恶劣环境中输电结构设计的优化策略研究

恶劣环境中输电结构设计的优化策略研究

丁康

（四川电力设计咨询有限责任公司  四川 成都  610041）

摘要：高压输电线路是电力系统的重要组成部分，承担着电能传输的重任。然而，在恶劣环境中，如严寒、酷暑、强风、雷电、冰雪等极端天气条件下，输电结构面临着严峻的挑战。为了确保输电结构的稳定运行，保障电力供应的安全性和可靠性，需要对输电结构进行优化设计。本文将从输电导线材料的选择、绝缘材料的应用、附属设备设计、线型结构设计、地基与支撑结构设计以及防雷设施设计等方面，探讨恶劣环境中输电结构设计的优化策略。

关键词：恶劣环境；输电结构；设计与优化

引言

电力系统作为现代社会的基础设施，其稳定运行对于经济发展和社会稳定具有重要意义。高压输电线路作为电力系统的重要组成部分，承担着将电能从发电厂输送到变电站和用户的重要任务。然而，在恶劣环境中，高压输电线路面临着诸多挑战，如极端天气、地质条件复杂等，这些因素对输电结构的设计提出了更高的要求。因此，研究恶劣环境中输电结构设计的优化策略，对于提高电力系统的稳定性和安全性具有重要意义。

1.恶劣环境对输电结构设计的影响

在极端气候条件下，如强风、暴雨、雷电、低温等，输电结构面临着严重的物理与化学侵蚀，其稳定性与安全性受到极大威胁。强风可能导致输电塔架结构松动或倒塌，而暴雨则可能引发洪水，冲刷塔基，降低结构稳定性。雷电直击输电线路不仅会造成设备损坏，还可能引发大规模停电事故，严重影响社会经济的正常运行。此外，在严寒环境下，导线因热胀冷缩效应可能导致张力增加，绝缘材料也可能因低温而变脆，从而增加断裂风险。为了应对这些挑战，输电结构设计必须充分考虑环境的恶劣性，采用高强度、耐腐蚀的材料，设计合理的结构形式，以提高结构的抗灾能力[1]。同时，还需加强日常巡检与维护，及时发现并处理潜在的安全隐患。此外，随着气候变化的加剧，极端天气事件频发，输电结构设计还需考虑更加复杂多变的环境因素，如强降雨引发的地质灾害、高温导致的导线过热等。因此，输电结构设计领域的创新与研究至关重要，只有不断适应环境变化，才能确保电力系统的安全稳定运行。

2. 输电结构设计要求

输电结构设计需满足一系列基本要求，包括安全性、可靠性、经济性、可维护性等。安全性要求输电结构能够承受极端天气条件下的各种荷载，保证不倒塌、不断裂；可靠性要求输电结构在长期运行中保持稳定的性能，减少故障率；经济性要求输电结构在设计和建设过程中尽可能降低成本，提高效益；可维护性要求输电结构便于日常维护和检修，降低运维成本。

输电结构的主要类型包括铁塔结构、杆塔结构和拉线塔结构等。铁塔结构具有强度高、稳定性好、适用范围广等优点，是输电线路中最常用的结构类型。杆塔结构相对简单，适用于低压线路和短距离输电。拉线塔结构则利用拉线来增强结构的稳定性，适用于特殊地形和气候条件。

3.结构优化策略

3.1线型结构设计

高压输电线路的线型结构包括导线的布置方式、线塔的形状和高度等。优化线型结构可以降低线路的电阻、电感和电容，减小传导损耗和电磁干扰。在布置导线时，可以采用等间距、等高度的方式，减少相关参数的变化。等间距、等高度的导线布置方式可以使得线路的电阻、电感和电容更加均匀，从而降低传导损耗和电磁干扰。此外，等间距、等高度的导线布置方式还可以提高线路的机械稳定性，减少因风力等外力引起的线路振动和摆动。线塔的形状和高度需根据地质条件和风速等环境要素进行合理设计，以防止塔倒和导线弯曲。在恶劣环境中，线塔的设计需要充分考虑其抗风性能和稳定性。可以采用加强型线塔结构，提高线塔的抗风能力和承载能力[3]。同时，线塔的高度也需要根据地质条件和风速等环境要素进行合理设计，以避免因高度过高而导致的塔倒和导线弯曲等问题。

3.2地基与支撑结构设计

高压输电线路的地基和支撑结构对输电线路的稳定性和安全性起着关键作用。地基应具备良好的承载能力和抗侧移能力，支撑结构应具备良好的刚度和抗风性能。在地基设计中，需要考虑地质条件、地震和风速等因素。对于地质条件较差的地区，可以采用桩基础或地下连续墙等加强型地基结构，提高地基的承载能力和稳定性。同时，在地基设计中还需要考虑地基的沉降和变形问题，以避免因地基沉降和变形而导致的线路损坏和安全事故。支撑结构的设计需要充分考虑其刚度和抗风性能。可以采用加强型支撑结构，如加强型杆塔和加强型拉线等，提高支撑结构的刚度和抗风能力。同时，在支撑结构的设计中还需要考虑其耐腐蚀性和耐久性，以避免因腐蚀和老化而导致的支撑结构失效和安全事故。

3.3 加固措施的优化设计

    局部补强加固是一种针对输电塔薄弱部位的加固方法。通过识别输电塔的薄弱部位，如关键杆件、连接节点等，采用增加钢材、焊接加固等方式进行局部补强，提高输电塔的整体抗风承载力和抗冰承载力。这种方法具有施工简便、成本较低的优点，适用于对输电塔进行快速加固和修复。参数优化加固是一种基于失效模式的加固方法。通过对输电塔进行受力分析和失效模式识别，找出关键杆件和薄弱环节，并对这些杆件进行参数优化，如调整杆件截面尺寸、增加杆件数量等，以提高输电塔的承载力和稳定性。这种方法具有加固效果显著、适用性强的优点，适用于对输电塔进行长期加固和性能提升。加设横隔或斜撑加固是一种提高输电塔整体抗风能力的加固方法。通过在输电塔内部增加横隔或斜撑，形成空间桁架结构，增强输电塔的刚度和稳定性。这种方法特别适用于对失稳破坏为起因的输电塔进行加固。同时，加设横隔或斜撑还可以提高输电塔的抗冰能力，减少覆冰对输电塔的影响。

3.4防雷设施设计

防雷设施是高压输电线路的重要组成部分，能够有效地保护输电线路免受雷击影响。在设计防雷设施时，需要根据线路的特点和周围环境，选择合适的设备和布置方式，以提高线路的抗雷击能力和安全性。常见的防雷设施有避雷针、避雷线和避雷器等。避雷针适用于高耸的建筑物和构筑物，能够引导雷电放电并保护其下方的设备和人员安全。避雷线适用于输电线路的防雷保护，能够分散雷电放电的电流并降低导线上的感应过电压。避雷器则适用于电气设备的防雷保护，能够在雷电放电时迅速切断电源并保护设备免受损坏。在设计防雷设施时，需要综合考虑线路的特点和周围环境[4]。对于高耸的输电线路，可以采用避雷针进行防雷保护；对于长距离的输电线路，可以采用避雷线进行防雷保护；对于重要的电气设备，可以采用避雷器进行防雷保护。同时，在防雷设施的设计中还需要考虑其可靠性和耐久性，以确保其长期稳定运行。

3.5 防风防冰技术的优化设计

在输电塔顶部安装避雷针和负角保护针等防雷设备，可以减少雷击对输电塔的影响。同时，在输电塔周围设置风障或挡风板等防风设施，可以减小风荷载对输电塔的作用。提高输电塔的风荷载承受能力也是防风技术的关键。通过优化输电塔的结构设计，如增加杆件数量、调整杆件截面尺寸等，可以提高输电塔的风荷载承受能力。此外，还可以采用动态风荷载分析方法，对输电塔在强风作用下的受力情况进行精确计算和分析，为优化设计提供依据。

在输电线路中安装覆冰在线监测装置，可以实时监测线路的覆冰情况，并及时采取措施进行清除。同时，在输电塔上安装融冰装置或加热装置等防冰设施，可以减少覆冰对输电塔的影响。提高输电塔的抗冰能力也是防冰技术的关键。通过优化输电塔的结构设计，如增加杆件数量、调整杆件截面尺寸等，可以提高输电塔的抗冰能力。此外，还可以采用覆冰预测模型和方法，对输电塔的覆冰情况进行预测和分析，为优化设计提供依据。

4.结束语

恶劣环境中的输电结构设计优化策略是确保电力系统稳定运行的关键所在。通过合理选择导线与绝缘材料、科学设计线型结构与支撑体系，以及完善防雷设施，能够显著提升输电线路的抗灾能力和使用寿命。未来，随着技术的不断进步和环境的持续变化，需不断探索更加高效、环保的优化策略，以适应新的挑战。同时，加强跨学科合作，融合新材料、新技术，将为输电结构设计的优化提供更多可能。

参考文献

[1]廖林宏.关于输电线路杆塔结构优化设计的浅析[J].数字通信世界,2021,(08):229-230+133.

[2]孟德浩.输电线路铁塔结构设计的发展和现状研究[J].新型工业化,2020,10(02):41-44.

[3]赖建川.节能导线在高压输电线路设计中的应用研究[J].中国高新科技,2024,(16):99-101.

[4]周阳帆.高压输电线路电气设计问题及完善对策探究[J].城市建设理论研究(电子版),2023,(11):13-15.

作者简介：丁康（1989-），男，汉族，四川遂宁人，硕士研究生，高级工程师，主要从事输电结构设计及研究。