特高壓線路垂直排列耐張塔的跳線支架高度研究

張思祥，陳 鵬，張 勇

（山東電力工程咨詢(xún)?cè)河邢薰?，山東 濟(jì)南 250013）

0 引言

特高壓線路走廊通道較寬，在房屋密集的路徑緊張地區(qū)，采用導(dǎo)線垂直布置的方式可有效節(jié)省走廊寬度、減小拆遷、降低工程造價(jià)［1］。

導(dǎo)線垂直布置方式在±500 kV直流、±800 kV直流輸電線路中均有應(yīng)用，鑒于鐵塔外形特征，鐵塔常被命名為“F”型塔。與常規(guī)“干”字型耐張塔使用的“雙V”形硬跳線型式不同，從桿塔設(shè)計(jì)角度考慮，順線路塔身側(cè)設(shè)計(jì)跳線支撐架較為困難，“F”形耐張塔一般采用“雙 I”硬跳線［2］。 已建±800 kV 線路“F”形塔的外形及跳線型式如圖1所示。

對(duì)于特高壓直流線路，耐張絕緣子串長(zhǎng)達(dá)20～30 m，而跳線檔長(zhǎng)度約為60 m，由于軟跳線應(yīng)力較小，為使跳線間隙滿足要求，并考慮到跳線支架和整個(gè)跳線系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，一般采用“雙I”形的硬跳線系統(tǒng)。從受力角度，在風(fēng)吹擺動(dòng)的情況下，“雙I”形的硬跳線系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。為簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，目前國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)手冊(cè)及設(shè)計(jì)軟件通常采用跳線弧垂f與跳線檔距l(xiāng)的比值f／l來(lái)控制跳線張力，電氣間隙距離檢查僅對(duì)外過(guò)電壓的無(wú)風(fēng)和有風(fēng)兩種情況。檢查范圍包括跳線串帶電體及軟、硬跳線對(duì)跳線系統(tǒng)上下側(cè)的橫擔(dān)、塔身及第一片絕緣子鐵帽的距離等［3-5］。

圖1 “F”形塔外形

由于特高壓線路鐵塔高度高，跳線系統(tǒng)構(gòu)造復(fù)雜、受風(fēng)面積大等原因，致使跳線系統(tǒng)的大風(fēng)搖擺角明顯大于常規(guī)線路。加之硬跳線的風(fēng)偏導(dǎo)致了軟跳線段檔距明顯減小，由此引起的跳線弧垂增加已經(jīng)不容忽視。因此在設(shè)計(jì)桿塔跳線支架時(shí)須考慮大風(fēng)工況下跳線系統(tǒng)的風(fēng)偏間隙，以確定跳線支架的長(zhǎng)度和與導(dǎo)線掛點(diǎn)的高差。且由于特高壓跳線串很長(zhǎng)，大風(fēng)風(fēng)偏導(dǎo)致軟跳線檔距l(xiāng)變化幅度大，常規(guī)的方法無(wú)法滿足特高壓跳線設(shè)計(jì)的要求。因此，本文采用變檔距法校驗(yàn)跳線弧垂和空氣間隙。

1 變檔距法跳線計(jì)算的數(shù)學(xué)模型

1.1 主要數(shù)學(xué)模型

1.1.1 剛性跳線預(yù)偏角計(jì)算［5］

式中：TQ、TH為前后側(cè)軟跳線水平張力（N）；αQ、αH為前后側(cè)軟跳線檔距與耐張塔橫擔(dān)垂直方向夾角

式中：F為剛性跳線系統(tǒng)總風(fēng)壓，N；W為剛性跳線系統(tǒng)總重量，不包括軟跳線部分，N；P1為軟跳線單位荷載，N／m；lQ、lH為前后側(cè)軟跳線檔距，m；hQ、hH為前后側(cè)軟跳線高差，m。

1.1.2 軟跳線線長(zhǎng)計(jì)算

式中：L為剛性跳線軟跳線線長(zhǎng)，m；l為軟跳線檔距，m；P6為軟跳線綜合荷載，N／m；T 為軟跳線水平張力，N；β為軟跳線高差角。

1.1.3 軟跳線弧垂計(jì)算

式中：fH為軟跳線水平弧垂，m；fV為軟跳線水平弧垂，m；fCH為軟跳線鋁管出口處弧垂，m；fm為軟跳線最大弧垂，m；P4為軟跳線單位風(fēng)荷載，N／m；x為軟跳線上任意點(diǎn)距離硬跳出口距離，m；h為軟跳線高差，m。

1.2 計(jì)算步驟

第1步：安裝預(yù)偏角計(jì)算。

為了保證剛性跳線不會(huì)沿著線路方向前后偏移，程序按照前后側(cè)跳線張力沿耐張塔橫擔(dān)垂直方向分量相等原則計(jì)算剛性跳線的安裝預(yù)偏角（小于5°），同時(shí)保證軟跳線在鋁管出口處的弧垂在0.3～0.5 m之間。計(jì)算出軟跳線部分線長(zhǎng)、張力、檔距等。

第2步：無(wú)風(fēng)工況跳線計(jì)算。

根據(jù)安裝預(yù)偏角的計(jì)算結(jié)果，在跳線線長(zhǎng)不變的條件下，先假定一剛性跳線偏角，然后求出軟跳線張力、檔距等，再根據(jù)計(jì)算結(jié)果重新計(jì)算剛性跳線偏角，如果與假定偏角一致，計(jì)算結(jié)束，否則以計(jì)算偏角為假定偏角重復(fù)上述計(jì)算過(guò)程，直到計(jì)算偏角與假定偏角一致。其計(jì)算流程如圖2所示。

第3步：有風(fēng)工況間隙檢查。

根據(jù)電氣間隙要求及第2步計(jì)算結(jié)果，計(jì)算帶電部分與接地構(gòu)件在帶電作業(yè)、外過(guò)有風(fēng)、內(nèi)過(guò)電壓、大風(fēng)工況的距離。如果檢查結(jié)果不滿足要求，根據(jù)檢查結(jié)果或者增加剛性跳線預(yù)偏角、或者增加配重重量、或者延長(zhǎng)鋁管長(zhǎng)度、或者增加耐張串長(zhǎng)度，然后重復(fù)上述第1步、第2步計(jì)算過(guò)程，直到檢查結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求；如果檢查結(jié)果滿足要求，計(jì)算結(jié)束，輸出計(jì)算結(jié)果、間隙檢查結(jié)果。其流程如圖3所示。

圖2 無(wú)風(fēng)時(shí)跳線計(jì)算流程

圖3 有風(fēng)時(shí)跳線間隙檢查流程

2 變檔距法跳線計(jì)算的應(yīng)用實(shí)例

2.1 計(jì)算條件

本文以±800 kV直流線路為例進(jìn)行計(jì)算。采用JF27101型塔，塔頭尺寸見(jiàn)圖4，線路轉(zhuǎn)角度數(shù)為10°，導(dǎo)線及跳線均采用JL1／G3A-1250／70導(dǎo)線。

設(shè)計(jì)基本風(fēng)速27 m／s，跳線風(fēng)壓不均勻系數(shù)取1.2。耐張塔前后規(guī)律檔距和檔距均取450 m，耐張塔呼高取45 m，耐張塔導(dǎo)線掛點(diǎn)低于前后側(cè)相鄰的直線塔分別為8 m、11 m。在1 000 m以下輕冰、重污區(qū)，導(dǎo)線耐張絕緣子串采用90片550 kN鐘罩型絕緣子，耐張絕緣子串總長(zhǎng)約27.5 m，跳線串I采用160 kN合成絕緣子串，串長(zhǎng)約13 m。

跳線設(shè)計(jì)一般以f／l控制跳線張力，結(jié)合實(shí)際施工條件確定合適的跳線弧垂，設(shè)計(jì)跳線張力一般在200～600 N，可據(jù)此計(jì)算硬跳線兩側(cè)的軟跳線弧垂。

圖4 塔頭尺寸示意圖

2.2 計(jì)算結(jié)果及分析

按照?qǐng)D2所示計(jì)算流程，得到表1結(jié)果。

根據(jù)GB 50790—2013《±800 kV直流架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，海拔1 000 m及以下，工作電壓及操作過(guò)電壓要求的最小間隙值分別為2.3m、5.3 m，雷電過(guò)電壓間隙不做要求［6-9］。

圖5 軟跳線搭落在耐張絕緣子上

由表2可知，前后側(cè)跳線系統(tǒng)的帶電體與接地體的距離均滿足間隙要求。同時(shí)可知，在大風(fēng)工況下，上相跳線串風(fēng)偏角達(dá)42.1°，跳線檔距由無(wú)風(fēng)工況時(shí)的28.3 m減小到21.9 m，在保持軟跳線線長(zhǎng)不變的情況下，軟跳線弧垂由無(wú)風(fēng)時(shí)的3.8 m增加到7.1 m。在大風(fēng)工況，軟跳線與接地部位的間隙雖能滿足間隙要求，但已與耐張絕緣子接觸，如圖5所示，導(dǎo)致接觸段至高壓端段絕緣子失去作用，工頻絕緣長(zhǎng)度顯著縮短，極易發(fā)生污穢閃絡(luò)，且閃絡(luò)時(shí)沒(méi)有均壓環(huán)保護(hù)，絕緣子表面將被燒蝕。因此，有必要對(duì)塔頭跳線系統(tǒng)與耐張絕緣子串的空間相對(duì)位置進(jìn)行優(yōu)化。

表1 無(wú)風(fēng)時(shí)的跳線計(jì)算

表2 有風(fēng)時(shí)的間隙檢查

3 跳線系統(tǒng)與耐張絕緣子串的位置優(yōu)化

3.1 優(yōu)化方案

由計(jì)算實(shí)例可知，大風(fēng)工況下跳線檔距明顯減小，在軟跳線現(xiàn)場(chǎng)不變的條件下，軟跳線弧垂顯著增大，致使軟跳線搭落在絕緣子上。為解決上述問(wèn)題，最為直接手段便是優(yōu)化軟跳線與耐張絕緣子串的空間位置關(guān)系。本文提出兩種解決思路。

方法1：提高跳線掛點(diǎn)，增加軟跳線兩端掛點(diǎn)的空間距離，使軟跳線遠(yuǎn)離絕緣子串，但是這需要增加地線支架高度，增加塔重。

方法2：提高導(dǎo)線耐張串掛點(diǎn)，使軟跳線低于耐張串，避免了軟跳搭落在絕緣子上，有效提高了導(dǎo)線位置，相當(dāng)于提高鐵塔呼高，有效降低塔重。

綜合比較，本文采用方法2，即提高導(dǎo)線耐張串掛點(diǎn)。從工程設(shè)計(jì)角度，在考慮耐張串一定下傾角的情況下，可使耐張絕緣子串高壓端與風(fēng)偏后的硬跳線在同一高度上，如圖6所示。

3.2 優(yōu)化成效

3.2.1 ±800 kV線路優(yōu)化成效

圖6 優(yōu)化效果示意圖

跳線串長(zhǎng)約11.52 m，大風(fēng)時(shí)跳線串偏角為45.35°，硬跳線抬高 8.15 m（11.52 m×cos45.35°）。 重污區(qū)導(dǎo)線耐張串絕緣子片數(shù)取90片，耐張串長(zhǎng)27.5 m，以550 m檔距為例，計(jì)算得到耐張傾斜角度為7.5°，耐張串高壓端下傾高度為3.59 m （27.5 m×sin7.5°），耐張串掛點(diǎn)應(yīng)提高3.8 m。耐張串掛點(diǎn)提高，等效于鐵塔呼高增加，節(jié)省塔重約4.6%。

3.2.2 ±1 100 kV線路優(yōu)化成效

跳線串長(zhǎng)約16.73 m，大風(fēng)時(shí)跳線串偏角為51.84°，硬跳線抬高 10.34 m（16.73 m×cos51.84°）。重污區(qū)導(dǎo)線耐張串絕緣子片數(shù)取122片，耐張串長(zhǎng)35.7 m，以600m檔距為例，計(jì)算得到耐張傾斜角度為8°，耐張串高壓端下傾高度為4.96 m（35.7 m×sin8°）， 耐張串掛點(diǎn)應(yīng)提高5.4 m，節(jié)省塔重約5.2%。

4 結(jié)論

鑒于特高壓直流線路跳線系統(tǒng)復(fù)雜、受風(fēng)面積大，大風(fēng)工況下跳線搖擺角明顯大于常規(guī)線路，導(dǎo)致軟跳線段檔距明顯減小，引發(fā)軟跳線弧垂顯著加大。常規(guī)的方法無(wú)法滿足特高壓跳線設(shè)計(jì)的要求。因此，本文采用變檔距法校驗(yàn)跳線弧垂和空氣間隙，并對(duì)跳線系統(tǒng)與耐張串的空間位置進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)優(yōu)化成效進(jìn)行分析，主要結(jié)論如下：

1）本文采用變檔距法進(jìn)行跳線計(jì)算，經(jīng)間隙檢查，由于塔頭尺寸較大，間隙距離容易滿足規(guī)范要求。但在大風(fēng)工況，軟跳線易搭落在耐張絕緣子上，導(dǎo)致工頻絕緣長(zhǎng)度顯著縮短，極易發(fā)生污穢閃絡(luò)。

2）為解決上述問(wèn)題，需對(duì)跳線系統(tǒng)與耐張絕緣子串的空間相對(duì)位置進(jìn)行優(yōu)化。本文提高導(dǎo)線耐張串掛點(diǎn)，使軟跳線低于耐張串，避免了軟跳搭落在絕緣子上。

3）與傳統(tǒng)布置方式相比，±800 kV及±1100kV導(dǎo)線掛點(diǎn)可分別提高3.8 m、5.4 m，這等效提高了鐵塔呼高，同等條件下分別節(jié)省塔重約4.6%、5.2%。

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