特高压直流输电线路杆塔结构及优化技术方案

国核电力规划设计研究院有限公司 索亮 黄峰洲 刘倩倩 王智飞

1 引言

近年来，直流输电线路的特高压输电网络已经被广泛应用，目前电网要求直流输电线路的基本组成结构能够满足安全平稳输电的要求。在输电线路的体系结构中，线路杆塔具有支撑输电网络整体结构的重要作用。通常情况下，直流输电线路的常见杆塔结构形式应当包含角钢以及钢管的两种组成结构。线路杆塔结构的荷载性能将会直接关系直流输电线路稳定的传输效果。所以线路杆塔的支撑部件应当进行优化设计，结合杆塔结构布局方案进行完善与改进。

2 特高压直流输电线路杆塔结构的常见类型

2.1 角钢结构杆塔

角钢材质的线路杆塔具有良好的安全坚固性能，角钢结构的线路杆塔具有较大的结构变形承受能力与体型系数特征。因此直流输电线路高大的杆塔造型结构最好选择角钢结构的杆塔支撑体系[1]。高强度的优质钢材应当运用于角钢结构的线路杆塔制造成型，确保杆塔不会受到外界风力震动以及构造偏心作用带来的影响。

目前在自动化的杆塔组装以及日益先进的加工工艺支撑前提下，杆塔的制造质量更加可靠，同时杆塔制造的工期缩短，焊接操作的步骤流程简化，角钢结构的直流线路杆塔能够达到最基本的杆塔施工要求质量[2]。

2.2 钢管结构杆塔

钢管结构的输电线路杆塔具有较小的体型系数以及良好的构件受力性能。钢管结构的杆塔组成材料主要为管材型钢，确保钢材与管材的良好屈服强度在标准内。较高杆塔采用钢管结构的杆塔制作安装，能够节约钢材消耗，有效减轻线路杆塔的基础部位荷载受力强度。

但是钢管结构组成的直流线路杆塔目前具有较大的人工焊接操作量，较低的自动化生产加工工序。钢管结构的路杆塔成品运输不便捷，在运输过程中钢管会发生剧烈的振荡或者颠簸造成损坏，现阶段的钢管材料造价普遍高于角钢材料。

2.3 直线杆塔结构

直线杆塔的布置排列方式可以选择水平结构，布置双杆形式的输电线路杆塔体系[3]。在直接埋设杆塔基础结构的前提下，应当保证拉盘与底盘达到结构设计规范。在杆塔的上部空间区域，应当视情况布置120kg、10m 左右的铁横担。铁横担应当包含斜拉杆和横拉杆，运用指定型号规格的钢筋构成拉杆，同时还需要布置可调节的螺栓。特高压输电线路的现有覆盖规模正在快速扩大，直线杆塔的系统组成结构比较复杂。在输电线路的体系结构中，线路杆塔应当连接绝缘子以及地线导线，保障直线杆塔在电网电流平稳传输。

目前针对输电线路杆塔展开深入的探索研究，旨在确保输电线路网络中的杆塔达到安全坚固的要求。杆塔横担属于非常关键的线路组成部分，输电网络的正常运行使用必须依赖杆塔横担的系统结构作为支撑[4]。目前，现有的杆塔横担主要应当包含复合的实心横担和传统铁横担，线路工程的设计人员可以视情况进行选择。安装复合绝缘子与复合横担应当达到30°的夹角，水平安装复合横担结构。技术人员应当在电杆的适当高度位置安装水平的横担，确保达到导线固定的效果。特高压直流输电线路杆塔的结构设计参数指标如表1所示。

表1 杆塔结构设计的参数指标

3 特高压直流输电线路杆塔结构的性能影响因素

3.1 受压构件的稳定性能影响

轴心受压构件是线路杆塔的基本组成结构，杆塔轴心部位的受压构件必须满足荷载强度技术指标。杆塔受压构件如果没有达到良好的构件稳定性能，会对整个直流输电网络的正常稳定输电过程带来不利的影响[5]。

设计人员在计算受压构件的结构稳定系数过程中，关键是要考虑受压构件的截面面积大小、钢管材料的壁厚与直径参数、角钢材料的厚度与宽度等因素。通过实施全方位的稳定强度计算，能够准确判断得到受压构件的最大的外界荷载承受限度。钢管材料呈现出更加优良的坚固安全效能，对于受压结构件应当优先考虑选用优质的钢管组合材料。

3.2 风荷载因素对线路杆塔的影响

直流特高压的大规模输电线路主要运行于架空的露天户外空间，输电线路的各个结构部位都会承受强度较高的风荷载影响。风荷载因素对于线路杆塔造成的运行影响程度关键取决于风压的高度变化特征，因此应当按照基准风压的参数指标设计进行准确的判断。对于杆塔结构件应当视为风荷载的重要载体，结合现有的风振系数以及背风面的荷载降低频率参数进行综合性的判断。

风荷载因素应当重点考虑，主要原因在于线路杆塔常年处于露天运行的状态。通过综合性地判断分析，能够确定杆塔支架的型钢杆件支撑体系结构普遍表现为优良的风荷载承受强度性能。因此有助于确保整个输电线路的稳定运行。杆塔支架的断面结构主要包含圆形的杆件，杆件本身的荷载强度将会直接决定整体的输电线路安全运行。

直流输电线路杆塔的风荷载受力特征模型如图1所示。

图1 直流输电线路杆塔的风荷载受力特征模型

3.3 压弯构件的稳定性能影响

线路杆塔系统结构中的压弯构件应当能够确保良好的弯扭屈曲强度，对于压弯构件在进行选择与使用的过程中，关键就是要准确界定压弯构件能够满足最低限度的杆塔稳定性能要求。具体针对压弯构件在进行结构稳定参数的计算时，应当重点考虑平面失稳的特殊运行状态，从而确定压弯构件的圆形结构断面能够满足良好的杆塔支架支撑强度标准。

直流线路的杆塔横隔面具有非常特殊的造型结构设计要求，杆塔横隔面的结构部位比较容易受到扭矩作用力的显著影响。压弯构件如果不具备优良的结构支撑稳定性，经过频繁弯曲的线路杆塔就会存在断裂破损的安全风险，甚至还会造成线路杆塔的整体折断事故的发生。在折减验算的基础上，应当针对角钢杆件的稳定参数进行精确计算，确保经过综合性的全面判断考虑，选择最佳类型的角钢材料。角钢材料的线路杆塔立体支撑结构普遍存在更好的稳定系数以及更小的钢管回转半径，并且能够提高钢材的截面部位刚度系数[6]。

4 特高压直流输电线路杆塔结构的优化设计方案

4.1 全面考虑线路杆塔的运行工况

直流输电线路的系统运行整体工况具有复杂性，在此前提下，直流输电线路的杆塔结构设计方案应当重点包含线路杆塔的不同运行工况因素考虑，从而实现了针对各种类型杆塔运行工况的综合判断考量[7]。例如，应当对导线与地线的最大荷载参数进行综合性计算，确保架设完毕的导线以及地线实施荷载强度的通过安全测试。此外，线路杆塔的系统设计人员还需要重点测试临时性的杆塔拉线荷载，确保达到最基本的临时拉线紧固程度的要求。

直流输电系统的线路杆塔可能会遇到大风气候、线路覆冰、低温气候以及雷电气候等恶劣极端气候，输电线路杆塔在上述的特殊运行工况环境中能够具备良好的坚固支撑和稳定效果。通过进行全面的直流线路运行工况环境假设与计算，能够归纳得到更加客观完整的线路杆塔结构规划设计方案，有效防止杆塔结构的总体设计方案存在偏差或者误区。

4.2 合理选择与布置塔身断面形式

直流输电线路应当配备适应性较好的塔身断面造型，应当重点考虑方形以及矩形的两种常用塔身断面结构造型[8]。通常来讲，塔身断面需要承受较大的纵向张力作用，因此最好将其设计为线路垂直部位的较短边长结构，同时还需要合理控制现有的长边结构的长度。应当合理地确定与完善塔身倾斜角度，避免存在过于倾斜的塔身结构缺陷问题。技术人员经过综合性的考虑衡量后，应当视情况选择K 字形或者交叉形式的塔身断面造型结构。塔身倾斜角度与塔身荷载强度之间具有紧密的联系，因此目前针对塔身的常用几种结构形式应当进行综合性的分析对比，得到较佳的塔身结构造型。

4.3 完善横隔面的结构造型设计

直流输电线路的杆塔体系结构在设置横隔面的理想间隔距离时，需要严格保证横隔面之间的宽度达到适宜的设计数据指标，从而实现杆塔整体结构的荷载均匀传递效果。例如对于角钢以及钢管材料构成的横隔面结构造型而言，关键应当考虑合理优化现有的间隔距离，确保限定在五倍以内的横隔面宽度数据标准。线路工程的设计人员必须重点针对复合绝缘子进行合理的布局优化设计，确保控制自重在5kg 左右的绝缘子，运用金具连接两端的复合绝缘子部位。避雷线的支撑系统结构应当包含钢槽的铁帽。铁横梁应当安装在杆塔结构的顶端部位，以便于绝缘子串能够具有良好的稳固性能。

复合横担主要位于铁横梁的两侧结构部位，并且在横梁斜上方的两端部位设置悬式的棒形复合绝缘子。复合绝缘子对于输电线路整体的运行稳定安全性能够给予保障，确保输电线路满足绝缘性能的要求。对于导线需要进行绑扎操作处理，确保复合绝缘子达到1200mm 以上的绝缘距离以及1500mm左右的结构高度。对于横隔面部位的造型结构在实施优化改进时，应当重点判断塔身的内部作用力以及构件分布的均衡性，有效提升整体的杆塔结构安全稳固性能。

5 结语

特高压直流输电的网络结构体系具有良好的坚固性能以及输电稳定性能，实现上述目标的关键是合理选择线路杆塔的结构形式方案。特高压的直流输电网络体系由于受到多层面的输电运行因素的影响，直流输电线路的杆塔结构就会比较容易产生损坏，进而威胁到直流输电线路的系统运行安全。为了确保特高压直流输电线路系统能够发挥出良好使用效能，现阶段的杆塔结构合理完善措施应当包含塔身断面的布置与选择以及横隔面的造型结构设计。输电线路的杆塔设计完善方案应当包含多种不同的线路运行工况，确保全面考虑到线路杆塔的运行使用状况。