中国水利水电第七工程局有限公司机电安装分局 四川彭山 620860
摘要：输电线路铁塔是直接影响线路输电能力的关键，在本次研究中，将结合输电线路铁塔的选型与结构优化问题进行研究，先分析了当前常见输电线路铁塔的自身的结构特征；之后从选型设计与结构优化等多个角度，阐述了输电线路铁塔设计的相关内容，达到了增强输电线路铁塔输电能力的面对，对于增强电网综合管理水平也有一定的借鉴作用。
关键词：输电线路；铁塔；选型设计；结构优化
前言：在我国经济快速发展的情况下，我国社会的用电需求呈现出了刚性的增长特征，我国现阶段的电力能源需求、产出等存在着明显的地域性差异，建设大规模的输电网络，是满足各地区用电需求的关键。输电线路铁塔是大规模输电网络的关键，在传统老旧塔型逐渐退出历史舞台的情况下，做好铁塔的选型设计与结构优化则变得更有实际意义。
1.输电线路铁塔的特征分析
目前，我国较为常见的输电线路铁塔为自力式铁塔，该铁塔具有整体稳定性良好的特征，并且占地面积小，在一定程度上可以忽略地形等因素的限制，并且也不会对当地的农业生产产生影响。常见的自立铁塔主要分为直线塔、耐张塔、终端塔、跨越塔四种，这四种塔型在各地区都有广泛的分布，其中直线塔的应用范围最为广泛，其余的三种塔可以满足多种复杂条件下的电力传输要求。
以跨越塔为例，跨越塔主要被应用在线路与大江大河、山谷、铁路交叉等位置的电力传输中，优于这些位置对地理特征提出了很多的要求，导致输电线路的档距很大，所以必须要使用具有高度高、荷载大的铁塔来满足其电力输送要求[1]。当前我国的跨越塔主要采用几个等肢角钢拼合组成的截面为主要构件，并通过不同的构建承力方法，组合成不同类型的铁塔。其中，组合结构断面形式下的原材料来源较为广泛，并且其加工、生产工艺都与正常的铁塔相同，因此可以得到广泛的应用。跨越塔最典型的案例，是我国扬州至无锡斗山的500KV输电线路的长江大跨越项目，该项目作为华东电网的重要组成部分，其建成对于缓解华东地区的用电压力具有重要意义，在该项目的最初讨论阶段，分别选择了角钢塔方案、混凝土塔、钢管塔方案，在经过多方面研究后，最终选择了角钢塔方案，并取得了成功。
2.铁塔塔头的电气性能优化
2.1铁塔的绝缘配合问题分析
一般在架空输电项目中，铁塔的绝缘配合目的，就是要避免铁塔上可能出现的放电途径问题，通过铁塔上的绝缘配合设计，就需要根据工频电压、操作电压、雷电过电压等方法来确定绝缘子型与片束等。
目前在铁塔绝缘配合的相关问题研究中，针对自恢复与非自恢复的绝缘配合方法，主要采用惯用法的方法来予以解决，该方法的关键，就是要决定一个绝缘设备上可能出现的最大过电压参数，再根据经验乘以一个大于1的裕度系数，根据计算结果来确定绝缘的最低耐压水平（见图1）。
图 1 惯用法的应用示意图
采用惯用法的主要优点，就是绝缘配合的方法简单，随着我国电网电压等级的不断提高，使用惯用法可以在短时间获得与电网运行有关的核心资料，对于保证电网运行具有重要意义。同时文献[2]在研究中指出随着电网电压等级的提升，操作过电压将会成为影响线路绝缘控制的关键条件，但是在绝缘子串与空气间隙的操作冲击放电电压的分散性将会直接影响传统绝缘配合质量，所以采用惯用法就显得更有必要性。
2.2典型铁塔的绝缘子式选择
对输电线路铁塔而言，不用的绝缘子机电特性存在着明显的差异，并且其价格明显不同，因此一般在铁塔设计过程中，相关人员不仅要考虑输电线路铁塔的建设成本，还需要保证后期运行的维护费用处于理想水平下。就目前情况而言，在铁塔的绝缘子型选择中，复合绝缘子的使用数量最多，但是瓷绝缘子数量与玻璃绝缘子等所占比例逐渐上升，尤其是在近几年新建的高电压与特高电压的输电线路中，玻璃绝缘子的使用比例最大，而复合绝缘子在500KV及以上电压等级的输电线路中较为常见。因此对相关人员而言，铁塔的绝缘子式选择必须要充分考虑输电线路未来的运行情况，为了增强线路的闪络电压水平，应该尽可能的选择有效的绝缘子。
例如在某地区的110KV输电线路路径的设计中，由于该输电线路经过了农田与新建的开发区，因此线路的绝缘子安全性成为设计人员关注的重点。设计人员根据当地的实际情况，在铁塔的绝缘子选择中，选择了价格合理、使用寿命长，并且能够适应气候环境变化的双伞形耐污悬式绝缘子，取得了理想的应用效果。
2.3输电线路铁塔的防雷措施介绍
目前，输电线路铁塔的防雷措施主要包括以下几种：（1）控制塔杆的接地电阻。该方法的主要工作原理，是通过杆塔接地电阻低时雷击塔头部位，塔头点位升高程度减少，让绝缘子所经受的过电压降低从而减小输电线路的反击雷作用从而提高线路的耐雷水平的一种防雷技术。从技术应用情况来看，接地电阻法主要分为物理降阻与化学降祖两种方法，其中物理降阻主要包括更换土壤，或者延长接地体等；化学降阻就是要在土壤周围埋入足够的化学降阻剂，达到改善土壤降阻率的目的。（2）设置避雷线。设置避雷线也是铁塔防雷的有效方法，被认为是最直接、最有效的防雷方法[3]。一般在架设避雷线时，需要将避雷线设置在导线的上方，通过这种方法来避免雷电直接接触导线，除此之外，假设避雷线还能让雷电直接接种铁塔的耦合地线上，通过分流雷电的方法来降低雷电对铁塔的影响。从目前应用情况来看，一般在高压输电线路中，必须要设置避雷线；而对于山区或者雷电活动较为频繁的区域，可以架设双避雷线。
对相关人员而言，现阶段常见的输电线路铁塔防雷措施还有很多中，包括降低避雷线对边导线的保护角、采用不平衡绝缘方式、安装侧向避雷针等。
3.输电线路铁塔的结构优化
3.1铁塔结构优化的方法
在本次研究中，将以概率理论为基础，采用极限状态的设计方法，把数学应用范围从必然事件扩大到偶然想象领域，该方法以随机事件为基础，通过分析不同状态下可能产生的偶然事件，通过对各种随机变量的正态分布特征，确定最理想的铁塔结构设计路径。例如在铁塔结构设计中能够对铁塔的结构进行优化，其失败概率则为，而铁塔结构能够达到预期功能的概率为，则两者之间的关系结构如图2所示。
图 2 正态分布概率函数的结构图
按照图2所反馈的相关信息可以判断，铁塔结构在规定的设计条件下可以完成某种特定功能，并且根据铁塔结构的可靠性，体现了其中的定量描述情况，并且在确定铁塔结构的物理意义的基础上，让输电线路的铁塔结构可以满足输电线路的运行要求。
3.2关于铁塔结构的有限元分析
为了能够确保铁塔结构优化满足输电线路运行要求，在本次研究中，将结合有限单元法，制定了一个详细的铁塔结构有限元分析体系。在这个过程中，工作人员可以将一个代表结构构件或者连续体的求解域离散为多个子域单元，这些子域单元依靠边界上的节点相连接，最终构建一个组合体。在这个过程中，有限元分析的过程为：
（1）应用每个单元体内所假定的近似函数来表示求解域内的未知场变量情况，并且在每个单元内的近似函数主要由未知场函数及其导函数来表达，这样在铁塔结构的有限元分析过程中，就可以通过构建不同的矩阵单元来阐述不同结构优化节点之间的关系，并通过将带求的场函数进行转换，这样就能获得最终的结构优化结果。
（2）在传统的铁塔设计优化过程中，主要通过手工计算的方法，通过采用结构力学与有限元分析的方法来了解铁塔结构的不同组间之间的力学特征，这对工作人员的工作经验与运算能力提出了很高的要求。而本文所介绍的有限元发分析方法，则通过简化的空间钢架模型来进行分析，通过对各种简化分析的铁塔线路模型进行改进与完善，最终获得完善的铁塔结构。本文通过采用基于几何线性刚度矩阵的有限元方法，从铁塔 的角钢产品的肢宽、肢厚等，并通过原材料等来改进铁塔全部构件。
3.3结果评估
按照上文的方法，在对输电线路铁塔的塔头和结构受力情况进行改进肢厚，所获得的优化结果如表1所示。
表 1 改进后的典型铁塔相关数据资料表
通过将表1改进后的铁塔数据与典型的铁塔资料存在资料差异，并且铁塔的重量等与与优化前相比下降了5.23%，不仅能够降低铁塔的成本投入，还能保证铁塔的输电线路运行需求，因此具有应用价值。
结论：输电线路铁塔的选型设计与结构优化，对于增强线路的输电能力具有重要意义，因此对于相关人员而言，必须要根据当地的电力使用要求还做好选型设计与结构优化，最终为全面增强铁塔性能奠定基础。
参考文献：
[1]韩军科，胡晓光，党会学等.考虑主材节点刚域影响的钢管输电塔变截面梁单元有限元模型[J].工程力学，2016，15（09）：222-223.
[2]蒋代军，刘德仁，夏琼等.青藏铁路多年冻土地基输电塔热棒桩基稳定性试验研究[J].岩石力学与工程学报，2018，14（07）：125-126.
[3]刘玮婧，龚正洪，郑伟伟等.高新技术在输电线路铁塔中的集成与应用[J].中小企业管理与科技（上旬刊），2018，06（11）：176-178.
论文作者:熊万芳,张志洪
论文发表刊物:《建筑细部》2018年第12期
论文发表时间:2019/1/7
标签：铁塔论文; 线路论文; 绝缘子论文; 避雷线论文; 结构论文; 方法论文; 结构优化论文; 《建筑细部》2018年第12期论文;