輸電鐵塔

2022年1月12日，高385米的世界最高輸電鐵塔在江蘇順利封頂。 ^[4] 

輸電鐵塔為高聳構築物，對傾斜變形非常敏感，對地基不均勻沉降要求也高。輸電鐵塔基礎常用的結構形式有獨立基礎、擴大基礎和樁基礎，輸電鐵塔的結構形式主要採用鋼結構。常規輸電鐵塔及基礎結構難以適應煤礦採空區的地表移動變形，有可能造成輸電鐵塔偏斜甚至傾覆。

目前，國內對處於煤礦採空區輸電線路鐵塔可靠性的研究較少。山西省電力勘測設計院在長期的設計、工代過程中不斷總結經驗，在通過煤礦採空區及計採區時，根據輸電線路的設計和運行經驗，採取了一定的技術措施。中國電力科學研究院採用有限元軟件關於煤礦採空區基礎沉降與傾斜變形對特高壓桿塔承載能力的影響進行了數值分析。北京國電華北電力工程有限公司針對特高壓輸電線路煤礦採動影響區鐵塔基礎設計進行了研究，分析了大板基礎不同板厚時的彎矩，認為大板厚度不應太大也不應太小。中國礦業大學在充州礦區進行了35~110kV高壓輸電線路下采煤的實踐研究。雖然當時一些設計單位對通過採空區的輸電線路使用了複合防護板基礎。但未對複合防護板的抗變形機理與設計理論開展研究。近幾年，山西省電力勘測設計院與中國礦業大學合作對複合防護板的抗變形機理與設計理論進行了研究，並取得了一定的成果。 ^[1] 

長期以來，我國輸電線路鐵塔用材主要以Q235和Q345熱軋角鋼為主，與國際先進國家相比，我國輸電鐵塔所用鋼材的材質單一、強度值偏低、材質的可選擇餘地小。隨着我國電力需求的不斷增長，同時由於我國土地資源緊缺以及環保要求提高，線路路徑選取、沿線房屋等設施的拆遷問題也日趨嚴重，大容量、高電壓等級輸電線路得到了迅速發展，出現了同塔多回路線路，以及更高電壓等級的交流750、1000kV及直流±800kV輸電線路。所有這些使得鐵塔趨於大型化，杆塔設計荷載也越來越大，常用熱軋角鋼在強度和規格上都難以滿足大荷載杆塔的使用要求。 ^[2] 

大荷載杆塔可以使用組合截面角鋼，但組合截面角鋼風載體型係數較大，杆件數量及規格多，節點構造複雜，連接板、構造板用量多，安裝複雜，大大增加了工程建設投資。鋼管塔存在構造複雜、焊縫質量不易控制、加工生產效率低、管材價格及加工成本高、塔廠加工設備投入大等缺點。

多年的鐵塔設計工作，使鐵塔的型式已經趨於完善化，要進一步節省造價，只能從材質上入手。

1、超（特）高壓輸電鐵塔風振動荷載

超（特）高壓輸電杆塔高度增加，結構柔度增大，脈動風引起的振動效應增強，需要在結構設計中合理考慮風振動力荷載，增強結構的抗風能力。

目前杆塔結構設計引入風荷載調整係數（既風振係數）來對此動力效應加以考慮，但係數選取應能滿足超（特）高壓輸電杆塔對結構安全性和經濟性要求。

風荷載為輸電杆塔的主要可變荷載，它可看作由遠離結構自振頻率、屬靜力性質的平均風和與結構自振頻率較為接近、具有動力和隨機性質的脈動風兩部分組成。其中自振頻率會使結構產生受迫振動。

輸電杆塔屬於高聳結構，自振頻率較低與脈動風頻率接近，容易發生共振，產生大位移，對結構造成破壞，因而需要在結構設計中考慮風荷載的動力效應，增強結構的抗風能力。

2、輸電線路增容改造中鐵塔結構安全評定

鐵塔安全性評定是輸電線路的重要環節，鐵塔構件鏽蝕是鐵塔損傷的主要形式之一，往往導致其材料性能劣化和強度降低，從而影響鐵塔結構的承載能力，影響結構安全性。

鐵塔構件鏽蝕往往導致構件材料力學性能和構件強度的降低，影響鐵塔結構的承載能力，威脅輸電線路的安全穩定運行。分析鐵塔鏽蝕構件材料力學性能和不同鏽蝕程度的關係，提出了鐵塔安全性評定準則和相應處理及對策和措施。

3、鏽蝕鐵塔安全性評定

安全性按照構件在鐵塔結構中所起的作用，鐵塔構件可分為主材、斜材和輔材三類。安全性評定主要是主材和斜材，輔材應考慮其構件連接完整。

我國輸電線路鐵塔結構常用的鋼材為Q235、Q345、Q390，現行設計標準以材料屈服強度為標準強度，結構應力小於設計強度時結構安全，當構件截面鏽蝕使得構件應力達到材料屈服強度時構件發生屈服破壞、結構強度失效，處於不安全狀態。

鏽蝕鐵塔的安全評定準則和處理對策和措施如下。

1) -級構件：無損傷，為完好構件，無需處理。

2)二級構件：截面損失率小於10%，需採取必要的加固修復措施。

3)三級構件：截面損失率大於10%，為危險構件，建議拆除更換。

4、鐵塔耐張線夾鋼錨拉出故障及處理

220kV鐵塔雙分裂導線在正常運行情況下突然滑出，導線弧垂大幅度下降，嚴重危及電網的安全運行，後經停電搶修恢復送電。確認故障原因為：耐張線夾壓接施工工藝不符合有關施工工藝規程中的規定，鋁管負，模壓接位置出現較大偏差，鋼錨與耐張線夾鋁管沒有連為一體，在導線長期荷載和微振動作用下，造成導線鋼芯斷裂，導致耐張線夾鋼錨拉出。

5、超（特）高壓輸電線路鐵塔的可靠性

鐵塔結構作為輸電線路的直接支撐結構，其可靠性關係到整個線路的安全，合理的做法是應以結構構件的可靠概率或可靠指標進行比較，或者是通過一定的推導建立相當安全係數方法來進行比較。輸電線路鐵塔構件的可變荷載有風荷載、冰荷載、導地線荷載等，其中大風荷載是活風荷載即可變荷載，是設計中主要考慮的因素。

對於輸電線路用鐵塔的基本構件，可取軸心受壓構件來決定輸電線路用杆塔的可靠度設置水平。

我國500kV普通線路的氣象荷載重現期為30年，2級可靠度等級，考慮1.2倍的風荷載調整係數後，其可靠度設置水平達到美國導則的100年一遇的4級結構重要性可靠度水平；與歐洲標準相比而言，我國500kV線路的可靠度水平相當歐洲標準的150年一遇的2級可靠度等級，這説明與國外同類規範相比我國500kV輸電線路是安全的。 ^[3]