超高機械強度絕緣子在特高壓線路應(yīng)用研究

奚海波，張 成，翟 樂，孔 成，陶禮學(xué)

（1.中國能源建設(shè)集團(tuán)江蘇省電力設(shè)計院有限公司，江蘇 南京 211102；2.國網(wǎng)山東省電力公司，山東 濟(jì)南 250001）

超高機械強度絕緣子在特高壓線路應(yīng)用研究

奚海波1，張 成2，翟 樂2，孔 成2，陶禮學(xué)1

（1.中國能源建設(shè)集團(tuán)江蘇省電力設(shè)計院有限公司，江蘇 南京 211102；2.國網(wǎng)山東省電力公司，山東 濟(jì)南 250001）

為了提高電力線路的輸送能力并減少能量損耗，特高壓輸電線路導(dǎo)線截面越來越大，重量越來越重，需要采用更高強度等級的絕緣子來減少絕緣子的使用數(shù)量，降低桿塔荷載，簡化線路連接，提高安全系數(shù)。研究超高機械強度絕緣子在山東臨沂換流站—臨沂變電站1 000 kV交流輸變電工程線路工程中的應(yīng)用，對760 kN絕緣子和550 kN絕緣子進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，認(rèn)為760 kN能夠保證線路的安全運行，并且優(yōu)化了金具串的結(jié)構(gòu)形式，減少了絕緣子片數(shù)，降低了金具重量，節(jié)約工程造價，減少運行維護(hù)成本。

輸電線路；絕緣子；金具；超高機械強度

Abstract:In order to improve the transmission capacity of the power line and reduce the energy loss，wire cross section of the UHV transmission line becomes larger，and the weight becomes heavier as well，hence higher strength grade insulator is highly desired to reduce the utilization of insulators，so as to reduce tower load，simplify connections，and improve safety factor.In this paper，the application prospect of super mechanical strength insulator in Linyi converter station to Linyi substation 1 000 kV AC transmission line project and the comparison between 760 kN insulator and 550 kN insulator from techno-economic perspective are discussed and presented.It is concluded that 760 kN provides a safer condition to the operation of the power line with the reduced quantity of insulators and fittings，optimized string structure of the form and less cost，therefore with more application valve attached.

Key words:transmission line；insulator；fittings；higher mechanical strength

0 引言

特高壓輸電線路傳輸容量大，采用的導(dǎo)線截面大，分裂數(shù)多，對承載導(dǎo)線拉力的耐張金具串提出了更高的要求，要求其承載力高，受力均勻［1］。有兩種方式可以解決這一問題，一是增加絕緣子串聯(lián)數(shù)，二是采用機械強度高的絕緣子串。增加絕緣子串聯(lián)數(shù)會導(dǎo)致金具串機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝運行維護(hù)工作量大，增加工程全壽命周期成本；而采用機械強度較高的絕緣子可減少絕緣子串聯(lián)數(shù)，降低耐張金具串復(fù)雜度，降低運行維護(hù)成本［2］。目前，550 kN及以下強度等級的絕緣子已經(jīng)廣泛應(yīng)用，多家企業(yè)已經(jīng)研制出760 kN及840 kN的產(chǎn)品，并已有部分成功掛網(wǎng)運行［3］。

山東臨沂換流站—臨沂變電站線路工程起于臨沂市沂南縣±800 kV臨沂換流站，止于臨沂市莒南縣石城村附近的1 000 kV臨沂交流站，線路全長2×58 km，全線同塔雙回路架設(shè)。本工程線路離地10 m高，10 min平均最大風(fēng)速為 27 m／s，覆冰10 mm。 雙回路導(dǎo)線采用 8×JL1／G1A-630／45鋼芯鋁絞線，跳線和進(jìn)線檔導(dǎo)線采用8×JLK／G1A-725（900）／40型擴(kuò)徑鋼芯鋁絞線，地線采用兩根OPGW-185復(fù)合光纜。全線共使用33基耐張塔，78基直線塔。研究760 KN級絕緣子在臨沂換流站—臨沂變電站1 000 kV交流輸變電工程線路工程中的應(yīng)用可行性。

1 絕緣子串串型分析

該工程導(dǎo)線采用 8×JL1／G1A-630／45 鋼芯鋁絞線，導(dǎo)線額定拉斷力為150.45 kN，根據(jù)導(dǎo)線的拉斷力、安全系數(shù)等參數(shù)進(jìn)行計算，得出本工程使用的耐張串所需要的機械荷載

式中：F為耐張串所需總的機械荷載，kN；Tp為導(dǎo)線額定拉斷力，kN；n1為導(dǎo)線分裂數(shù)；k1為絕緣子安全系數(shù)；k2為掛點系數(shù)；k3為導(dǎo)線安全系數(shù)。

根據(jù)式（1）計算得出該工程F為1 346 kN。

耐張金具串聯(lián)數(shù)不同時，每聯(lián)絕緣子所需機械荷載為

式中：n2為絕緣子聯(lián)數(shù)；f為每聯(lián)絕緣子所需機械荷載，kN。

當(dāng)使用三聯(lián)型式的耐張串時，每聯(lián)絕緣子所承擔(dān)的機械荷載為449 kN，需使用負(fù)荷等級為550 kN的絕緣子；當(dāng)使用雙聯(lián)型式的耐張串時，每聯(lián)絕緣子所承擔(dān)的機械荷載為673 kN，需使用負(fù)荷等級為760 kN的絕緣子。

雙聯(lián)760 kN絕緣子耐張串如圖1所示［4］。

圖1 雙聯(lián)760 kN絕緣子耐張串

2 耐張串強度校驗

按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50665—2011《1 000 kV架空輸電線路設(shè)計規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定，絕緣子機械強度的安全系數(shù)，應(yīng)不小于表1所列值。斷一聯(lián)后的雙聯(lián)及多聯(lián)絕緣子串機械強度須按斷聯(lián)情況考慮其荷載及安全系數(shù)［5］。

表1 絕緣子機械強度安全系數(shù)

絕緣子機械強度的安全系數(shù)k1

式中：FR為絕緣子的額定機械破壞負(fù)荷，kN；fm為分別取絕緣子承受的不同工況下的荷載 （最大使用荷載、斷線、斷聯(lián)荷載或常年荷載），kN。

平均氣溫條件下絕緣子所承受的荷載為常年荷載。斷聯(lián)、斷線的氣象條件是有冰、無風(fēng)、-5℃。

絕緣子機械強度校驗見表2。

表2 絕緣子機械強度校驗

從表2可以看出，三聯(lián)550 kN和雙聯(lián)760 kN絕緣子串均能滿足機械強度的要求，且有一定裕度。

3 耐張串掛點及間距分析

多聯(lián)絕緣子串每串獨立固定在桿塔上是最為可靠的，且金具串自身結(jié)構(gòu)簡單，金具連接少，造價低，傳力清晰，但每串單獨固定在桿塔上必然造成桿塔設(shè)計復(fù)雜，重量增加。因此應(yīng)盡量簡化絕緣子串的掛點，縮短掛點間的距離，在保證安全的前提下，減少橫擔(dān)尺寸，降低桿塔重量［6］。

對于多聯(lián)耐張串，若采用單掛點型式，當(dāng)絕緣子串第一金具發(fā)生故障時，與串相連的導(dǎo)線會直接掉落在地，對電網(wǎng)運行和周邊人員安全造成重大隱患?？紤]到特高壓工程的重要性，結(jié)合已有工程的設(shè)計和運行經(jīng)驗，多聯(lián)耐張串一般采用雙掛點或者多掛點型式［7］。

對于三聯(lián)550 kN耐張串，存在三聯(lián)絕緣子串之間受力平衡的問題。根據(jù)已建大跨越工程和常規(guī)工程的設(shè)計和運行經(jīng)驗，三聯(lián)550 kN耐張串可采用平面單層布置，聯(lián)塔可采用2或3掛點型式，兩種型式的連塔側(cè)金具如圖2所示。

對于三聯(lián)絕緣子串，兩種掛點型式都可以采用，3掛點型式鐵塔設(shè)計、串長調(diào)整較復(fù)雜，但金具結(jié)構(gòu)簡單，受力較好；2掛點型式鐵塔設(shè)計、串長調(diào)整較方便。本工程建議采用掛點間距為650 mm的3掛點型式。

圖2 三聯(lián)耐張絕緣子串不同的掛點

對于雙聯(lián)760 kN耐張串，使用雙掛點的優(yōu)勢是顯而易見的，不僅穩(wěn)定，而且容易達(dá)到受力平衡，推薦采用掛點間距為650 mm的雙掛點型式。

從掛點來看，兩種串型掛點合力相同，掛點位置一致，橫擔(dān)和地線架長度相同，因此鐵塔的總體受力水平相當(dāng)，雖然雙掛點型式同三掛點型式相比，與掛點相連的桿件選材和板厚的規(guī)格增加，但是雙掛點情況下桿件數(shù)量的減少使兩者重量幾乎相當(dāng)。并且雙聯(lián)耐張串采用雙掛點的型式可以使兩掛點間的距離縮短，使導(dǎo)線對鐵塔懸掛點的扭矩減少，同等條件下改善了鐵塔的受力條件，鐵塔的抗冰、抗風(fēng)和抗震能力得到提高，工程的安全性和穩(wěn)定性也能夠得到保證。

4 運行維護(hù)難度分析

三聯(lián)耐張金具串采用機械荷載為550 kN的絕緣子，能夠保證8分裂導(dǎo)線的安全運行，且有成熟的經(jīng)驗，在國內(nèi)特高壓工程及大跨越線路上有比較成熟的設(shè)計和運行經(jīng)驗。三聯(lián)耐張金具串塔頭部分三個串之間的距離為1 300 mm，需將三串絕緣子連接到組合聯(lián)板，將掛點數(shù)由三個變?yōu)閮蓚€，當(dāng)串長不等時由于組合聯(lián)板的功效，可自動回復(fù)到受力平衡的狀態(tài)，保證導(dǎo)線的受力平衡。但增加了工程安裝和運行維護(hù)的工作量，同時自身的荷載也較大，因絕緣子和金具數(shù)量均較多，運行期間出現(xiàn)的故障率和維護(hù)工作量多于雙聯(lián)串。

雙聯(lián)耐張金具串的單個絕緣子重量為760 kN，此設(shè)計僅需兩絕緣子串即可完成對八分裂導(dǎo)線的連接。絕緣子片數(shù)和金具數(shù)量比三聯(lián)串少，運行期間絕緣子串出現(xiàn)故障的概率要低，維護(hù)工作量低。但該串型金具元件強度等級高，制造難度大。

5 技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較分析

本工程線路大部分處于D級污區(qū)，統(tǒng)一爬電比距要求值為5.04 cm／kV，在此污區(qū)條件下，三聯(lián)550 kN耐張串和雙聯(lián)760 kN耐張串技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較如表3所示。

表3 三聯(lián)550kN耐張串和雙聯(lián)760kN耐張串技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

從表3可以看出，雙聯(lián)760 kN耐張串每串比三聯(lián)550 kN絕緣子造價減少近萬元，本工程使用耐張串384串，若全線使用760 kN絕緣子，可減少費用351.744萬元。隨著760 kN絕緣子的規(guī)模化生產(chǎn)，價格還有進(jìn)一步下降的空間，經(jīng)濟(jì)效益良好。并且，從運行維護(hù)上，雙聯(lián)760 kN耐張串結(jié)構(gòu)簡單，構(gòu)成元件少，維護(hù)成本低。

6 結(jié)語

雙聯(lián)760 kN絕緣子耐張串三聯(lián)550 kN耐張串相比較，雙聯(lián)760 kN絕緣子耐張串減少了絕緣子的使用數(shù)量，降低了桿塔荷載，改善了鐵塔受力條件，簡化了金具結(jié)構(gòu)連接，提高了安全系數(shù)，降低了工程造價，減少了運行維護(hù)成本，符合特高壓建設(shè)中“降本增效”的理念，更具有應(yīng)用價值和推廣前景。從經(jīng)濟(jì)上考慮，雙聯(lián)760 kN絕緣子比三聯(lián)550 kN絕緣子耐張串更經(jīng)濟(jì)，如山東臨沂換流站—臨沂變電站1 000 kV交流輸變電工程線路工程采用760 kN絕緣子，可節(jié)省投資約351萬元。

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Research on Higher Strength Insulator Application of UHV Transmission Lines

XI Haibo1，ZHANG Cheng2，ZHAI Le2，KONG Cheng2，TAO Lixue1
（1.China Energy Engineering Group Jiangsu Power Design Institute Co.，Ltd.，Nanjing 211102，China；2.State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan，250001，China）

TM723

B

1007－9904（2017）09－0061－04

2017-06-07

奚海波（1987），男，主要從事超高壓輸電以及電力系統(tǒng)自動化研究；張 成（1981），男，主要從事基建項目建設(shè)管理工作；翟 樂（1987），男，主要從事基建項目建設(shè)管理工作；孔 成（1984），男，主要從事基建項目建設(shè)管理工作；陶禮學(xué)（1979），男，主要從事超高壓輸電線路設(shè)計和研究。