摘要：电网是重要的基础设施，是国家能源的重要组成部分，输电线路设计应从保障能源安全、优化能源结构出发，大力推行两型三新（资源节约型、环境友好型，新技术、新材料、新工艺）设计理念，实现输电线路安全可靠和可持续发展。本文通过简析输电线路结构设计特点，采用优化杆塔设计、积极推广新技术、新材料、新工艺的应用等措施，节约用地，控制造价，提高输电线路工程技术经济性。
关键词：输电线路；结构设计；技术经济性；
1.架空输电线路的结构设计要求
架空输电线路由导线、地线、绝缘子、金具、杆塔、基础等部分组成，其中杆塔和基础是影响工程造价的主要因素，因此对输电线路结构设计提出了如下要求：
（1）提高输电线路的可靠性；
（2）提高线路通道的利用率，节约建设用地；
（3）保护生态环境，减少植被破坏及水土流失；
（4）节约材料，降低工程造价；
（5）积极推广新技术、新材料、新工艺的应用；
1.1输电线路杆塔
输电线路杆塔型式主要有钢筋混凝土电杆和铁塔，其中铁塔分为拉线铁塔和自立式铁塔，国内外铁塔大多采用热扎等肢角钢制造，螺栓组装的空间桁架结构，也有部分受力要求较大的采用钢管铁塔。输电线路杆塔按使用条件不同分为直线杆塔、转角杆塔和终端杆塔等，转角杆塔转角分级一般采用20度为一级，终端杆塔使用角度可用于0度至90度范围内。输电线路杆塔受力计算包括杆塔内力计算、变形计算及连接计算等。
1.2输电线路杆塔基础
钢筋混凝土电杆常用的基础型式有底盘、卡盘及拉线盘等，通常采用预制方式；铁塔常用的基础型式有板式基础、掏挖基础、桩基础、岩石基础、复合式沉井基础、装配式基础及螺旋锚基础等。输电线路的基础设计应安全、可靠、经济、环保并结合地形、地质情况、施工安全、方便、效率等选择最优方案。基础受力计算包括基础本身承载力计算、上拔稳定计算、基础下压计算、地基计算、钢筋混凝土电杆倾覆稳定计算等。
1.3 输电线路导线
输电线路中导线材料通常是导电性能较为优良的金属材料，确保通流的密度适中，导线需要依照项目输送容量要求进行截面选取，控制电晕放电问题的发生。高压架空输电线路中大部分采取分裂式导线提高输送容量，为了避免架空输电线路因感应过电压以及雷击过电压造成的破坏，通常在导线上端设计避雷线保护，对于110kV及以上的输电线路，一般按双地线设计，且需要增大地线保护角。有光缆通讯要求可采用光纤复合地线。在选择导、地线时，需要对线路路径走廊、周围自然条件、气候环境的影响进行综合考虑。
1.4 输电线路绝缘子
绝缘子属于架空输电线路中的关键构件，绝缘子的主要功能是在承受一定荷载以及过电压的基础上，对导线进行支撑，使导线与杆塔之间绝缘。高压架空输电线路由于电压较高，在绝缘方面有较高要求。绝缘子性能是由绝缘材料质量决定的，现今高压架空输电线路绝缘子主要包含，有机复合型绝缘子、玻璃绝缘子以及悬型盘式绝缘子。高压架空线路设计过程中，需要重视绝缘子抗劣化、抗腐蚀、电气强度以及机械荷载的性能符合相关标准。
2、架空输电线路杆塔结构优化
2.1杆塔荷载
作用在杆塔上的荷载可分为永久荷载、可变荷载和特殊荷载，按作用方向可分为横向荷载、纵向荷载和垂直荷载。各类杆塔均应计算线路正常运行情况、断线情况、不均匀覆冰情况和安装情况下的荷载组合，必要时应验算地震等罕见情况。
2.2杆塔结构设计的方法与原则
杆塔结构设计的方法：
杆塔结构设计采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，结构的极限状态是指结构或构件在规定的各种荷载组合作用下或在各种变形或裂缝的限值条件下，满足线路安全的临界状态。
杆塔结构设计原则：
（1）保证杆塔强度、刚度、稳定性以及可靠性。
（2）线路构件布置的合理性、结构的简洁性、传力路线的清晰、简短与直接。
（3）减少杆塔钢材的耗量，确保杆塔造价的合理性。
目前通常依照铰接型空间桁架对杆塔进行设计，假设节点的约束铰链属于理想式铰接，这样铁塔空间整体就看作静定型空间系统，依据平衡条件以及变形协调对杆塔变形与内力进行分析并依照受力以及稳定性条件对杆塔材料进行选取。
2.3 杆塔的结构优化方法
（1）依照高度的差异进行杆塔设计。由于海拔高度差异会对电气间隙大小产生影响，进而杆塔外形尺寸受到影响，杆塔耗钢量就会增高。高海拔区域须按照海拔高度根据300米-500米的高度差划分出不同等级。
（2）改良直线铁塔挂线形式，减少塔头的尺寸。铁塔设计时，直线塔采取不同方式悬挂绝缘子串时，塔头的尺寸大小同样有所差异，这样铁塔耗钢量与线路投资就会受到影响。依照过去的项目经验，若是直线塔中相采取V 串式悬挂，就能够有效减少塔窗尺寸，进而使铁塔耗钢量减少。其次V 串使用需要依照导线、塔型以及气象条件的差异通过计算进行对比论证。
（3）铁塔的根开尺寸以及塔身坡度的优化。塔身的坡度与根开选取会对铁塔的重量与美观产生很大影响，而且会对塔身的主材与斜材规格、基础作用力有直接影响。合理塔身坡度需要确保塔材的应力分布变化和材料规格变化互相均衡协调，确保均匀受力。塔身的坡度与根开的优化是以铁塔重量作为目标函数，再与构件的受力性能和基础作用力进行综合分析，挑选出最佳的根开以及坡度。
（4）铁塔曲臂K节点优化。单回路的铁塔采取的是直曲臂，曲臂的材料受力比较简单，K节点的受力较好，结构简单，然而受到直曲臂影响，依照间隙圆进行塔窗布置时会受到制约，塔头比较松散，这就造成塔头的尺寸很大，重量较大。采取弯折型曲臂，依照间隙圆进行塔窗布置时比较灵活，塔头的尺寸很小，且塔重比较经济。
（5）节点优化。节点构造属于设计过程中的关键内容，依照铁塔的真型实验统计，线路节点的构造不适宜容易造成铁塔损坏问题，所以必须高度重视。节点优化尽可能确保实际的塔型和计算的模式一致，且确保节点符合构造标准的基础下尽可能简化，防止出现次应力，同时使塔重减少。节点设计应遵循以下原则。
（a）防止连接杆件的夹角太小，应控制杆件负端距；
（b）节点的连接必须紧凑，保证符合刚度要求基础上降低节点板的面积；
（c）有效控制杆件的偏心连接，防止节点板弯曲；
（d）针对两面型连接杆件应防止对孔布置，降低杆件的断面损失；
（e）控制包角钢的连接数量，进而为减轻杆塔的重量创造有利条件；
（f）主材及斜材应采取多排螺栓型布置，斜材应直接和主材进行连接；
（6）山区线路的铁塔应采取全方位组合长短腿形式。全方位长短腿与高低基础进行配合使用，既可以大幅度降低土石方工程量、减少工期、减少施工难度，并且能够最大程度实现环境保护。
3、输电线路铁塔高强钢运用
过去输电线路设计中，我国一般采取Q235以及Q345型钢材，Q235与Q345的稳定性好、价格便宜，离散性较低，缺陷在于屈服强度较低，随着特高压线路工程的深入和Q420高强钢在750kV电压等级输电线路中的成功应用，越来越多的输电线路工程已开始使用高强钢，以节约工程投资。输电线路铁塔采取什么样强度级别钢材主要由构件受力特性以及构件长细比来决定，铁塔结构中大多数构件的受压比较稳定，而高强钢的强度会增加很多，受压的稳定性影响因素为构件长细比，依照钢结构计算方法标准，以L160×16为例分别比较分析Q345与高强钢Q390、Q420以及Q460承载力比值，如下表所示。
L160×16型角钢承载力比值
由于与Q345相比其余三种角钢的价格要高出10%左右，采取Q390型角钢在理论上可以增强钢材大约13%强度，但是实际情况由于角钢的规格最多能增强10%，这对整体的项目经济性来说没有较大意义，所以实际项目基本上不会采取Q390型角钢。针对Q420以及Q460 型角钢构件的长细比不超过40的时候，构件是由强度来控制的，角钢的承载力提升20%～30%左右，这就可以使角钢的规格有效降低，Q460型角钢的优势非常明显。构件的长细比处于40-80范围之内，构件是由稳定来控制，而采取Q420以及Q460型角钢的承载力能提升8%～19%以及12%～28%之间，角钢的规格能够有所降低。构件的长细比超过80之时构件彻底由稳定进行控制，而这时选取高强角钢没有很大价值，所以不建议采取Q420以及Q460型高强钢。
结束语：
随着我国经济的高速增长和工业化、城镇化进程的加速及消费水平的提高，社会对电力的需求出现了迅猛增长，而电力通道与建设用地之间的矛盾也日益突显，鉴于此，输电线路设计时应充分考虑提高单位走廊输送容量，提高通道利用效率，通过优化杆塔结构、优化基础、采用新技术、新材料、新工艺等措施减少走廊宽度，节约建设用地、使电网更好地为社会经济发展服务。
参考文献：
[1]贺波.泄漏电流污秽绝缘子的闪络风险分析预测[J].高电压技术，2014，32（11）：22～25.
[2]《架空输电线路杆塔结构设计技术规定》 DL/T 5154-2012 中国计划出版社 2012 北京
[3]《110kV～750kV架空输电线路设计规范》 GB 50545-2010中国计划出版社 2010 北京
论文作者:郭昌华
论文发表刊物:《电力设备》2018年第31期
论文发表时间:2019/5/5
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