山区220kV杆塔设计分析

廖伟

摘要：在山区大坡度地区架设高压线路，导致铁塔架设过高，使得整体架设费用增加。文章以某220kV超高壓单回线为例，全面考虑铁塔受力情况、铁塔质量、防雷性能、电磁环境、塔头设计等因素，参考干字型塔受力特点设计处下字型直线塔，并比较了常规直线塔的技术经济，证实在山区地形使用下字型直线塔，超高压交流线路设计经济合理且安全可靠。

关键词：杆塔设计；新型杆塔；山区；铁塔架设；架空输电线路 文献标识码：A

中图分类号：TM75 文章编号：1009-2374（2017）11-0033-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.11.017

国内外在架设架空输电线路单回路直线塔和110～750kV交流线路普遍采用猫头塔和酒杯塔这两种塔型。因为山区比平丘地区的走廊拆件量小，考虑到工程造价，酒杯塔适合山区，猫头塔适合平丘地段。因为山区坡度大，所以边导线对地距离控制铁塔呼高，下坡侧导线易受绕击源于对地距离过高。为避免以上问题发生，全面考虑如铁塔受力情况、铁塔质量、防雷性能、电磁环境、塔头设计、绝缘子金具串型式等因素，并参考干字型塔的设计优点，本文通过某220kV线路施工例子探讨分析下字型直线塔设计。

1 新型单回路直线塔设计

1.1 串型选择

I型与V型悬垂串在输电线路施工中普遍使用，相较于I型串，V型串用于220kV回路铁塔时，导线偏移能够被限制，导线间距会减少3m左右，可以使走廊宽度减小，大大降低拆迁和树木砍伐的数量，但铁塔横担要增加4m，要增加1倍V型串绝缘子片数，还要增加2%～3%的单基钢材指标。线路走廊宽度不是限制下字型直线塔的主要原因，因为下字型直线塔常用于单回路山地，拆迁量小，相比较而言，推荐使用I型悬垂串。

1.2 塔头规划

1.2.1 导线间距离：

上式用于全部使用I串时水平距离的计算。

式中：fc为最大弧垂；U为线路额定电压；Lk为悬垂绝缘子串长度。垂直导线间距取0.75D，如果采取悬垂绝缘串的杆塔，在220kV时垂直线间距离应大于10m。

1.2.2 地线支架高度：

上式用于计算线路档距中央导线和地线间的空间

距离。

式中：S为导线与地线间的距离；L为档距。

1.2.3 电气间隙距离。塔头间隙圆在带电施工或者雷电过电压情况下，施工人员及杆塔构件及导线风偏轨迹间的最小间隙。依据规定，在施工人员停留地方需考虑人员活动区域0.5m。所以建议下字型直线塔在海拔1000m时工频电压间隙取1.2m，雷电过电压空气间隙取3.2m，带电作业检验间隙取3.6m，操作过电压间隙取2.6m，横担肢厚取0.2m，塔身肢厚取0.3m。

1.2.4 导线脱冰跳跃高度。根据相关规定，15mm冰区导线垂直层间距应大于8.6m，导地线间距应大于5.1m。

1.3 振型分析

根据建筑荷载规范规定，一些高耸结构需要考虑扭转风振的影响，因为其对扭转风振作用效果明显。对杆塔结构不利的因素是，横风向风力和风致扭矩在扭转振动周期过大时，二者耦合作用容易产生不稳定的气动弹性现象，对杆塔破坏较强，所以应布置扭转周期较小的下字型塔结构。

1.4 防雷性能分析

线路雷电性能计算包括下列两方面：（1）线路雷电反击计算；（2）线路雷电绕击计算。本文两种计算分别采用行波法和几何模型法。在杆塔呼高20～33m，工频接地电阻为6～31Ω，雷暴日取60日时，下字型塔反击耐雷水平低于酒杯塔，大于260kA。下字型塔绕击跳闸率大大低于酒杯塔，绕击耐雷水平较好是因为大地屏蔽下层导线，上层导线受地线保护角为负16°。

1.5 电磁环境

根据间隙圆和其他控制条件对最小塔头尺寸进行最后确定，并进行电磁环境的校核计算工作。（1）听噪声：在海拔1000m、最高运行220kV电压情况下，用BPA计算公式，下字型塔线平均为12～16m高，计算边线外20m处噪声为54.67～54.13dB，符合噪声极限值要求，所以噪声指标不对下字型塔头控制；（2）无线电干扰：借助电力行业标准中多分裂导线激发函数法可得，下字型塔线平均为12～16m高，无线电干扰计算值为52.07～51.41dB，小于55dB的限制要求，所以无线电干扰指标不对下字型塔头设计规划控制。

1.6 结构分析

相较于酒杯型塔，下字型塔的结构更加简单，结构传力有明显优势，传力路径十分清晰，对其进行结构分析也更加容易。下字型相对于酒杯型塔在结构传递受力方面也不存在K节点变形过大的问题。对K节点变形影响较大的还有施工和加工误差、组装方法、塔材的初弯曲、螺孔间隙、曲板和曲臂的角度及瓶口等因素。而下字型塔是干字型塔的演化得来的，所以在很多方面避免了这些因素对K节点造成变形较大的问题，使得更加安全可靠。下字型塔相较于酒杯型塔在一些构造加工上更加简单容易。

2 下字型直线塔适用性分析

2.1 单双回路分歧时的适用性

超高压线路单双回路交错布置，会多次出现单双回路的分歧，直线塔或耐张塔可以作为与双回路分歧塔连接的单回路塔。相较于直线塔，耐张塔布置塔位更加灵活，档中相间距离更大，但投资也会更多。因此考虑到跳线与绝缘子的费用，采用直线塔与双回路分歧塔连接，可以使每基塔节省约40万元。下字型塔在用于单双回路分歧时，能够使相间距离增加，这是由于酒杯型塔最小相间距离为5.5m，而下字型塔分歧时最小相间距离可以达到11.4m。

2.2 走廊紧张地区适用性

根据线路规范规定，在建筑物所在地高1.5m的位置畸变场强最大不能超过4kV/m，建筑物与220kV线路边导线的水平距离应大于5m，所以超高压线路拆迁范围包括两部分，分别为地面场强要求的拆迁宽度和线路本身所占的走廊宽度，为减小拆迁范围，应减小线路附近地面场强或减小铁塔横担宽度。（1）单回走线走廊宽度：下字型塔上横担宽度为8m，拆迁范围为23m，不受场强控制。酒杯塔和猫头塔的场强控制拆迁范围分别为45m和40m；（2）双回平行走线走廊宽度：下字型塔相较于猫头塔和酒杯塔，走廊宽度较窄，酒杯塔线路与猫头塔线路平行间距分别为50m和47m，而使用背靠背布置的下字型塔平行间距只有42m。下字型塔一侧不受场强控制的拆迁范围的特点，可以应用到拆迁集中地段，相较于酒杯塔和猫头塔，拆迁宽度可分别减少28m和20m。

2.3 山区地形的适用性

根据山区复杂的地形，设计出长短腿的铁塔，走线时也会经过一些倾斜的山坡。为降低铁塔呼称高，提高对地距离，在工程中采用使用两层横担布置的下字型塔，这种布置可以使下相导线位于塔身一侧，下相横担在顺着山坡走线时布置在离山坡较远的一侧。计算条件为对地距离12m，串长5m，导线弧垂15m。下字型塔可以在铁塔高度受边导线对地距离控制时降低呼称高。相较于酒杯塔，下字型塔在30°坡度时可使铁塔呼称高降低12.8m。

2.4 与其他塔型连接的适用性

下字型塔和酒杯型塔連接时，垂直距离、近点水平距离、导线三角排列等效水平间距和相间距离分别为5.2m、4.5m、11m及不小于7m。根据式（1）计算得出，10mm和15mm冰区可使用的最大档距分别为709mm和704mm，所以下字型塔与酒杯塔能够交错使用。为使下字型塔与猫头塔连接时空间距离最大，需要将下字型塔上相和猫头塔中相连接，最小相间距离为10m。相较于酒杯塔，耐张塔与干字型塔、猫头塔与下字型塔交错使用导线的排列等效水平线间距更大。

3 技术经济比较

3.1 杆塔及基础

根据Ⅲ型直线塔，平腿下字型塔比酒杯塔在同等呼高时重25%。下字型塔在30°的坡度比酒杯型塔降低呼高12.6m。依据偏心插入设计的插入式挖桩基础型式，计算时，取地质条件为强风化岩石，计算露头为3m。下字型塔基础总费用相较于酒杯塔减少9%左右，且下字型塔的经济性临界坡度为22°，超过该坡度时，使用下字型塔可以大大降低单基造价。

3.2 线路走廊

相较于酒杯塔，下字型塔可以使线路走廊宽度减小，从而使得拆迁量减小。使用下字型塔相较于酒杯塔，在单回路走廊宽度及双回路平行走线走廊宽度分别减小22m、28m。相较于猫头塔，下字型塔单回路与双回路走廊宽度分别减少15m、21m。

4 结语

在山区修建高压塔需综合考虑安全问题、地形、天气、电磁环境、自然环境保护等多方面因素。而使用下字型直线塔，可以灵活运用于山地地形，它一侧不受场强控制的拆迁范围的特点可以使其占用走廊宽度小，拆迁量和树木砍伐量少。在山区地形使用下字型直线塔，超高压交流线路设计经济合理且安全可靠。总而言之，下字型塔相较于其他类型的塔，更适合在山区复杂地区单独使用或与其他塔型交错使用。

参考文献

[1] 建筑结构荷载规范（GB 50009-2012）[S].2012.

[2] 曾二贤，包永忠，杨景胜，等.山区输电线路的环保设计和措施研究[J].电力勘测设计，2014，2（1）.

（责任编辑：黄银芳）