±800 kV特高壓直流線路跳線上繞耐張塔研究

吳慶華，劉文勛，李 健，趙遠(yuǎn)濤，徐維毅，朱 焰

(中國電力工程顧問集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430071)

±800 kV特高壓直流線路跳線上繞耐張塔研究

吳慶華，劉文勛，李 健，趙遠(yuǎn)濤，徐維毅，朱 焰

(中國電力工程顧問集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430071)

目前中國±800 kV直流線路耐張塔均采用下引跳線型式，即兩極導(dǎo)線通過掛在橫擔(dān)下的跳線進(jìn)行接續(xù)。在山區(qū)下引跳線高度成為耐張塔高度的決定性因素，通常使得耐張塔呼高設(shè)計(jì)較高，甚至可能導(dǎo)致砍伐樹木及對(duì)地開方。綜合考慮塔型結(jié)構(gòu)、跳線串型、跳線型式、空氣間隙及地線起暈場(chǎng)強(qiáng)等因素，研究±800 kV特高壓直流線路上繞耐張塔，并對(duì)其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益進(jìn)行分析，達(dá)到保護(hù)環(huán)境及節(jié)能減排的目的，為后續(xù)±800 kV特高壓直流線路的耐張塔設(shè)計(jì)提供參考。

±800 kV直流線路;耐張塔;上繞跳線;經(jīng)濟(jì)效益

0 引 言

目前國內(nèi)±800 kV直流單回路耐張塔主要采用干字型鐵塔，兩極導(dǎo)線通過掛在橫擔(dān)下的跳線(以下稱下引跳線)進(jìn)行接續(xù)，這種類型耐張塔在中國±800 kV直流輸電線路中已經(jīng)有成熟的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

圖1 下引跳線耐張塔

但下引跳線由于受到跳線串長(zhǎng)、跳線弧垂、耐張串傾斜角等的影響，其帶電部分最低點(diǎn)比耐張塔導(dǎo)線橫擔(dān)低大約9 m，可能會(huì)造成因跳線對(duì)地距離不夠而對(duì)地開方或升高耐張塔，尤其是在山區(qū)，耐張塔高邊坡上側(cè)的跳線對(duì)地間隙的矛盾更加突出，如圖1所示的下引跳線耐張塔。 為解決耐張塔下引跳線對(duì)地間隙矛盾，以溪洛渡—浙西±800 kV直流輸電工程為例，研究上繞跳線耐張塔，達(dá)到節(jié)約投資、減少樹木砍伐和土石開方及提高線路運(yùn)行可靠性的目的，給后續(xù)±800 kV特高壓直流線路耐張塔設(shè)計(jì)提供參考。

1 跳線上繞布置

跳線上繞布置的原則是：將耐張塔的極導(dǎo)線從橫擔(dān)上方引流，使跳線不成為耐張塔塔高的控制因素，從而避免因跳線對(duì)地距離不夠而升高桿塔、砍伐樹木或?qū)Φ亻_方。具體布置方法為：參考交流線路中相繞跳的方式，在地線橫擔(dān)的外側(cè)，仿照交流線路中相繞跳架，安裝極跳線架；上繞跳線借助該跳線架上懸垂絕緣子串的支持，自小號(hào)側(cè)耐張線夾引流至大號(hào)側(cè)耐張線夾。根據(jù)工程條件和要求，可采用雙極跳線上繞和單極跳線上繞兩種型式。圖2所示為雙極跳線上繞耐張塔，可應(yīng)用于林區(qū)；圖3所示為單極跳線上繞耐張塔，可應(yīng)用于單側(cè)高邊坡地形。

圖2 雙極跳線上繞耐張塔示意圖

圖3 單極跳線上繞耐張塔示意圖

2 跳線上繞耐張塔塔頭設(shè)計(jì)

1)導(dǎo)線橫擔(dān)長(zhǎng)度選取

橫擔(dān)長(zhǎng)度的確定以導(dǎo)線耐張線夾出口對(duì)塔身間隙、跳線對(duì)塔身間隙及電磁環(huán)境要求的雙極導(dǎo)線距離為控制條件，對(duì)于0°～20°轉(zhuǎn)角耐張塔，耐張塔內(nèi)、外側(cè)極導(dǎo)線橫擔(dān)長(zhǎng)度可分別取9 m、10 m。

2)上繞跳線橫擔(dān)長(zhǎng)度選取

上繞跳線橫擔(dān)長(zhǎng)度為跳線串離塔中心的水平距離，其設(shè)計(jì)原則是保證跳線在大風(fēng)、操作過電壓下對(duì)塔身的間隙滿足要求，需綜合考慮耐張串位置、耐張串下傾角、轉(zhuǎn)角度數(shù)等因素的影響。跳線橫擔(dān)長(zhǎng)度太長(zhǎng)，增加了塔重；跳線橫擔(dān)太短，上繞跳線對(duì)塔身的間隙緊張。

3)上繞跳線支架長(zhǎng)度選取

跳線支架的主要作用是給上繞跳線絕緣子串提供懸掛支撐，同時(shí)使得耐張線夾出口-跳線線夾1檔跳線遠(yuǎn)離塔身。跳線支架過長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致上繞跳線中間檔的跨距及弧垂較大，造成跳線對(duì)導(dǎo)線橫擔(dān)上平面的間隙緊張；跳線支架過短，會(huì)使得耐張線夾出口-跳線線夾檔的跳線靠近導(dǎo)線橫擔(dān)，造成間隙緊張。

4)上繞跳線支架高度選取

上繞跳線支架高度是指上繞跳線支架到導(dǎo)線橫擔(dān)下平面的垂直距離，上繞跳線支架高度需綜合考慮跳線串長(zhǎng)、跳線弧垂及跳線對(duì)導(dǎo)線橫擔(dān)間隙的影響。

3 上繞跳線方案選擇

上繞跳線可以采用V型和I型絕緣子串懸掛。采用V型絕緣子跳線串時(shí)，跳線橫擔(dān)長(zhǎng)約18 m，相比于采用Ⅰ型絕緣子跳線串10 m左右的跳線橫擔(dān)長(zhǎng)度，大大增加了跳線支架本體費(fèi)用；且跳線支架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不利于施工及運(yùn)行維護(hù)：因此，上繞跳線推薦采用Ⅰ型絕緣子串方案。

采用Ⅰ型絕緣子串的跳線方案主要有雙Ⅰ型絕緣子串+軟跳線、三Ⅰ型絕緣子串+軟跳線和雙Ⅰ型絕緣子串+硬跳線3種型式，分別如圖4(a)、(b)、(c)所示。

結(jié)合以上3種跳線方案的風(fēng)偏計(jì)算、間隙校核，以0°～20°轉(zhuǎn)角耐張塔(呼高39 m)為例，進(jìn)行塔頭設(shè)計(jì)及技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，耐張塔內(nèi)角側(cè)的跳線方案比較如表1所示。

從表1中可以得出：

1) 雙串+硬跳線的風(fēng)偏擺動(dòng)最小，因此，其要求的跳線橫擔(dān)長(zhǎng)度最短，分別比雙串+軟跳線和三串+軟跳線的橫擔(dān)長(zhǎng)度短1.5 m和0.8 m；

2) 雙串+硬跳線的弧垂最小，因此，其要求的跳線橫擔(dān)高度最低，分別比雙串+軟跳線和三串+軟跳線的橫擔(dān)高度低1.3 m和0.3 m；

3) 在跳線本體費(fèi)用比較上，雙串+硬跳線最高，雙串+軟跳線最低，三串+軟跳線適中；

4) 在桿塔本體費(fèi)用比較上，雙串+硬跳線最低，雙串+軟跳線最高，三串+軟跳線適中；

5) 綜合跳線本體費(fèi)用及桿塔本體費(fèi)用，三串+軟跳線的費(fèi)用占優(yōu)。

通過以上對(duì)0°～20°上繞跳線耐張塔內(nèi)角側(cè)進(jìn)行的塔頭設(shè)計(jì)及技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，推薦采用三I型跳線串+軟跳線方案,跳線橫擔(dān)長(zhǎng)度約為10 m，跳線橫擔(dān)高度約為61.5 m，跳線支架長(zhǎng)度約為12 m。

圖4 不同上繞跳線方案示意圖

項(xiàng) 目Ⅰ型絕緣子串雙跳線串+軟跳三跳線串+軟跳雙跳線串+硬跳大風(fēng)工況跳線風(fēng)偏角/(°)555555跳線串風(fēng)偏角/(°)282522對(duì)塔身間隙/m2.32.32.3操作過電壓跳線風(fēng)偏角/(°)232323跳線串風(fēng)偏角/(°)876對(duì)塔身間隙/m7.056.265.7跳線橫擔(dān)長(zhǎng)度/m11.5109.2跳線橫擔(dān)高度/m62.561.561.2跳線支架長(zhǎng)度/m12128跳線串費(fèi)用差額/元-26574-180290桿塔本體費(fèi)用差額/元20842114920總費(fèi)用差額/元-5732-65370

同樣，對(duì)0°～20°上繞跳線耐張塔外角側(cè)進(jìn)行塔頭設(shè)計(jì)及技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，結(jié)論與內(nèi)角側(cè)一致，也推薦采用三I型跳線串+軟跳線方案。

4 上繞跳線方案的經(jīng)濟(jì)性分析

從耐張塔受力荷載角度來看采用跳線上繞布置后，上繞跳線耐張塔與同呼高的常規(guī)型下引耐張塔相比，導(dǎo)線垂直、水平、縱向負(fù)荷沒有變化，僅僅地線支架多出了上繞跳線和3串跳線串的負(fù)荷，對(duì)耐張塔負(fù)荷幾乎沒有顯著影響。

根據(jù)計(jì)算列出兩種型式耐張塔最終塔材指標(biāo)情況，如表2所示。表中JC27151A為跳線下引耐張塔，JC27151B為雙極跳線上繞布置耐張塔。

從相同呼高耐張塔的鋼材指標(biāo)比較來看，上繞跳線耐張塔比下引跳線耐張塔平均增加3.67 t鋼材，但是考慮到下引跳線耐張塔的“V”型跳線絕緣子串等效串長(zhǎng)約9 m，呼高為39 m的上繞跳線耐張塔JC27151-39B可等效于呼高為48 m的下引跳線耐張塔JC27151-48A，塔材將節(jié)省10.36 t

表2 上繞跳線耐張塔與下引跳線耐張塔的鋼材指標(biāo)比較

注：表中括號(hào)內(nèi)“等效*m”指的是上繞跳線耐張塔所等效使用的下引耐張塔呼高

結(jié)合跳線自身的比較，將跳線下引耐張塔與相同呼高的跳線上繞耐張塔、等效呼高的跳線上繞耐張塔進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，見表3。

表3 上繞跳線耐張塔與下引跳線耐張塔的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

從表3中可以得出：1)相同呼高的跳線上繞耐張塔與跳線下引耐張塔相比，雖然塔重有所增加，但跳線費(fèi)用節(jié)約較大，在總費(fèi)用上可節(jié)約2.08萬元；同時(shí)由于提升了跳線對(duì)地高度約9 m，在工程應(yīng)用中，可大量減少樹木砍伐和土石開方。

2)等效呼高的跳線上繞耐張塔與跳線下引耐張塔相比，桿塔可節(jié)省投資約11.62萬元。

綜上所述，上繞跳線耐張塔既能避免砍伐樹木和對(duì)地開土方，滿足環(huán)保要求，也能避免大代價(jià)升高桿塔，節(jié)省線路造價(jià)，對(duì)環(huán)境保護(hù)及降低工程造價(jià)有重要意義。

5 地線起暈場(chǎng)強(qiáng)校核和防雷性能研究

跳線上繞后，跳線與地線之間的垂直距離較近，約為14 m，有可能產(chǎn)生地線起暈的情況，因此有必要對(duì)地線表面場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，表面最大標(biāo)稱場(chǎng)強(qiáng)Eo為13.82 kV/m,Eo/Em=0.68，滿足限制起暈要求。根據(jù)中國電力科學(xué)研究院對(duì)向家壩—上?！?00 kV直流線路華東地區(qū)的F型桿塔的電暈測(cè)量結(jié)果，當(dāng)導(dǎo)、地線距離為14 m時(shí)，導(dǎo)、地線無明顯電暈現(xiàn)象。

跳線上繞后，避免了耐張塔高邊坡側(cè)跳線過于靠近地面，增加了地面屏蔽效果，降低了線路繞擊范圍，提高了線路運(yùn)行可靠性，同時(shí)地線對(duì)導(dǎo)線保護(hù)角滿足規(guī)程要求。

因此可以認(rèn)為，跳線上繞后的導(dǎo)、地線距離滿足限制起暈要求；地線保護(hù)角滿足規(guī)程要求，防雷性能有所改善。

6 總 結(jié)

針對(duì)現(xiàn)有±800 kV直流線路耐張塔跳線可能存在對(duì)地距離的問題，結(jié)合工程實(shí)例，研究上繞跳線布置，設(shè)計(jì)耐張塔塔頭結(jié)構(gòu)，比較選擇上繞跳線方案，計(jì)算校核跳線上繞后導(dǎo)地線電暈以及分析跳線上繞后帶來的經(jīng)濟(jì)性，結(jié)論如下：

1)跳線上繞后，±800 kV直流線路耐張塔可大幅度提升跳線高度，從而達(dá)到降低塔高或減小樹木砍伐及跳線對(duì)地開方的目的。

2)結(jié)合不同上繞跳線方案的風(fēng)偏計(jì)算、對(duì)塔身的間隙校核，對(duì)0°～20°轉(zhuǎn)角耐張塔JC27151B-39進(jìn)行塔頭設(shè)計(jì)及技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，推薦采用三I型跳線串+軟跳線。

3)上繞三I型跳線串+軟跳線耐張塔JC27151B-39的跳線橫擔(dān)長(zhǎng)度約為10 m，跳線橫擔(dān)高度約為61.5 m，跳線支架長(zhǎng)度約為12 m 。

4)跳線上繞后的導(dǎo)、地線距離約為14 m，滿足限制導(dǎo)、地線起暈的要求；地線保護(hù)角滿足規(guī)程要求，防雷性能有所改善。

5)相同呼高、等效呼高的跳線上繞耐張塔與跳線下引耐張塔相比，分別可節(jié)省投資約2.08萬元、11.62萬元，跳線上繞對(duì)降低工程投資、環(huán)境保護(hù)及節(jié)能減排具有重要意義。

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At present, ±800 kV UHVDC tension towers in China all adopt the down jumper, that is, the bipolar lines are connected with the jumper hanging under the cross-arm in this situation. The down jumper in mountain area may let its height become the crucial factor for the height of tension tower, which leads to the raise of the height of tension tower and even cause the timber cutting and excavation of ground to be inevitable. Considering the tower structure, jumper string type, jumper type, air gap，critical corona field of ground wire and other factors, a new design of upper jumper is proposed for ±800 kV UHVDC tension tower. With its economic and social benefits, the upper jumper can provide a reference for the design of the following ±800 kV UHVDC tension towers.

± 800 kV UHVDC transmission line; tension tower; upper jumper; economic benefits

TM75

A

1003-6954(2017)01-0047-04

2016-10-08)

吳慶華(1962)，教授級(jí)高工，從事輸電線路設(shè)計(jì)。