我国输电线路铁塔结构设计可靠度研究

我国输电线路铁塔结构设计可靠度研究
摘要：随着我国城市化的不断推进，对电力工业的需求不断提高，电力工业的发展也在不断地加速，而铁塔作为电力系统的重要组成部分，也在迅速发展。

从有关调查资料中可以看出，我国的铁塔产业每年都在增长，发展潜力很大。

本文着重介绍了国内铁塔的结构设计可靠性问题，以供参考。

关键词：输电线路；铁塔结构设计；可靠度
引言
近年来，我国电力工业取得了巨大的发展，电力在国民经济中的地位日益凸显，对电力系统的安全、可靠的供电需求日益迫切。

但在实际操作中，许多已有的输电线路铁塔在正常状态下仍能维持高可靠性，但当遇到诸如风雪等极端气候条件时，其可靠性和安全性都会大幅下降，甚至可能产生难以估计的严重后果。

近年来，电力部门越来越重视提高输电线路铁塔的设计可靠性。

一、输电线路铁塔结构设计的主要内容
输电线路铁塔的主要结构是杆塔的设计，它的设计水平直接影响到塔身的稳定。

在杆塔的设计中，要正确地选择好塔的地基，这是确保塔不容易被外力破坏的先决条件，同时也要对塔的位置、塔间距的控制、选型的正确、选材的正确。

由于铁塔在户外，极易受到雷击，从而降低其稳定性和可靠性，因此，应对其进行合理的避雷接地，以确保其设计的可靠性。

在常规输电线路铁塔的防雷接地系统中，为了保证其可靠度，应采取埋地模块等措施，减少接地电阻，提高防雷接地效果。

此外，还可以采用连接地线、不对称绝缘等方法，以确保电缆接地系统的可靠和稳定。

此外，近年来，除冰的设计也越来越受到各大供电公司的关注。

这是因为，如果电线被冻住，很可能会造成断线，甚至会折断铁塔，造成很长一段时间的停电，很难在短时间内恢复过来，对社会生产造成巨大的损失，对人民的生活造成
很大的影响。

目前，国内除冰技术尚不够成熟，主要是融冰、机械除冰，近年来
又有主动防冰层、涂上相应的涂层。

为了保证除冰的效果和可靠性，必须根据实
际情况进行合理的选择。

二、荷载的统计分析
（一）荷载统计分析方法
在输电线路铁塔的结构设计中，通常采用一阶弹性法进行内力计算，因此，
铁塔的荷载作用 S与负荷 Q之间存在着线性关系。

所以，在可靠性分析中，通
常会把负荷作用 S和负荷 Q的统计特性联系起来[1]。

《建筑结构可靠度设计统一标准》规定，设计参考周期为50年，其设计参
考周期为 T。

由于受力的随机性和时间参量的关系，通常采用随机过程来表示。

在永久荷载作用下，其数值在设计基准期间基本保持不变，使得随机过程能被转
换成非时间依赖的随机变量。

由此，可以将永久荷载转换成一个不依赖于时间的
随机变量。

在《建筑结构可靠度设计统一标准》中，为简化计算，引入了一种基
于二项随机过程的平稳随机过程概率模型。

将此统一模型用于随机过程的采样函数，可为求出设计基准期间最大载荷的概率分布函数，以及最大载荷作用的计算
提供了便利。

（二）永久荷载的统计参数
采用 Kc= G/Gk为常载力的统计变量，以 G为实测重力， Gk为标准值。

对
具有代表性的永久荷载实测资料进行了统计和分析，得出了具有永久荷载作用的
随机变量的统计参数：μ x=1.06, ox=0.074。

采用试验或K-S试验，在显著水
平为0.05的情况下，一个随机变量 K。

遵循正常的分配。

因此，在设计参考周
期 T中，永久荷载的统计参数是：μ w=1.06, ox=0.074, Sx=0.07。

（三）覆冰荷载的统计分析
目前，对架空输电线路上的导线覆冰概率分布已有较多的研究，其概率分布
一般为极值 I型、Ⅱ型极值及PⅢ型。

最大值 I型分布是指数费舍-蒂派特分布，
也叫耿贝尔分布；极值 II I型分布也被称作柯西型原始分布；PI III型分布也
被称作是对数正态分布.
如果只获得 n年内不能进行统计分析的最大覆盖冰负荷 Wmax，那么它的平
均值为0.45 Wmax。

由于缺少相关的数据，采用最大年平均最大值，即覆盖冰荷
载的标准值，而最大的年平均分配系数 uy=0.45和8 a=0.403。

（四）冰、风荷载的重现期和荷载效应的比值
在对现有标准规定的铁塔结构部件可靠度进行计算时，分别对3种不同的冰、风荷载的重现期（重现期分别为15、30和50年）和两种常用荷载作用组合（工
作状态1：最大风荷载+无覆冰荷载+未断线；工作状态2：最大覆冰荷载+对应风
速下的风荷载+未断开的线路），以及不同重现期、不同荷载效应组合和荷载效
应比率下的可靠指数的计算平均值，作为我国现行规范中铁塔结构安全设置的标准。

在不同重现期，冰、风荷载标准值之间的差别可以用重现期转换系数来体现。

由于可变荷载和永久荷载的变化特性存在差异，所以在进行可靠度标定时，
必须考虑不同载荷作用比的影响。

第一，在工作状态1下的负载-效果比率。

对输电线路的杆塔，为了简化计算，采用最大风荷载（1), p为4.0,5.0,6.0,7.0,8.0，并取线路风荷载和风荷
载的总效应之比 pw为0.5,0.6,0.7,0.8。

第二，在工作状态2下的负载效果比。

考虑冰、风荷载的影响，考虑冰、风
荷载作用的影响系数po2、风荷载和永久荷载的影响比po1。

为了方便计算，采
用po1为1.0,2.0,3.0,4.0,5.0,p02为0.5,1.01.5,2.0,2.5,p02为
0.5,1.01.5,2.0,2.5；线路风荷载对整体风荷载影响之比 p，仍然是以最大风荷
载作用下的状态，即 pw为0.5,0.6,0.7,0.8。

三、输电线路铁塔结构设计的可靠度研究
（一）计算模型简化
目前国内的输电线路铁塔大多采用角钢、钢板、螺栓等形式，其结构形式多
为框架式，即用螺栓、焊接等多种部件相互结合。

在对其真实结构模型进行可靠
性分析时，必须对各部件的可信性进行分析，这一工作十分繁琐。

为了简化计算，可以把铁塔的结构模型简化成一个整体，也就是只考虑那些可能造成损伤的部件。

因此，在进行可靠性分析时，最重要的问题就是对结构的可靠性有很大的影响。

通常，在分析输电线路铁塔的动载状态时，往往仅考虑其正常运行、断线和安装
时的故障，而主要是在正常运行时发生的故障。

对于500 kV输电线路的铁塔，
其塔尖部位通常不会发生故障，可以忽略不计。

因此，在结构可靠度计算时，应
着重考虑主材和斜材[2]。

（二）适当降低架空输电线路铁塔接地电阻
第一，在架空输电线路铁塔杆塔附近，如果允许横向布置，应采用横向外延
接地。

这种方法既可以控制冲击接地电阻，又可以有效地减少工频接地的电阻。

第二，可根据架空输电线路铁塔的基本条件，在基础上适当增加埋深接地，并按
现场原理增设垂直接地。

第三，如果杆塔所在地区的地下地质情况对土壤电阻率
有一定的影响，可以通过在地基设计中加入碳酸和碱性物质来提高其电阻率。

第四，适当设置阻值，对杆塔的接地电阻进行适当的控制。

（三）优化输电线路基础路径和塔型搭配
对架空输电线路来说，风向、安全距离、塔顶尺寸等因素是影响线路通道宽
度的重要因素。

在这些因素中，安全间距的变化幅度较小，所以对架空输电线路
的风向和塔顶参数进行适当的控制是控制线路走廊宽度的关键。

根据实际工作经验，为了有效地抑制线路的风向，对塔尖尺寸进行了严格的控制，可以采用固定
的直线塔和具有固定跳线的耐塔。

同时，鉴于架空输电线路具有大断面、多回路
发展的趋势，在基础设计阶段，应适当增加绝缘子部件、避雷线、接地及金具的
安全性能。

（四）完善软土质地区铁塔基础设计
由于软土自身的特点，使得其在施工中存在着一些复杂的问题，因此，铁塔
地基相对薄弱。

因此，在软土地带，为了确保铁塔的承载力，必须对其进行加固，以免出现地基坍塌，从而影响到整个工程的顺利进行。

结语
因此，现行的输电线路铁塔在设计时，应从基建、接地、防雷、防冰等多个
方面进行综合考虑，以确保其结构的可靠性。

此外，为了找出设计可靠度与真实
可靠度之间的差异，并采取相应的对策，确保铁塔的安全、可靠。

参考文献：
[1]王博,李宇.我国输电线路铁塔结构设计可靠度研究[J].百科论坛电子杂志,2018(21):288.
[2]杨常青.我国输电线路铁塔结构设计可靠度研究[J].中国新技术新产
品,2014(21):54-54.。