摘要：本文主要对800kV特高压直流输电线路杆塔结构设计原则及优化策略进行了分析与探讨，以供同仁参考。
关键词：800kV特高压直流输电线路；杆塔结构；设计原则；优化策略
一、前言
800kV特高压直流输电线路工程是一项耗资、规模较大的电网标准化工程。它的实施主要是为了进一步提高我国的输变电电网工程质量，强化电网管理，提升供输电效率。近年来为了加速我国的输变电电网工程改造，全面推进电网一体化进程，政府相继出台了不少行业标准。在这一工程当中，线路工程杆塔费用支出在整个输电线路工程当中占据主导位置。鉴于这种情况，在对800kV特高压输电线路工程进行设计的过程中，相关的专业设计人员一定要针对工程所在地的基本情况，来对线路杆塔塔头进行科学合理化的设计，在保证线路杆塔塔头设计满足相关工程标准的基础上，尽可能地控制成本，寻求线路杆塔塔头质量与成本之间的最佳结合点。目前，我国800kV特高压输电线路的杆塔结构设计仍然存在着一定的限制因素，所以在设计中也需要逐步深入，满足项目设计的整体需求。本文主要对800kV特高压直流输电线路杆塔结构设计原则及优化策略进行了分析与探讨，以供同仁参考。
二、800kV特高压输电线路直线杆塔结构设计原则
800kV特高压输电线路直线杆塔结构设计目前最科学、最常用的杆塔结构设计方法是极限状态设计法，其方法基础以概率理论为主。相关人员在设计杆塔结构时，必须确保结构完全输电线路的严格电气性能规定，通过可靠度指标对杆塔构件的真实可靠度进行度量确定。一般来说，杆塔结构的设计应严格遵守下列三大原则：一是必须坚持保证杆塔的刚度、稳定、强度和投入运行的可靠性、安全性为设计前提的原则。二是结构设计应坚持结构形式简洁、构件布置科学、传力线路清晰、简单、直接、精短的设计原则。三是应坚持合理降低钢材的消耗量，控制杆塔造价的合理性、经济性的设计原则。在研究杆塔结构的设计方法时，不但要研究杆塔结构的构件承载力计算、力学模型计算、杆端节点机构分析等问题，而且要对杆塔模型的选择进行深入的研究，探讨塔头类型、铁塔节间、根开、坡度等的布局及改善提升方法。在现阶段，杆塔设计通常以理想的铰接式空间桁架为设计基础，把塔空间视为完整的静态系统，根据受力的稳定条件和平衡条件展开杆塔内力的分析，来选择合理的杆塔材料。
三、800kV特高压输电线路直线杆型结构设计要点探讨
（1）杆塔选型。针对工程的具体特征，科学、合理地选择铁塔结构型式是保证工程安全可靠和控制造价的关键之一。影响工程的技术指标主要在于比例较高的直线塔，所以直线塔的选型和优化是工程优化设计的重点。
1）导线挂线方式。对于直线塔来说，导线的挂线方式直接决定了塔头尺寸的大小（主要是极间距的大小），从而影响到铁塔的钢材耗量和线路的走廊宽度。如何尽可能减小极间距是水平排列直流线路控制铁塔技术指标的关键。
直线塔导线的挂线方式无论是交流还是直流常用的有“I串型式”和“V串型式”。I串挂线方式由于风偏和摇摆角的因素，从而使得其极间距较V串挂线方式大，普遍是V串时的1.3倍左右；同时I串由于绝缘子串呈悬垂型式，使得在相同的线高下铁塔高度较V串方式要高4m左右；由此而导致在相同线高下I串方式的塔重是V串方式的1.1～1.15倍。
对于重冰区，直线塔采用“V”串布置，除了可较大幅度减小塔头尺寸，降低塔重外，还能提高重冰区的冰闪和污闪电压，有效的防止脱冰跳跃。据国外资料，一定条件下，采用“V”串较I串能提高绝缘子串的覆冰耐压10～20%，且导线脱冰跳跃时稳定性好。
很明显，采用V串的挂线方式，一方面可减小塔重，另一方面可减小线路走廊宽度，减轻对环境的破坏。
（2）塔头布置型式
羊角型和干字型塔是水平排列直流线路国内外最常用的塔型，属于成熟塔型，具有型式简洁、传力清楚、塔重较轻、基础费用省、运行维护方便等特点。
表1、塔头型式比较
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由上表的分析内容，从传力、外型、节点处理、塔重等多方面进行比较，直线塔主要塔头型式推荐采用上表中方案四的羊角型塔。
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图1、直线塔塔头型式
而对于微气象区(覆冰变化明显的分水岭)、岩溶区、采空区等地，羊角型塔在变形上不容易满足要求时，应首选单极运行的酒杯塔。该种塔型实质上是将直流线路的同塔双极架设，拆分为两个单极运行，以此来避免过大的扭距和扭转变形问题，等同以往同塔双回建设的线路在经过重冰区时为了解决脱冰舞动等一系列问题而改成两个单回建设，是较成熟的塔型。
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图2、单极运行的酒杯塔
（2）铁塔选材。综合考虑钢管塔加工、运输、安装的难度及造价经济性，本工程不推荐采用钢管塔；双组合角钢方案：旋转90度后的新型十字型截面较常规截面受力分布更加均匀，承载能力有所提高，可在本工程中推广使用；本工程推荐螺栓级别分别为：M16及M20螺栓6.8级，M24螺栓8.8级。
（3）杆塔结构布置优化。在保证铁塔的强度、可靠度、稳定性和必要的刚度、满足变形要求的前提下，通过铁塔结构优化设计，力求满足以下要求：结构形式简洁，杆件受力明确，结构传力路线清晰；结构构造简单，节点处理合理，利于加工安装和安全运行；结构布置紧凑，尽量减少线路走廊宽度，节约有限的土地资源；结构节间划分和构件布置合理，充分发挥构件的承载能力；结构选材合理，降低铁塔钢材耗量，使铁塔造价经济合理。
1）横担结构优化。对于V串直流直线塔横担方式普遍采用的是三角型横担(如下表中的方案一)，部分采用梯形横担(方案二)和梯形与三角形结合的横担(如方案三)。
表2、横担型式比较
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三方案比较分析并结合直流塔的试算情况，方案三的横担结构最为省材，故推荐方案三的横担结构。
2）地线支架结构优化
常用的地线支架型式有两种，如下图。
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根据上表中两方案的比较，结合地线头受力的特点，推荐直线塔地线支架采用方案二的型式。
3）塔身主材节间长度优化
铁塔构件的承载能力与构件的长度、截面面积及材料屈服点有关。当构件的规格由强度控制时，构件需要选取的截面面积(规格)与其所承担的内力成正比，内力愈大，所需截面面积愈大。当构件的规格由稳定控制时，构件规格的选取则不仅仅与其所承担的内力有关，还与构件本身的长度有关，内力不变时，构件的长度越长，所需规格越大；而长度不变时，内力越大，所需规格也越大。因此，当内力一定时，构件计算长度确定的合适与否会严重影响其截面的选择，从而直接影响塔重。
最佳的构件计算长度就是构件的强度与稳定相当时的计算长度(即临界长度)，要实现该目标，对于轴心受压的主材容易实现，但对于偏心受力的斜材一般很难达到，由于斜材往往较长，要实现其强度与稳定相当，势必增加许多辅助支撑材，反而导致塔重增加，且铁塔构件布置密集，增加了挡风面积，从而导致外荷载增加，而影响塔重。对于±800kV直流铁塔主材重量要占铁塔总重量的40%左右，塔身交叉斜材约占铁塔总重量的25%左右，其它为辅助材、节点板和螺栓重量。很明显，影响铁塔重量的主要因素就是铁塔主材。
下面来分析主材的临界长度。结合铁塔的计算情况，主材规格普遍在L140以上，当主材采用Q420高强度钢时，其相关的临界参数见下表：
表4、主材临界长细比与临界长度
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注：表中L180以上角钢按M24的螺栓考虑，其余按M20的螺栓考虑减孔。
由上表可得出，钢材的设计强度越大则临界长度越小，即Q420钢种比Q345钢种的临界长度要小。角钢肢宽在140～160的主材，采用Q345和Q420时，最小轴布置的计算长度分别取1.3～1.4m与1.2～1.25m最合适；对于角钢肢宽在180～200的主材，采用Q345和Q420时，最小轴布置的计算长度分别取1.6～1.65m与1.45～1.50m最合适。
当然，节间长度的确定还受塔身的分段、接腿及外形尺寸等因素的制约，同时考虑到节间长度对斜材、辅助材的影响以及腹杆布置形式对主材的内力影响，往往很难理想地使主材长度达到按稳定计算的承载力等于按强度计算的承载力，但利用此长度作为设置节间长度的参考值，对杆件布置形式、节间长度的进一步优化，降低塔重具有重要作用。
4）横隔面布置优化。根据构造要求：在铁塔塔身变坡处、直接受扭力的截面处和塔顶及塔腿顶部截面处必须设置横隔面；在塔身坡度不变段内，横隔面设置的间距一般不大于平均宽度的5倍，也不宜大于4个主材分段。
合理设置横隔面可加强铁塔整体刚度，对向下传递结构上部因外荷载产生的扭力、减小塔重、均衡塔身构件内力具有明显的作用。特高压线路直线塔当呼称高大于60mm(因塔型而异)时，按照构造要求为满足铁塔的整体刚度需设置构造横隔面。
对于塔身不变坡段内横隔面的设置位置一般有以下三种方式(如下图)，若采用方式三的横隔面，对于一般线路角钢塔，会使塔身交叉斜材同时受压工况的应力起控制作用，构件计算长度增大，稳定系数降低，构件承载力降低，从而引起塔重增加。而方式一和方式二的布置方式则避免了方式三的缺点，充分利用了其对铁塔杆件内力分配的调整作用，消除了塔身交叉斜材的同时受压情况，优化了斜材受力，降低了钢材耗量，同时还加强了铁塔的整体刚度，提高了杆塔运行的可靠度。因此对于角钢塔而言，塔身不变段内的隔面设置采取方式一和二的型式明显优于方式三。
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图3、 横隔面设置位置
直线塔塔身平均宽度的5倍将达到40-45m，4个主材分段长度也接近35-40m，而51m呼高的直线塔瓶口隔面至接腿隔面最大不过40m。因此51m呼高直线塔瓶口至接腿隔面之间不需再设隔面，大于51m呼高的直线塔瓶口至接腿隔面之间设一个隔面，这样可使塔重减少1%～1.5%。
5）长短腿配置与级差选择
采用长短腿设计是保护线路环境的最有效手段。长短腿能适应各种复杂的塔位地形，配合高低基础的使用，不但能大大减少了土石方工程量、缩短工期、降低施工难度，而且也可最大限度地保护自然生态环境。
直线塔的传统接腿模式为“过渡段”方式的公用腿式，这种方式的优点就是当塔腿主材规格相同时，接腿可在不同呼称高上互换，但该方式接身部位传力路线复杂，隔面较多，塔重较重。塔腿直接与身部相连的非公用腿模式的优点是塔重较轻(可降低塔材3％左右)，但设计工作量显著加大，而且由于塔腿不通用，在施工阶段容易造成塔材浪费。
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图4、塔腿选择
长短腿组合时，增加长短腿级差可以更好的适合山区陡坡地形，但随着级差的增大，也增加了长腿与短腿的刚度差，从而导致塔重增加。这是因为长腿和短腿的刚度不同(长腿的刚度小，短腿的刚度大)和根开不同(同一基塔中，长腿的根开大，短腿的根开小)造成内力分配存在差异，导致铁塔部分构件规格的变化而引起塔重的变化。通常长短腿的级差控制在1.0m时能适应30°左右的地形坡度，塔重的增幅一般在 3％～5％。通过测算表明，长短腿的级差对塔重的影响并不是很明显。长短腿引起的腿部材重量变化占整个塔重的比例很小，从而显得长短腿对塔重的影响不敏感。铁塔长短腿对腿部斜材内力的影响几乎可以忽略不计，也不影响斜材的规格。这是因为，±800 kV 的单基塔重是±500 kV 的2.5 倍左右，尽管塔腿主材内力变化较大，但塔腿主材重量的增幅对整个塔重的影响甚微，长短腿级差若控制在7.0m 左右时(可适应30°的地形坡度)，塔重增幅仅为0.5％，长短腿级差按最大限度进行设计(11.0m 级差，可适应45°的陡坡地形)，塔重增幅才达到2.2％。
目前长短腿级差按1.0m或1.5m配置较多，1.0m级差的长短腿地形适应性较强，但在固定腿高下，同等接腿数量的长短腿最大高差较小。为与呼称高匹配，各接腿节间难以按1.5m合理长度分配；1.5m级差的长短腿地形适应性比1.0m级差低，但在固定腿高下，同等接腿数量的长短腿最大高差较大。同等最大高差接腿数量较少。方便设计与加工和施工。各接腿节间长度与塔腿长度和呼称高容易匹配；两种级差摸数各由利弊。
长短腿级差大小的规划并不是看塔重的增幅，而是取决于线路的塔位地形。不同的地形坡度结合铁塔的根开就应采取不同的级差规划，才能实现经济、合理以及环保化的设计。结合长短腿对塔重的影响，从经济角度出发，铁塔长短腿控制级差按30°地形坡度来控制。由此，根据不同呼称高(由于根开不同)长短腿最大级差规划为9.0～12.0m，基本级差为1.0m。最大腿长控制在15.0m，这样，大量塔位通过长短腿的组合都能适应地形的需要，个别地形坡度较陡的塔位，一方面采用高低基础来调节，另一方面也可根据铁塔的使用情况来进行验算，提高长短腿级差的使用范围。从而实现经济和环保化设计的目的。在设计时塔腿时，特别是较长塔腿，主斜材夹角应不得小于18°，并适当增强塔腿辅助材的支撑能力，注意塔腿的整体刚度匹配。
四、结语
综上所述，架空输电线路杆塔作支撑着整个电网线路，具有重要的意义和研究价值。随着市场经济的快速发展，各种新的电网问题也不断发生，对于输电线路设计者来说，在800kV特高压直流输电线路直线杆塔结构优化设计中，也需要满足因地制宜的项目设计结构，保证杆塔结构质量的可靠性、稳定性及科学性，满足电力系统运行的安全性及稳定性，提高输电系统运行的整体质量。
参考文献
[1]《±800kV直流架空输电线路设计规范》（GB50790-2013）
[2]《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》（DL/T5154-2012）
[3]《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）
[4]《输电线路铁塔制图和构造规定》（DL/T5442-2010）
[5]参照执行《110kV～750kV架空输电线路设计技术规范》（GB 50545-2010）、《重覆冰架空输电线路设计技术规程》（DL/T5440-2009）及其他有关规程、规范、技术规定和参考资料。
[6]±800kV输电线路通用设计《国家电网公司输变电工程±800kV特高压直流输电线路铁塔分册》；