重冰区220kV线路杆塔选型与设计优化

邹相国 易黎明 王四秀

（湖北省电力勘测设计院，湖北 武汉 430040）

相对常规冰区杆塔而言，重冰区杆塔具有较多特殊性。一是冰凌荷载大，成为设计中主要控制条件，在重覆冰的情况下，存在因过载冰荷重而造成断线、倒塔等巨大威胁；二是相邻档因不均匀冰或不同期脱冰造成地线支架、导线横担的破坏等；三是运行维护特别困难，常常需要在冰天雪地中巡查、抢修，劳动强度大且条件恶劣。因此，加强对重冰区杆塔的设计研究，成为保障重覆冰线路安全运行的前提。

本文结合现行设计规程，针对恩利线的工程特点，对220kV重冰区的输电杆塔设计和优化进行了研究和探讨。

1 重冰区杆塔规划

重覆冰线路定位档距不宜太大，且各档距间尽量均匀，以减少不平衡张力；其次，各相邻档的高低差也要求小一些，以避免脱冰跳跃和不均覆冰时引起悬垂绝缘子串上翻，碰坏绝缘子和出现永久性接地故障。

根据220kV恩利线工程，对20mm冰区、30mm冰区杆塔的杆塔规划，一方面确保档距合理，另一方面耐张塔转角度控制在40°以内，并充分结合线路实际使用档距情况。20mm冰区直线塔采用ZBC21、ZBC22，30mm冰区直线塔采用ZBC31、ZBC32；对于耐张塔也各自规划两个塔型，分别用于0～20°转角、20～40°转角，且2型转角塔同时兼做冰区分界塔。

2 杆塔选型

2.1 直线塔选型。根据以往经验，I串在重冰区防冰闪效果不如V串，而且V串布置可靠性更高，因此220kV重冰区直线塔采用V串悬挂。对于一般单回路杆塔，直线塔中猫头塔和酒杯塔都是比较成熟的型式。以本工程20mm冰区1型直线塔为例，相对猫头塔而言，酒杯塔导线位于同一高度，走廊宽度大，传力路径相对更为清晰，而且同样呼高下全高较小，由此塔重也较轻；而猫头塔则相对走廊宽度小，导线三角形排列导致杆塔全高增加，塔重也因此增加较多，但是可以获得更小的保护角。而且通过计算表明，同样呼高情况下，酒杯塔塔身、塔腿主材规格会相对小一些，有利于山地运输。

考虑到通常重冰区线路一般位于山区，走廊相对宽裕，走廊空间不作为主要考虑因素。DL/T 5440-2009规程也建议重冰区杆塔导线宜采用水平排列，这种排列方式有利于防止线条脱冰跳跃时过于接近，甚至导线之间出现闪络跳闸等情况的出现。而且酒杯塔可以获得更小的主材规格，有利于山地塔的运输。因此，经综合比较分析，220kV重冰区的直线塔推荐采用酒杯塔。

2.2 耐张塔选型。目前220kV及以上电压等级的耐张转角塔，主要为干字型塔。这种塔型结构简单，受力清楚，占用线路走廊窄，而且施工安装和检修比较方便，因此在国内各电压等级线路中大量使用，积累了丰富的运行经验。本工程重冰区耐张塔也采用干字型塔。以本工程JC21杆塔为例，根据转角度的不同，选择不同的导线挂点，以获得更大的电气安全距离，进一步确保运行维护的安全可靠。

3 杆塔设计优化

3.1 塔头结构优化。塔头的结构布置，需要保证导地线荷载传力清晰可靠。对于直线塔，本工程的设计塔头设计优化主要体现在以下两方面：（1）导地线荷载通过曲臂传递至塔身，上下曲臂交点处，在铁塔正视图中表现为点接触，为了确保刚度和传力的可靠，对上下曲臂交点处主材之间的夹角按大于20度进行处理。（2）上下曲臂内部的杆件平面因为构造原因，通常斜材杆件负端距大、偏心大，这与杆塔计算时的杆件模型将存在较大出入，为了保证重冰区杆塔的安全性，此处除了需要考虑偏心的影响之外，将塔头的受力主要通过主材传递，传力更为清晰可靠。

3.2 塔身节间布置。铁塔主材节间的布置与塔身斜材的布置二者是相互关联、相互影响的。在具体杆塔设计过程中，一般按照结构最优、受力最佳的原则进行布置。根据设计经验，为使主材受力均匀同时减小杆件规格，可从以下两个方面进行调整：（1）主材构件长度控制。由于本工程位于山区，考虑到运输和组装的方便，以及避免运输过程中构件的变形，对主材单根构件的长度控制不超过9m，同时重量不超过500kg。在杆塔设计时，通过采用Q420高强钢，同样受力情况下，降低了主材规格，以减轻单根构件重量。（2）根据相关计算经验，斜材和水平面夹角的大小将直接决定斜材抵抗外荷载的能力。从国内外科研成果、工程设计实际经验以及铁塔真型试验来看，塔身斜材与水平面的夹角取35°～45°为宜，不宜小于30°或大于50°；根据以往的设计经验，塔腿主斜材夹角不得小于18°，宜控制在20°以上。

3.3 塔身隔面布置。铁塔应在塔身变坡断面处、直接受扭力断面处和塔顶及塔腿顶部断面处设置横隔面。考虑到本工程重冰区杆塔的特点，按不大于平均宽度的3倍，同时不大于3个主材节间分段设置隔面，以进一步增加刚度。

3.4 节点构造优化。节点构造是设计的一个重要环节，铁塔真型试验破坏往往与节点构造不当有关。本工程重冰区杆塔在以下几个方面进行了节点优化：（1）直线塔上下曲臂的交点，连接板进行卷边处理，且上下曲臂受力杆件尽量减小负端距，以保证节点的强度。（2）直线塔颈口处采用双面连接，且采用火曲角钢作为内包角钢，进一步增强节点的强度和刚度。 （3）耐张塔塔身变坡位于下横担下面一个节间，从而简化了下横担与塔身连接处的节点构造，使传力更为可靠。

结语

重冰区杆塔因其其覆冰荷载较大，成为杆塔设计时的主要控制条件。本文以220kV恩利线重冰区杆塔为分析对象，结合相关规程，对220kV重冰区线路的杆塔规划、杆塔选型、结构设计优化等多方面进行了总结。随着新材料、新技术、新工艺等不断发展，电压等级也逐渐提高，要求对于重冰区杆塔设计的方案和思想都要寻求新的突破，不断加强杆塔结构设计的研究和试验工作，以确保杆塔的可靠性的，同时充分考虑杆塔加工、运输以及组装的方便，全面保障重冰区输电线路的安全运行。

[1]110～500kV 架空送电线路设计技术规范[S].