一种用于特高压±800kV工程的拉线塔的设计方法

本发明涉及高压输电领域，尤其涉及一种用于特高压±800kV工程的拉线塔的设 计方法。

以往的输电线路铁塔是采用刚性横担悬挂导线及其绝缘子，其传力途径是导线荷 载通过绝缘子串传至导线横担上，再由横担传至塔身。横担通常采用钢材或其它弹性 模量较大的复合材料，由多根构件组合钢架或桁架结构，在力的作用下变形很小，可 以被忽略不计。图1为常见的桁架形式刚性横担。其中标号示意为：塔身10，刚性 导线横担11。

图2为±800kV输电线路工程中最常用的自立塔。铁塔采用刚性横担，通过四条 塔腿与基础连接，构成一稳定的结构。其中标号示意为：塔身10，刚性导线横担11， 地线支架12，绝缘子挂点1，绝缘子串6，导线挂点6。

在图2所示的自立塔的基础上，演化出单柱拉线塔，如图3所示，其中标号示意 为：塔身10，刚性导线横担11，间隙圆13，拉线5。塔头部分仍采用刚性横担的方 式，塔身断面较自立塔减小，在塔脚处收为一点，以铰接形式与地面连接，并通过拉 线组成稳定的结构。

由于横担几何变形及材料变形可以被忽略，设计中简化认为导线绝缘子的悬挂点 (见图2)在各种工况下都是固定不变的，因此在相同工况下，左右两侧导线、绝缘 子串受力及位移完全相同。在静止条件下确定的左右两侧导线相对位置关系，与其在 其它各种工况、各种受力条件下的相对位置关系完全一致。由此设计中完全可以不考 虑绝缘子串的影响。

刚性横担的铁塔模型，极大程度简化了设计，可以在静止状态下通过间隙圆的包 络线、导线间距确定了塔头尺寸，该塔头尺寸在任何情况下都能满足电气的安全可靠， 不存在迭代和反复校验间隙及间距、对地距离的过程。同时，铁塔变形很小且不考虑 绝缘子串的影响，铁塔设计可采用线性理论进行，国内目前的输电线路铁塔程序也都 是以线性模型为基础编制而成。大量工程实践证明，以线性理论的刚性横担输电塔的 设计快捷、准确，完全可以满足实际使用需要。

以往刚性横担的输电线路的设计方法是：

1、根据设计条件(电压、设计风速、海拔及导线型号等)分别绘制控制工况的 间隙圆，通常包括工频电压、操作过电压、雷电过电压和带电作业几种间隙圆，得到 间隙圆的包络线；计算导线水平线间距和垂直线间距。

2、根据间隙圆包络线的大小、导线线间距等规划导线横担长度及间距。

3、规划和布置塔头，包括导线、地线横担布置；塔身布置；确定铁塔方案。

4、按设计规程规定计算包括大风、覆冰、断线、安装等工况下的荷载和荷载组 合。

5、采用线性模型设计计算方法，不考虑几何变形影响，将各种工况下的荷载组 合统一进行铁塔计算，对细部尺寸，如塔身宽度、主材坡度等进行优化，最终确定杆 件规格，节点设计。

6、最终提供工程使用的铁塔设计图纸。

但是，现有的刚性横担的输电线路铁塔为超静定空间桁架结构，铁塔及基础的耗 材量较大；并且目前的铁塔设计方法是基于铁塔结构不存在大的几何变形的前提下的 设计方法。如果铁塔结构存在大的几何变形，则现有的这种铁塔设计方法则不再适用。

目前现有的刚性横担的输电线路铁塔为超静定空间桁架结构，铁塔及基础的耗材 量较大，并且现有的铁塔设计方法是基于铁塔结构不存在大的几何变形的前提下的设 计方法。针对上述问题，本发明提出一种用于±800kV输电线路铁塔形式的设计方法。 该塔型取消了传统铁塔用于悬挂导线的刚性横担，取而代之以柔性悬索悬挂导线，或 将导线绝缘子串直接连接于铁塔两根立柱上，通过受拉构件拉线、受压构件立柱的相 互作用，使整个体系在力的作用下保持平衡。

为达到上述目的，本发明公开了一种用于特高压±800kV工程的拉线塔的设计方 法，所述方法包括：步骤1，根据设计工况绘制间隙圆，生成各种设计工况的间隙圆 及间隙圆的包络线，并计算导线水平线间距和垂直线间距、对地距离；步骤2，根据 所述间隙圆的包络线的大小及导线水平线间距和垂直线间距，设计两立柱间距、绝缘 子串悬挂点位置，生成铁塔初步布置方案；步骤3，采用非线性计算模型，计算包括 大风、覆冰、断线、安装在内的设计工况和包括操作过电压、雷电过电压和带电作业 条件在内的作业工况的荷载和荷载组合；步骤4，根据所述荷载和荷载组合，对所述 铁塔初步布置方案进行调整，将不满足受力的杆件调整规格，最终确定主柱间距、主 柱倾角、绝缘子挂点位置、导线挂点位置和拉线倾角，以及构件规格和节点设计。

由于取消了刚性横担，在外力作用下导线挂点位移远大于以往铁塔，为保持体系 平衡，铁塔立柱顶部也发生位移，所以该塔型属于大变形体系；同时为使整个铁塔在 工程使用中保证电气间隙、对地距离等安全使用要求，该塔的设计完全有别于以往输 电线路铁塔的设计方法，必须采用结构非线性理论进行计算，求解出不同工况条件下 的铁塔导线位移、立柱位置，代入对应工况的电气间隙、导线最小对地距离等要求进 行校验，通过反复迭代，最终确定铁塔形式、尺寸及选材规格。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅 是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下， 还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为常见的桁架形式刚性横担的铁塔示意图。

图2为现有的±800kV输电线路工程中最常用的为自立塔示意图。

图3为现有技术中在图2基础上演化出的演化出单柱拉线塔示意图。

图4及图5为本发明两个具体实施例的铁塔示意图。

图6为图4铁塔受到横向风荷载时的俯视示意图。

图7为图4所示塔型的两侧立柱发生变形时的弯曲变化度示意图。

图8为本发明一实施例的拉线塔的设计方法流程图。

图9A及图9B为本发明一具体实施例的两种规格铁塔操作过电压工况下的变形 间隙示意图。

附图标号说明：

1、2、3、4：绝缘子挂点

5：拉线

6：绝缘子串

7：导线挂点

8：悬索

9：钢索

10：塔身

11：刚性导线横担

12：地线支架

13：间隙圆

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。 基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的 所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明涉及的铁塔形式，采用一组柔性索代替原有铁塔的刚性横担部分。该塔型 由两根立柱、悬索及拉线构成，如图4所示。两根立柱形式相同，采用格构式桁架， 在塔脚部位收于一点，与基础铰接。立柱顶部设置地线挂点，悬索连接点和拉线连接 点。悬索悬挂于两立柱之间，用以悬挂导线绝缘子串，起到原自立塔及单柱悬索塔刚 性导线横担的作用。根据受力需要，在立柱顶部设置一组拉线，通过立柱、悬索及拉 线整个体系的相互作用，构成一个稳定的体系。为铁塔组立需要，立柱顶部也可安装 一组钢索。

本塔的另一种形式是，直接将绝缘子串悬挂于立柱顶部，两个L串交点处设置一 连接金具，以避免绝缘子串的撞击挤压，见图5所示。

以图4的铁塔型式为例说明设计方法。图4中，铁塔体系在荷载作用下会发生较 大的几何变形，柱顶位置变化，两串绝缘子串挂点1、挂点2、挂点3和挂点4的位 置与初始位置不相同，进一步导线挂点A和B的位置也发生变化。举例说明，当铁 塔体系受到横向风荷载时(图6)，两侧立柱发生变形(图7)，柱顶发生位移，左 侧柱顶位移略大于右侧，悬索较静止状态时有所松弛，故绝缘子串挂点1、2、3、4 的位置都发生了变化，且变化量不同。同时绝缘子的变形，进一步加大了绝缘子串下 端导线挂点的距离的变化。导线挂点相对位置的变化，使得在静止状态下满足电气间 隙及导线距离的铁塔体系在荷载作用下可能不在满足安全使用的要求。

以往刚性横担铁塔在确定铁塔方案后，计算仅仅是为了求得杆件和节点规格，而 本发明形式的铁塔计算不仅仅是为了得到构件(包括立柱杆件和悬索、拉线、绝缘子) 及节点的规格或截面积，也为了求出在某一特定荷载下铁塔的变形，确切是铁塔各组 成构件的相对位置关系。为校验各种荷载条件下间隙及导线距离、对地距离满足安全 使用要求，以往不会控制杆件内力的荷载工况也将要被计算，如操作过电压、雷电过 电压和带电作业条件下的荷载工况。

因此，本发明塔型的设计方法完全有别于以往刚性横担铁塔的设计。

图8为本发明一实施例的用于特高压±800kV工程的拉线塔的设计方法流程图， 如图8所示，该方法包括：

步骤1，根据设计工况绘制间隙圆，生成各种设计工况的间隙圆及间隙圆的包络 线，并计算导线水平线间距和垂直线间距、对地距离；

步骤2，根据所述间隙圆的包络线的大小及导线水平线间距和垂直线间距，设计 两立柱间距、绝缘子串悬挂点位置，生成铁塔初步布置方案；

步骤3，采用非线性计算模型，计算包括大风、覆冰、断线、安装在内的设计工 况和包括操作过电压、雷电过电压和带电作业条件在内的作业工况的荷载和荷载组 合；

步骤4，根据所述荷载和荷载组合，对所述铁塔初步布置方案进行调整，将不满 足受力的杆件调整规格，最终确定主柱间距、主柱倾角、绝缘子挂点位置、导线挂点 位置和拉线倾角，以及构件规格和节点设计。

具体的，以下为本发明铁塔的具体设计方法：

步骤101，根据设计条件(电压、设计风速、海拔及导线型号等)绘制间隙圆， 包括工频电压、操作过电压、雷电过电压和带电作业几种间隙圆，得到各种设计工况 的间隙圆及间隙圆的包络线；计算导线水平线间距和垂直线间距、对地距离。

步骤102，根据间隙圆包络线的大小及导线线间距初步规划两立柱间距、绝缘子 串悬挂点位置，得到铁塔初步布置方案。

在步骤102中，首先借助Auto CAD绘图软件，根据所述间隙圆的包络线的大小 及导线水平线间距和垂直线间距，设计两立柱间距、绝缘子串悬挂点位置，绘制出满 足条件的拉线塔的初步模型，生成铁塔初步布置方案。以下为一具体实施例的铁塔布 置方案：

杆塔高度：54m；

导线挂线点间距：20m；

导线挂线点高度：42m；

立柱宽度：2.0m；

主柱对地夹角：80°；

拉线对地夹角：40°；

拉线垂直投影与横轴夹角：30°。

步骤103，按设计规程规定计算荷载和荷载组合，不但包括大风(0度、45度或 60度、90度)、覆冰、断线、安装等工况，还包括操作过电压、雷电过电压和带电 作业条件下的荷载和荷载组合。

在本步骤中，由于拉线塔具有几何非线性的特性，传统的计算软件难以满足计算 要求，对于几何非线性结构，目前普遍的做法是采用有限元法结合计算机分析软件。 通过有限元方法对拉线塔进行计算，计算包括大风、覆冰、断线、安装在内的设计工 况和包括操作过电压、雷电过电压和带电作业条件在内的作业工况的荷载和荷载组 合。

步骤104，采用非线性计算模型，对0度大风工况进行计算，得到该工况下的铁 塔变形和杆件规格，将工频电压条件下的间隙圆代入变形后的铁塔模型，校验铁塔间 隙和导线间距及导线对地距离。铁塔模型满足条件进行下一步计算，不满足调整两立 柱间距、绝缘子串悬挂点位置。

在本步骤中，首先，根据权利步骤102得到的数据，建立有限元拉线塔模型，输 入材料特性参数，包括角钢规格和强度、螺栓规格和强度以及镀锌钢绞线的规格和强 度；然后，计算在0度大风的设计条件下，导线传递给拉线塔的荷载和作用在拉线塔 塔身的风压值；接着，对模型进行非线性计算，从而得到该工况下的铁塔变形和杆件 规格；最后，将工频电压条件下的间隙圆代入变形后的铁塔模型，校验铁塔间隙和导 线间距及导线对地距离。

步骤105，采用非线性理论，以调整后的铁塔模型对45度(或60度)大风工况 进行计算，将不满足受力的杆件调整规格，得到该工况下的铁塔变形，将工频电压条 件下的间隙圆代入变形后的铁塔模型，校验铁塔间隙和导线间距及导线对地距离。铁 塔模型满足条件进行下一步计算，不满足调整两立柱间距、绝缘子串悬挂点位置。

步骤106，重复4的过程，对90度大风进行计算校验。

步骤107，将以上调整后的模型，按操作过电压工况进行非线性计算，将不满足 受力的杆件调整规格，得到该工况下的铁塔变形，将操作过电压条件下的间隙圆代入 变形后的铁塔模型，校验铁塔间隙和导线间距及导线对地距离。铁塔模型满足条件进 行下一步计算，不满足调整两立柱间距、绝缘子串悬挂点位置。

步骤108，将调整后的模型，按雷电过电压工况进行非线性计算，将不满足受力 的杆件调整规格，得到该工况下的铁塔变形，将雷电过电压条件下的间隙圆代入变形 后的铁塔模型，校验铁塔间隙和导线间距及导线对地距离。铁塔模型满足条件进行下 一步计算，不满足调整两立柱间距、绝缘子串悬挂点位置。

步骤109，将调整后的模型，按带电作业工况进行非线性计算，将不满足受力的 杆件调整规格，得到该工况下的铁塔变形，将带电作业条件下的间隙圆代入变形后的 铁塔模型，校验铁塔间隙和导线间距及导线对地距离。铁塔模型满足条件进行下一步 计算，不满足调整两立柱间距、绝缘子串悬挂点位置。

步骤110，经过上述步骤，最终得到主柱间距、主柱倾角、绝缘子挂点位置、导 线挂点位置和拉线倾角等，确定塔型方案。

步骤111，将前面10步得到的铁塔方案，采用非线性模型设计计算方法，将大 风、覆冰、断线和安装等工况下的荷载组合统一进行铁塔计算，将不满足受力的杆件 调整规格，最终确定构件(包括立柱杆件和悬索、拉线、绝缘子)规格，节点设计。

在一具体实施例中，结合步骤111所述。根据所述荷载和荷载组合，以塔重最轻 和拉线受力最小为目标，以主柱间距、主柱倾角、绝缘子挂点位置、导线挂点位置和 拉线倾角等作为变化参数对所述铁塔初步布置方案进行优化分析，最终确定最优的主 柱间距、主柱倾角、绝缘子挂点位置、导线挂点位置和拉线倾角等参数的组合，以及 构件规格和节点设计。

在上述步骤中，要对拉线塔进行优化分析，对所述铁塔初步布置方案进行调整， 得到最终主柱间距、主柱倾角、绝缘子挂点位置、导线挂点位置和拉线倾角，确定最 优塔型方案；

采用不同的主柱对地夹角时，由于主柱和拉线和悬索之间夹角的变化，导致立柱 自身轴力的变化，从而需要不同的塔重。如下表1所示，即为塔重及拉线和悬索的张 力随立柱对地夹角变化的情况：

表1

主柱对地夹角(°) 拉线张力(kN) 悬索张力(kN) 主柱重(t) 钢绞线重(t)

78 677.7 622.7 15.77 2.83

80 675.7 616.8 15.71 2.83

82 674.5 610.5 15.69 2.83

84 682.1 604.2 16.78 2.83

86 681.4 597.1 16.73 2.83

通过表1可以看出，在立柱对地夹角为82°时，立柱最轻，塔型最经济。

在另一具体实施例中，设计计算拉线塔的工况时，由于操作过电压工况时电气间 隙最大，故需着重验算操作过电压工况的铁塔变形，如图9A和图9B所示，分别为 主柱顶间距分别为40m和43m时操作过电压工况下的铁塔变形间隙图，结合附图可 以看出，当主柱顶间距为40m时，拉线塔不满足电气间隙要求，当主柱顶间距调整 为43m时，满足电气间隙要求。

本发明提出的拉线塔的设计方法至少给出了两种柔性横担方案，如：悬索型和绝 缘子型。

在实施本发明设计方法步骤中，步骤104、105、106、107、108、109，顺序可 以调整，但工作内容不变。

另外，在有一定经验的前提下，当确保大风工况、操作过电压、雷电过电压或带 电作业工况中一个或几个工况不会控制本发明的铁塔形式方案，可以略去该工况对应 的校验铁塔间隙和导线间距及导线对地距离的计算步骤。

本发明由于取消了输电铁塔的刚性横担，可以减小塔重，根据估算，同等设计条 件下较自立塔可减少塔重20％～40％，较单柱拉线塔可减少塔重5％～10％。同时，由 于该塔的大变形特性，可有效地提高铁塔的抗风性能，提高大风区输电线路的安全性。

本发明的设计方法，完全可以满足工程的安全和使用要求。

1)本发明取消了常规铁塔的刚性横担，通过柔性钢索支撑导线绝缘子，或直接 将绝缘子挂于立柱顶端。

2)本发明需采用结构非线性理论进行设计计算。

3)为保证铁塔的正常安全使用，本发明的设计方法不仅仅需要得到构件(包括 立柱杆件和悬索、拉线、绝缘子)及节点的规格或截面积，也需要求出在某一特定荷 载下铁塔的变形，确切是铁塔各组成构件的相对位置关系，以便于校验各种荷载条件 下间隙及导线距离、对地距离满足安全使用要求。

4)以往不会控制杆件内力的荷载工况，如操作过电压、雷电过电压和带电作业 条件下的荷载工况，有可能控制铁塔形式，在本发明铁塔设计中也需要被计算。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例 的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术 人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述， 本说明书内容不应理解为对本发明的限制。