标来决定，主要根据结构可靠度指标的研究分析来确定，负载周期主要是针对塔风振系数，来进行研究高压导线的荷载组合的研究原则和规定。

这些负载值的研究，其主要目的是掌握杆塔功能和外部负载的变化规律，给杆塔结构设计提供客观依据。

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2.2杆塔结构的设计原则和方法
杆塔结构设计是在满足线路电气性能要求上，采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，用可靠度指标度量结构构件的可靠度。

杆塔结构的设计主要遵循以下原则：
(1)以确保杆塔的强度、稳定、刚度及今后的安全、可靠运行为前提条件；
(2)构件的布置合理、结构形式简洁、传力路线直接、简短、清晰；
(3)降低杆塔钢材耗量，使杆塔造价经济合理。

杆塔结构设计方法的研究，一方面是杆塔结构分析与计算力学模型，杆件承载力的运算方法，杆端节点结构的设计运算方法等的设计研究；另一方面是研究模型的选择，塔头类型、坡度、根开、铁塔节间等的布局和优化方法。

目前，一般根据理想铰接式的空间桁架来进行设计杆塔。

假定节点约束铰链为一个理想铰接，将整个塔的空间作为一个静定的空间系统，按照平衡的条件和变形协调来分析杆塔的内力和变形，然后根据受力和稳定条件完成杆塔设计的材料选择。

2.3 杆塔结构的优化方法
(1)按不同的海拔高度设计杆塔。

因海拔高度的不同影响着电气间隙的大小，从而影响杆塔的外形尺寸，影响杆塔的耗钢量。

高海拔地区需要根据海拔高度的不同按300m～500m 高差梯度来划分不同的系列。

(2)优化直线铁塔的挂线方式，减小塔头尺寸。

在铁塔设计中，直线塔采用不同的导线绝缘子串悬挂方式，塔头尺寸的大小也是不同的，从而影响杆塔的耗钢量及线路的本体投资。

根据以往工程的设计经验，对超高压直线塔采用中相V 串悬挂方式，可有效的减小塔窗尺寸，从而降低铁塔耗钢量。

而对边相V 串的使用应根据不同的导线、不同的塔型、不同的气象条件通过具体的铁塔计算比较论证。

(3)优化铁塔根开尺寸和塔身坡度。

塔身坡度及根开的选择对铁塔重量及美观的影响较大，它直接影响塔身主材、斜材的规格以及基础的作用力。

合理的塔身坡度应使塔材应力分布的变化与材料规格的变化相协调，使塔材受力均匀。

塔身坡度及根开优化就是以整基铁塔的重量为目标函数，综合构件受力性能与基础作用力等因数，选取最佳的坡度和根开。

(4)优化铁塔曲臂K 节点形式。

单回路铁塔采用直曲臂形式，曲臂主材受力简洁，K 节点受力好，构造简单，但受直曲臂形式的影响，按间隙圆布置塔窗时受到限制，塔头不够紧凑，导致塔头尺寸较大，塔重较重。

采用弯折曲臂形式，按间隙圆布置塔窗时较为灵活，塔头尺寸相对较小，塔重也更经济。

(5)优化铁塔主材节间。

根据设计经验，合理的主材计算长度的选取一般使在主材受力时，稳定首先达到承载能力极限，且稳定承载能力极限与强度承载能力极限的比值不小于0.85 为最优，即mN. (φ. A).f≥0.85.m.An.f 。

此时，主材的强度得到充分发挥，而节间布置也比较合理，铁塔的重量往往也是最优的。

(6)优化斜材布置原则：（a）使主、斜材受力分配合理，塔身布材均匀协调，传力路线清晰，结构布置简洁；（b）尽量使腹杆的水平角控制在35°～45°之间，使腹杆受力更合理；（c）优化斜材长度、坡度，筛选大交叉、小交叉，比较平行轴、最小轴等多种布置方案，降低塔重；(d）通过优化塔身隔面间交叉腹杆数量及在隔面处设置K 形腹杆等形式避免腹杆出现同时受压。

(7)优化节点构造。

节点构造是设计中的一个重要环节，根据铁塔真型试验统计，节点构造不当造成的铁塔破坏占有很大的比重，应引起足够的重视。

通过优化节点构造设计尽量使实际塔型与计算模式统一，并使节点在满足构造要求的前提下尽量简化，避免次应力的产生，同时也降低塔重。

节点构造设计主要遵循下列原则：
（a）避免相互连接杆件夹角过小，减小杆件的负端距；
（b）节点连接要紧凑，满足刚度要求的前提下尽量减小节点板面积；
（c）尽量减小杆件偏心连接，避免节点板受弯；
（d）两面连接的杆件避免对孔布置，减小杆件断面损失；
（e）减少包角钢连接数量，为进一步降低杆塔重量创造条件；
（f）主、斜材尽可能采用多排螺栓布置，斜材尽量直接与主材相连。

(8)山区线路铁塔采用全方位长短腿设计。

铁塔设计采用全方位长短腿，配合高低基础的使用，不但能大大减少土石方工程量、缩短工期、降低施工难度，而且也可最大限度地保护自然环境。

3.高强度钢在输电杆塔的应用
以往的线路设计中，国内所普遍采用的钢材为Q235 和Q345，Q235 和Q345 具有强度稳定性好、离散度低的优点，其缺点是屈服强度低，而减少铁塔耗钢指标的一个很重要的措施是采用高强钢材。

线路铁塔采用何种强度等级的钢材主要取决于构件的受力特性和构件的长细比，铁塔结构大部分的构件由受压稳定控制，高强钢在强度上提高很多，但其稳定系数也折减较Q345 钢材快。

受压稳定性的主要影响因素就是构件的长细比，根据钢结构规范计算方法，以L160×16 为例，分别将高强钢Q390、Q420、Q460 与Q345 对比分析承载力比值见下表。

L160×16 角钢承载力比值表
因为Q390、Q420、Q460 角钢价格比Q345 角钢高约10%，采用Q390 角钢理论上最多使钢材提高13%的强度，而实际上考虑角钢规格因素最多提高10%，对于工程整体经济性意义不太，因而实际工程中基本不采用Q390 角钢。

对于Q420 和Q460 角钢在构件长细比小于40 时，构件由强度控制，角钢承载力分别提高约19%～22%、28%～33%，能够使角钢规格有较大降低，而Q460 角钢优势更明显；当构件长细比在40～80 之间时，构件由稳定控制，采用Q420 和Q460 角钢承载力分别提高约8%～19%、12%～28%，可使角钢规格有一定降低；当构件长细比大于80 时构件完全由稳定控制，这时选用高强角钢已没有多大意义，因此不建议采用Q420、Q460 高强钢。

4.结语
在智能电网的建设过程中，随着架空输电线路的不断增大，对高压架空线路的设计、运行、维护等方面的研究也进一步增强。

伴随着传感技术、计算机网络技术、通信技术等的发展，电网将朝着日益坚强的方向发展。

大规模的区域联网给电网带来了新的隐患，必须加强电网的自愈功能，优化高压架空输电线路的设计，提高应对地震、冰灾、雨雪天气的能力，保障电网的安全稳定运行。

参考文献
[1]王昌长.电力设备的在线监测与故障诊断[M].北京:清华大学出版社,2006:85～93.
[2]刘迎春.传感器原理设计与应用技术[M].国防科技大学出版社,2002: 250～255.
[3]贺博,林辉.基于泄漏电流的污秽绝缘子闪络风险预测[J].高电压技术,2006,32(11):22～25.。