架空输电线路体系强度匹配设计方法

架空输电线路体系强度匹配设计方法

何召蓬

山东意和同悦电力工程设计有限公司 山东 济宁 270000

摘要：电力网络是推动经济建设的强大动力。为了适应经济和社会发展的需要，更好地发挥其在经济运行中的作用，我国目前电力基础保障等基础设施还需要进一步巩固和提高。根据我国电力工业的现状，提高供电质量已成为一个亟待解决的问题。特别是架空输电线路塔架的设计，应注重加强塔架结构的安全性和运行的稳定性，同时要兼顾设计的经济性，不能超过投资成本的规划。因此，研究如何提高架空输电线路的运行安全性和稳定性，做好架空基础的设计和优化工作，就显得尤为重要。

关键词：架空输电线路体系；可靠性；强度匹配；失效顺序；设计方法；安全度水平

引言

架空输电线路体系通常由杆塔、基础、导地线、金具和绝缘子这5种组件构成。我国现行输电线路相关规范对杆塔及基础采用了以概率理论为基础的极限状态设计方法，而对于导地线、金具和绝缘子等组件则依然沿用安全系数法。目前我国输电线路是按照单个组件分别设计，对线路整体可靠性能的把握则通常依靠经验；对于输电线路体系而言，各组件的强度设计及其安全度水平是否尺度相当有待验证。国内外对于输电线路的系统可靠性及匹配研究较少。美国在线路设计中，引入了线路整体可靠度的设计方法，可以选择线路可靠度系数，但是没给出各组件之间的承载力匹配关系。国际电工协会IEC在十余年前已将系统可靠度概念应用于输电线路设计，IEC60826规范中推荐的系统可靠性设计方法，是目前输电线路设计中较为先进的方法。我国输电线路组件所用材料和组件设计方法与国外规范存在差异，因而不能照搬IEC规范的系统可靠性设计方法，需要针对我国的实际情况进行各组件的强度匹配研究，对于我国输电线路设计将具有创新性意义。

1架空输电线路铁塔结构设计的基本原理

输变电线路铁塔结构设计的基本原则，是根据国家相关法律法规，对110~750kV架空输变电线路塔架进行优化设计，使其在尺寸、布置、长度、面积等方面达到最佳，在加强强度和稳定性方面进行设计，使之符合施工工程的地形地貌要求，达到安装灵活，结构安全可靠。对于杆塔荷载要求、结构材料形式与连接方式、钢种选择、预应力混凝土杆塔强度等问题，在设计阶段都需要认真考虑与实践。例如选择多种类型的钢材，杆塔结构用钢的质量要求不得低于B级钢，采用钢板焊接以防止拉伤等，这些都是输电线路塔结构设计时应注意的问题。

2体系组件的相当安全系数

为了比较国内外输电线路5种组件的安全度水平，将极限状态设计法与安全系数法的安全度水平进行统一比较，引入了“相当安全系数”，将极限状态设计法中的各个分项系数在不同计算条件下所含有的安全度统一表述为一个参数，便于与单一安全系数比较。参考文献[3]中详细介绍了安全度(即本文的相当安全系数)的计算方法。本文选取了典型的500kV输电线路体系，考虑2种常见荷载组合工况来计算输电线路体系组件的相当安全系数，如表1所示。其中，工况一为最大风荷载、无覆冰荷载、未断线；工况二为最大覆冰荷载、相应风速的风荷载、未断线。选取的国内现行规范为GB50545—2010《110kV~750kV架空输电线路设计规范》、GB50790—2013《±800kV直流架空输电线路设计规范》、GB50665—2011《1000kV架空输电线路设计规范》。

3架空输电线路体系强度匹配设计方法

3.1接地材料的选用

接地模块的材料配置方案：铁塔塔基四面水平射线或圆形闭合射线长每隔5～10m安装一个接地模块，增加与土壤的接触面积。模块形状分为圆形与方形两种，之后将土回填。石墨基的材料配置方案：铁塔塔基四面水平射线由于传统的镀锌钢绞线更换为石墨基材料的接地射线，石墨基材料的接地射线其直径达28mm，同时在开挖槽内放上石墨布，并配合使用膨润土，从而增加了接地材料与土壤的接触面积，达到了接地降低土壤电阻率的效果，其接地形式与传统一致。

3.2封合装置结构设计

封合装置研制针对上述架空输电线路维护管进行封合，使其卡槽和卡块快速、准确卡接在一起的封合装置。相对设置的第一滑块、第二滑块以及通过沉头螺钉分别固定在两个滑块上的弧形卡舌，第一滑块和第二滑块的后端分别设置有第一手柄和第二手柄，第二滑块前方设置有滑轴，第一滑块上对应设置有轴孔，第一手柄内设置有弹簧孔，弹簧孔内放置有弹簧，滑轴穿过轴孔后与弹簧紧固连接，第一滑块和第二滑块的顶端面各设置有一排定位轴座，定位轴座为一侧外表面设置有环形槽的圆柱体，环形槽的宽度为定位轴座高度一半，其中第一滑块和第二滑块上的定位轴座方向颠倒。每排定位轴座的数量为两个、三个或四个，设置在两滑块的边缘处。其定位轴座为中空结构，通过螺栓连接在两滑块上。其弧形卡舌通过沉头螺钉固定在两滑块的侧面，手柄外均设置有防滑套。第一手柄通过沉头螺钉与第一滑块紧固连接，第二手柄与第二滑块一体成型。

3.3杆系布置

对于杆塔的选型，应根据架空线路的走向和通路区域的地质、水文条件进行合理选择，并根据节点的结构特点和杆塔自身的作用来确定杆系布置方式。首先，导线的横担下方平面斜材布置。一般采用的是斜交式，且多采用导线横担与主材直接斜交连接，这样在承受外力载荷时也能避免变形。这样，类似的结构都可以在铰接点设置短角钢，以加强其抗纵向荷载的作用。第二部分为水平搭腿连杆布置。采用水平横梁时，需要用力学模型进行系统分析，根据横梁从静态到静态的变化过程，在搭腿结构中设置水平横梁，并通过杆塔试验，计算其误差率，确保达到杆塔结构的荷载要求。

3.4接地方式的选用

地质主要为砂（干砂）、含有卵石和碎石的砂土、含硬质砂岩的亚黏土等类型，较湿地区其土壤电阻率一般不超过1000Ω·m，而较干的地区土壤电阻率将超过1000Ω·m，局部可达到2000Ω·m；根据农田的计算结论：土壤电阻率小于100Ω·m采用自然基础接地方式；100～1000Ω·m采用圆形+垂直接地方式。当土壤电阻率大于1000Ω·m时，考虑果园的人员出入较为频繁，为减小跨步电压，拟考虑圆形+垂直接地体、圆形闭合接地材料采用分别采用接地模块与石墨的方案

3.5斜柱插入基础

这类塔基与直柱板、台阶基础大致相同，都是依靠土体和塔身的自重来实现抗拉、抗倾。其特点主要是，斜塔与塔体的斜度近似，使配筋减小，经济性很高。对于具体的施工，只要是在不含地下水的环境中，各种岩体及图纸上均可采用斜柱插入基础。与此同时，其需要的混凝土和钢筋较少，如果从经济投资角度考虑，可选用斜柱插入基础。

结束语

输电线路铁塔结构及其基础设计的科学性是影响输电线路运行效率的重要因素。因此，在进行输电线路铁塔结构及其基础设计时，应从现场实际情况出发，制定科学合理的设计方案，以保证输电线路的稳定运行，从而提高电能质量，促进我国电力事业的可持续发展。

参考文献

[1]张磊.高压电缆线路设计工作中的要点探讨[J].电工技术,2019(24):111-112.

[2]武鑫.架空输电线路防雷综合设计[D].内蒙古科技大学,2019.

[3]郭进雄.架空输电线路绝缘配合与防雷设计[J].低碳世界,2019,9(11):73-75.

[4]邱堂胤,黄捷.高压架空输电线路路径选择研究[J].通信电源技术,2019,36(11):234-235.

[5]杜巍.电力高压输电线路设计要点分析[J].科技经济市场,2019(11):7+22.