山区超高压线路新型杆塔设计研究

翟彬，李世鹏，李陶波

（山东电力工程咨询院有限公司，济南250013）

山区超高压线路新型杆塔设计研究

翟彬，李世鹏，李陶波

（山东电力工程咨询院有限公司，济南250013）

对于山区500 kV超高压线路，山地坡度大，铁塔呼称高易受边导线对地距离的控制，使得铁塔过高，线路造价也大大增加。以智圣—鲁中500 kV线路工程为依托，针对500 kV超高压单回线路在山区的特点，综合考虑绝缘子金具串型式、塔头规划、电磁环境、防雷性能、铁塔塔重、铁塔受力情况等各方面的因素，并重点借鉴干字型塔受力特点，设计了下字型直线塔。通过对下字型直线塔在山区地形、走廊紧张地区、单双回路分歧时、与其它塔型连接时适用性的分析，并与常规直线塔的技术经济比较，论证了在山区采用下字型直线塔时，超高压交流线路的设计更加安全可靠、经济合理。

超高压；山区；新型杆塔；塔头规划

0 引言

对架空输电线路单回路直线塔而言，国内、外广泛采用的塔型主要有酒杯塔和猫头塔，110～750 kV交流线路工程中均大量应用了这两种塔型，如图1所示。

图1 架空输电线路塔型

猫头塔和酒杯塔各有优缺点，三相导线水平排列的酒杯塔横担长度大于猫头塔，故线路所占走廊较宽。猫头塔三相导线为三角排列，500 kV输电线路猫头塔中相导线要抬高10.5 m，导致铁塔负荷增加，塔重比酒杯塔增加7%，占地面积增大50%，本体投资比酒杯塔增大10%，但线路走廊比酒杯塔减小30%。

由于山区线路走廊的拆迁量不大，为了降低工程造价，山区地段宜采用酒杯塔，而平丘地区线路走廊相对拥挤，拆迁量较大，宜采用猫头塔。山地坡度较大，铁塔呼高易受边导线对地距离控制，下山坡侧导线对地距离高，容易受到绕击［1-2］。为了有效解决上述问题，综合考虑绝缘子金具串型式、塔头规划、电磁环境、防雷性能、铁塔塔重、铁塔受力情况等各方面的因素［3］，特别是借鉴干字型塔受力较好的优点，在智圣—鲁中500 kV交流线路工程（以下简称智鲁线）中规划下字型直线塔，如图2所示。

下字型直线塔顶架采用羊角型布置，地线和上导线采用公用顶架，下导线横担布置在下坡侧，相对于酒杯塔，降低了呼高，减少了塔重。下字型塔属于干字型塔的演化塔型，结构型式简洁，传力路径清晰，塔头尺寸较小、结构布置紧凑，动力性能更好，避免了酒杯塔和猫头塔K节点变形［4-5］较大的问题，更加安全可靠。

图2 下字型直线塔效果图

1 新型单回路直线塔设计

1.1 串型选择

对于输电线路工程，I型和V型悬垂串都曾大量使用，与I型串相比，500 kV单回路铁塔使用V型串时，铁塔横担需加长4 m，但V型串可限制导线偏移，导线相间距减小约3 m，走廊宽度更小些，降低了房屋拆迁和树木砍伐量，但铁塔单基钢材指标将增加2%～3%，V型串绝缘子片数要增加1倍。

下字型直线塔主要用于单回路山地，拆迁量较少，线路走廊宽度不是主要制约因素，因此采用V型串的优势不明显，推荐下字型塔采用I型悬垂串。

1.2 塔头规划

智鲁线工程中，在10 mm和15 mm冰区单回路导线采用4×JL／G1A-630／45，地线采用JLB40-150。

1）导线间距离。根据线路规范［3］，当全部采用I串时，水平线间距离D按式（1）计算。垂直排列导线的垂直线间距离取0.75D，但对采用悬垂绝缘串的杆塔，其垂直线间距离在500 kV时不应小于10 m［3］。直线塔最小导线间水平距离计算结果如表1所示。

式中：Lk为悬垂绝缘子串长度；U为线路额定电压；fc为最大弧垂。

2）电气间隙距离。塔头间隙圆中带电检修、操作、雷电过电压以及工频电压等工况下，导线风偏轨迹对杆塔构件和工作人员之间的最小间隙，属于导线对杆塔或相对地电气间隙。

根据线路规范［3］相关规定，500 kV线路带电部分与杆塔构件的最小空气间隙选取如表2所示。对于需要工作人员停留的部位，还应考虑人体活动范围0.5 m。因此，推荐下字型直线塔在海拔1 000 m时带电作业检验间隙取3.7 m，雷电过电压空气间隙取3.3 m，操作过电压间隙取2.7 m，工频电压间隙取1.3 m；塔身肢厚取0.3 m，横担肢厚取0.2 m。间隙圆图如图3所示。

表2 500kV线路空气间隙值m

图3 下字型直线塔间隙圆图

3）地线支架高度。根据线路规范［3］，线路档距中央导线和地线间的空间距离应按雷击档距中央地线时导地线空气间隙不发生击穿的原则来确定，其值可由式（2）计算得到。

式中：S为导线与地线间的距离；L为档距。

对于直线塔，导地线层间距不控制，导地线弧垂差和悬垂串高度即可满足要求。

4）导线脱冰跳跃高度。根据重覆冰地区线路规范［8］，经计算，15mm冰区导线垂直层间距不小于8.6m时，导地线间距不小于5.1 m时，满足脱冰跳跃高度要求。

1.3 电磁环境

按照间隙圆及其它控制条件确定最小塔头尺寸后，进行电磁环境的校核计算工作。

1）可听噪声。在最高运行电压550 kV、海拔1 000 m情况下，利用BPA公式［6-7］，下字型塔导线平均高为12～16 m，计算边线外20 m处可听噪声值为54.77～54.14 dB，满足55 dB的限值要求，下字型塔头规划不受可听噪声指标控制。

2）无线电干扰。利用电力行业标准［9］中多分裂导线激发函数法，双80%时的激发函数可由雨天干扰值减去10～15 dB而得。下字型塔导线平均高为12～16 m，无线电干扰计算值为52.08～51.42 dB，满足55 dB的限值要求，下字型塔头规划不受无线电干扰指标控制。

3）地面电场强度。采用逐次镜像法计算，下字型塔导线平均高为12～16m，边线外16m处离地面1.5 m处未畸变电场计算值为3.9～2.1 kV／m，最大场强不超过4 kV／m。因此下字型塔地面场强指标与常规塔相差不大，线路下场强控制在10 kV／m之内。

1.4 防雷性能分析

线路雷电性能计算包括线路雷电反击和绕击计算。本文反击计算采用行波法，绕击计算采用电气几何模型法（EGM）［10-12］。

在杆塔工频接地电阻为5～30 Ω，呼高21～34 m，雷暴日取40日时，下字型塔反击耐雷水平均大于260 kA，略低于酒杯塔。另一方面，下字型塔下层导线受大地屏蔽，地线对上层导线的保护角为-16°，故绕击耐雷水平较好，绕击跳闸率远低于酒杯塔。

1.5 振型分析

根据建筑荷载规范［13］规定，对于扭转风振作用效应明显的高耸结构，需考虑扭转风振的影响。由于酒杯塔扭转振动周期与弯曲振动周期较为接近，可能会引起弯扭耦合风振效应，这时酒杯塔结构的风振响应规律将非常复杂。大量风洞试验结果表明，风致扭矩和横风向风力具有较强相关性［13］。当扭转振动周期较大时，两者的耦合作用易发生不稳定的气动弹性现象，这对杆塔结构来说是十分不利的。下字型塔扭转振动周期小于酒杯型塔，并且与弯曲振动周期相差较大，可不考虑弯扭耦合风振效应。从动力性能上看，下字型塔结构布置方式比酒杯型塔更加合理、科学。

1.6 结构分析

结构简单，传力路径清晰。酒杯塔由于塔头较大、曲臂较多等原因，传力路径较为复杂，结构分析困难。下字型塔继承了以往干字型塔的特点，结构简单，传力路径非常清晰，在结构传力上具有明显的优势，结构分析也更为容易。

不存在K节点较大变形的问题。酒杯型塔K节点变形是其结构传递受力的必然结果。此外瓶口、曲臂和曲板的角度、螺孔间隙、塔材的初弯曲、铁塔组装方法、施工和加工误差均对K节点位移值有重要影响。下字型塔属于干字型塔的演化，结构简单、塔头尺寸小、结构布置紧凑，避免了K节点变形较大的问题，更加安全可靠。

局部构造简单，加工容易。酒杯型塔在局部构造上较为困难，特别是瓶口处，杆件规格较大，数量较多，相互间倾角难以控制，导致加工非常困难，下字型塔在局部构造上不存在这些问题。

2 下字型直线塔适用性分析

2.1 山区地形的适用性

山区地形复杂，铁塔需要使用长短腿设计，且部分地段需要沿倾斜的山坡走线，以智鲁线工程为例，酒杯塔两边线距离达到23.2 m，受山坡坡度影响三相导线对地距离差别较大，坡度30°时，两边线导线对地距离相差为13.4 m，因此受到一侧边相控制而需要相应抬高另外两相的对地距离。下字型塔采用两层横担布置，下相导线位于塔身一侧，沿山坡走线时可以将下相横担布置在远离山坡的一侧，从而提高对地距离，降低铁塔呼称高。山坡走线对比如图4所示。

图4 山坡走线对比

不同坡度时酒杯塔与下字型塔呼高对比如表3所示，计算条件为导线弧垂取16 m，串长取5 m，对地距离取12 m。由表3可知，当铁塔高度受边导线对地距离控制时，使用下字型塔可以有效降低呼称高。坡度30°时，与酒杯塔相比，下字型塔可降低铁塔呼高12.7 m。

表3 不同坡度时酒杯塔与下字型塔呼高对比

2.2 走廊紧张地区适用性

线路规范［3］规定500 kV线路边导线距建筑物的水平距离不低于5 m，并且建筑物所在位置距地1.5 m高处最大未畸变场强不应超过4 kV／m。因此超高压线路拆迁范围包括了线路本身所占的走廊宽度以及地面场强要求的拆迁宽度两部分，通过缩小铁塔横担宽度或者减小线路附近的地面场强都可以减少拆迁。

1）单回走线时走廊宽度。下字型塔、酒杯塔和猫头塔电场分布图如图5所示，h为距地面高度。下字型塔左侧均小于4 kV／m，不受电场强度控制，右侧4 kV／m点位于中心线外侧16 m处；下字型塔上横担宽度为8 m，拆迁范围为24 m。酒杯塔电场分布两侧对称，4 kV／m点位于中心线外侧23 m处，电场强度控制的拆迁范围为46 m。猫头塔电场分布两侧对称，4 kV／m点位于中心线外侧20 m处，电场强度控制的拆迁范围为40 m。

2）双回平行走线时走廊宽度。与酒杯塔和猫头塔相比，下字型塔走廊宽度较窄，智鲁线单回路段与智圣站、鲁中站远期多条线路平行走线，若两回酒杯塔线路最小平行间距50 m，猫头塔平行间距为48 m。采用下字型塔背靠背布置，即只有一相导线的一侧布置在两条平行线路的外侧，下字型塔平行间距为43 m。为减少拆迁，在拆迁集中的地段利用下字型塔一侧拆迁范围不受电场强度控制的特点，可比酒杯塔减少拆迁宽度29 m，比猫头塔还要少21 m。

图5 不同塔型电场分布

2.3 单双回路分歧时的适用性

超高压线路单双回路交错布置，出现多次单双回路的分歧，与双回路分歧塔连接的单回路塔可以为耐张塔或者直线塔，相比而言采用单回路耐张塔时档中相间距离更大，塔位布置更灵活，但是投资较直线塔也要增加更多。对于超高压线路，考虑到绝缘子及跳线的费用，使用直线塔与双回路分歧塔相接，每基塔可节省投资约40余万元。对于酒杯塔和下字型塔分别采用最有利于空间距离的相序布置方式进行比较，如图6所示。采用酒杯塔分歧时最小相间距离为5.6m，采用下字型塔分歧时最小相间距离为11.5 m，因此，在用于单双回路分歧时，下字型塔能够增加相间距离。

图6 直线塔与分歧塔连接时相间距离

2.4 与其他塔型连接的适用性

下字型塔和酒杯塔、猫头塔、干字型耐张塔分别连接的情况，如图7所示。与酒杯塔连接时，相间距离大于7 m，其中最近点水平距离4.6 m，垂直距离5.3 m，导线三角排列时等效水平线间距离为11.1 m。由式（1）计算，且导线的平均气温工况应力控制，10 mm冰区可使用的最大档距为710 m，15 mm冰区可使用的最大档距为705 m，因此酒杯塔和下字型塔交错使用可行。与猫头塔连接时，猫头塔中相需与下字型塔上相相连，这样空间距离最大，最小相间距离位于塔头处，距离为11.6 m。与干字型耐张塔连接时，干字型耐张塔中相需与下字型直线塔上相相连，这样空间距离最大，最小相间距离为9.9 m。与酒杯塔相比，下字型与猫头塔和干字型耐张塔交错使用时，导线排列等效水平线间距离更大。

图7 下字型塔与其它塔型连接时导线布置

3 技术经济比较

3.1 线路走廊

根据计算结果，下字型塔可以减小线路走廊，进而减少拆迁。与酒杯塔相比，单回线路走廊宽度减小22 m，两回线路平行走线时减小29 m。与猫头塔相比，单回线路走廊宽度减小16 m，两回线路平行走线时减小21 m。

3.2 杆塔及基础

以Ⅲ型直线塔为例（风速27 m／s，冰厚15 mm），同等呼高时，平腿下字型塔比酒杯塔约重25%；当山地坡度30°时，下字型塔与酒杯型塔相比可降低呼高约12.7 m。基础计算时，取地质条件为强风化岩石，计算露头为3.0 m，基础型式为插入式掏挖桩基础，按偏心插入进行设计，其杆塔及基础指标和造价见表4。

表4 下字型塔和酒杯塔造价对比

由表4可知，下字型塔与酒杯塔相比铁塔及基础总费用降低约8.9%。经测算，下字型塔与酒杯塔相比具有经济性的临界坡度为21.9°，当线路坡度超过该临界点时，下字型塔可有效降低单基造价。

4 结语

在相同导地线型号下，下字型塔满足电磁环境指标要求。

下字型塔传力路径比酒杯型直线塔简捷，动力性能更好，施工时组塔方便。避免了交流特高压中酒杯塔和猫头塔K节点变形较大的问题。

下字型塔反击耐雷水平略低于酒杯塔，绕击跳闸率远低于酒杯塔。

虽然同等呼高时，平腿下字型塔单基塔重比酒杯塔增加约25%，但当铁塔高度受边导线对地距离控制时，下字型塔可以有效降低铁塔呼称高，下字型塔与酒杯塔相比具有经济性的临界坡度为21.9°，30°坡度时与酒杯塔相比可降低12.7 m，铁塔及基础总费用降低约8.9%。

下字型塔可以减小线路走廊，与酒杯塔相比，单回线路走廊宽度减小22m，两回线路平行走线时减小29 m；与猫头塔相比，单回线路走廊宽度减小16 m，两回线路平行走线时减小21 m。

与酒杯塔相比，用于单双回路分歧时，下字型塔能够增加相间距离。

下字型塔与酒杯塔连接时，10 mm、15 mm冰区档距分别不超过710 m和705 m，下字型塔与酒杯塔、猫头塔、干字型耐张塔交错使用时可以满足相间距离要求。

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［13］GB 50009—2012建筑结构荷载规范［S］．

Late-model Tower Design of EHV Transmission Lines in Mountainous Areas

ZHAI Bin，LI Shipeng，LI Taobo
（Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Corp.Ltd，Jinan 250013，China）

The height of 500 kV transmission line tower in mountainous areas is usually determined by the clearance between wire and ground，which leads to greater tower height and increases the cost of the EHV transmission lines.On the basis of actual 500kV transmission line project from Zhisheng substation to Luzhong substation，the late-model supporting tower is designed considering mountain transmission line features，including the type of insulator fittings，layout of tower head，electromagnetic environment，lightning protection，tower weight and stress.Also，during the design process of the late-model tower，the outstanding stress performance of branching tower was especially studied for reference.Compared with normal tower，when latemodel tower is used in mountainous areas，narrow corridor areas or when connected with double-circuit tower and other kind of tower，from the aspect of reliability and economy，it is preferable to adopt the late-model tower.

extra-high voltage（EHV）；mountainous areas；late-model tower；layout of tower head

TM753

A

1007－9904（2015）04－0016－06

2015-01-20

翟彬（1982），男，工程师，研究方向为架空输电线路的设计和研究；

李世鹏（1989），男，工程师，研究方向为架空输电线路的设计和研究；

李陶波（1984），男，工程师，研究方向为架空输电线路的设计和研究。