基于優(yōu)化算法的千伏輸電線路復(fù)合橫擔(dān)桿塔通用結(jié)構(gòu)研究

馬 強，侯立群，李占軍，楊繼業(yè)

(1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,遼寧 沈陽 110015;2.東北電力大學(xué),吉林 吉林 132012)

0 引 言

架空輸電線路內(nèi)最關(guān)鍵的組成部分為桿塔，以往桿塔的主要材料為鋼材[1]，然而電網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步使鋼材需求量大幅增加，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境遭到高度破壞[2]。復(fù)合材料以質(zhì)量輕、耐腐性、環(huán)保性和電絕緣性等諸多優(yōu)勢成為替代鋼材的首選[3]，并可用于建造千伏輸電線路桿塔。而千伏輸電線路復(fù)合橫擔(dān)桿塔結(jié)構(gòu)中仍存在污閃、雷閃跳閘等問題，因此需優(yōu)化千伏輸電線路復(fù)合橫擔(dān)桿塔通用結(jié)構(gòu)。

針對桿塔通用結(jié)構(gòu)的優(yōu)化問題已經(jīng)有了一定的研究。文獻(xiàn)[4]針對復(fù)合材料輸電桿塔通用結(jié)構(gòu)的防雷問題，綜合考慮了雷電地閃、地形和線路等參數(shù)對桿塔工作的影響，提出基于分段接地的桿塔結(jié)構(gòu)合理調(diào)整設(shè)計方法。采用累積跳閘率表征經(jīng)濟(jì)性評價指標(biāo)、技術(shù)性評價指標(biāo)，完成優(yōu)化機(jī)構(gòu)的設(shè)計，最后將該結(jié)構(gòu)應(yīng)用于110 kV同桿雙回復(fù)合材料桿塔線路中進(jìn)行實驗，結(jié)果表明，該方法有效提高防雷效果。但并沒有有效解決污閃問題。文獻(xiàn)[5]針對復(fù)合材料輸電桿塔結(jié)構(gòu)的受力問題進(jìn)行分析，提出基于有限元分析的桿塔位移和內(nèi)力變化研究。在不同工況下結(jié)合斷線和大風(fēng)因素進(jìn)行位移控制，最后得到復(fù)合材料主材塔體受力情況優(yōu)于其他材料塔體的結(jié)論，且該材料具有較大的安全富裕度，并能夠有效解決桿塔的斷線問題。但是該方法仍然沒有考慮到雷擊導(dǎo)致的跳閘問題，方法不夠全面，不能對現(xiàn)實問題進(jìn)行有效解決。

針對上述傳統(tǒng)方法存在的問題，提出千伏輸電線路復(fù)合橫擔(dān)桿塔通用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，根據(jù)相應(yīng)設(shè)計規(guī)定給出桿塔通用結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計思路，根據(jù)該思路對輸電線路桿塔進(jìn)行設(shè)計，在設(shè)計的過程中充分考慮污穢環(huán)境對桿塔的影響，進(jìn)行塔頭污穢特性實驗，依據(jù)實驗結(jié)果進(jìn)行防污設(shè)計，同時，為了減小桿塔雷擊跳閘率，設(shè)計適當(dāng)?shù)姆览追桨?，最終實現(xiàn)對千伏輸電線路復(fù)合橫擔(dān)桿塔通用結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。分析實驗結(jié)果可知，由于所提方法充分考慮污穢環(huán)境以及雷電因素的影響，解決了傳統(tǒng)方法不全面的弊端，因此所提方法能夠?qū)崿F(xiàn)對桿塔通用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的，為實際工程提供參考。

1 千伏輸電線路復(fù)合橫擔(dān)桿塔通用結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1.1 桿塔通用結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計思路

雙桿布置方法、桿塔基礎(chǔ)、拉線設(shè)計、整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與桿塔電氣、機(jī)械性能均達(dá)到相應(yīng)設(shè)計規(guī)定為千伏輸電線路復(fù)合橫擔(dān)桿塔通用結(jié)構(gòu)優(yōu)化原則。當(dāng)無法調(diào)節(jié)導(dǎo)線馳度時，為使導(dǎo)線懸掛高度增加，通常采用實現(xiàn)導(dǎo)線馳度對地安全距離最快捷的方法，即提升導(dǎo)線呼稱高方法。因為桿塔上部導(dǎo)線橫擔(dān)及橫拉桿、斜拉桿等構(gòu)件都與電桿緊密相連，是一個整體，因此合理設(shè)置上升導(dǎo)線橫擔(dān)與拉桿等構(gòu)件高度，提升導(dǎo)線呼稱高，使導(dǎo)線懸掛高度上升方法無法實現(xiàn)。所以在提升導(dǎo)線呼稱高過程中，需優(yōu)化設(shè)計導(dǎo)線橫擔(dān)及拉桿等構(gòu)件。

在可取代懸掛導(dǎo)線的橫擔(dān)及拉桿等構(gòu)件的材料中選取實心復(fù)合橫擔(dān)絕緣子，通過邊相復(fù)合橫擔(dān)絕緣子與中相復(fù)合懸式絕緣子相結(jié)合的方式懸掛導(dǎo)線[6]。將1只復(fù)合橫擔(dān)和1只棒形懸式復(fù)合絕緣子設(shè)置為“∠”型對兩個變相進(jìn)行布置，復(fù)合橫擔(dān)和棒形懸式復(fù)合絕緣子分別替代原邊鐵橫擔(dān)和取代斜拉桿，在桿塔合適高度水平設(shè)置復(fù)合橫擔(dān)以支撐導(dǎo)線。將兩只棒形懸式復(fù)合絕緣子設(shè)置為“V”型對中相進(jìn)行布置，以懸掛中相導(dǎo)線。為固定“V”型絕緣子串，在桿塔結(jié)構(gòu)頂部設(shè)置鐵橫梁。在桿塔中部位置設(shè)置鐵橫梁，預(yù)防桿塔位移變形，出現(xiàn)邁步和桿身彎曲現(xiàn)象，提升千伏輸電線路復(fù)合橫擔(dān)桿塔通用結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性[7]。圖1中描述優(yōu)化后呈“H”型的千伏輸電線路復(fù)合橫擔(dān)桿塔通用結(jié)構(gòu)。

圖1 優(yōu)化后千伏輸電線路復(fù)合橫擔(dān)桿塔通用結(jié)構(gòu)

在上升架空避雷線懸掛高度的過程中，由于雙避雷線懸掛點位置上升，導(dǎo)致邊導(dǎo)線保護(hù)角出現(xiàn)改變[8]，需實施優(yōu)化運算。相關(guān)規(guī)定中表明，通常情況下桿塔上避雷針對邊導(dǎo)線的保護(hù)角為20°—30°。為達(dá)到規(guī)定要求，需使避雷線支架位置上升或使導(dǎo)線橫擔(dān)長度減小。桿塔通用結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中桿塔設(shè)計選用對稱雙避雷線[9-10]，而避雷線的保護(hù)角范圍為避雷線和外側(cè)導(dǎo)線間連線與垂直線的夾角，本文已將避雷線支架位置進(jìn)行調(diào)整，以防止出現(xiàn)保護(hù)角干擾實驗結(jié)果現(xiàn)象，故兩根避雷線中部中導(dǎo)線無需實施保護(hù)角優(yōu)化運算，只對邊導(dǎo)線實施優(yōu)化即可。

將避雷線支架高度和原導(dǎo)線橫擔(dān)橫拉桿上復(fù)合橫擔(dān)提升量分別設(shè)置為2.8 m和1.5 m，邊相導(dǎo)線保護(hù)角位于避雷線避雷范圍中。導(dǎo)線懸掛高度提升3.3 m上下，圖2中描述提升后避雷線保護(hù)角θ對比結(jié)果。

圖2 桿塔避雷線保護(hù)角核對比圖

提升前和提升后分別為：tanθ=2000÷4186=0.477,θ=25.6°和tanθ=1580÷3250=0.486,θ=26°。運算后得出，提升后桿塔避雷線保護(hù)角達(dá)到設(shè)計規(guī)定。

1.2 桿塔通用結(jié)構(gòu)防污優(yōu)化

1.2.1污穢實驗塔頭分布運算

由于復(fù)合橫擔(dān)桿塔最小爬電距離處于上相導(dǎo)線和地線間，因此污穢實驗的對象為上相導(dǎo)線和地線間的污耐壓特性[11]。設(shè)置橫擔(dān)懸掛玻璃初始絕緣子串為3片，利于修正絕緣子數(shù)量。由于玻璃絕緣子附帶金屬部件導(dǎo)線通電后，其附近電場會發(fā)生變化，導(dǎo)致局部放電現(xiàn)象出現(xiàn)[12]，因此在實驗前對電場實施模擬運算。將導(dǎo)線模型電壓設(shè)置為110 kV直流電壓，計算塔頭電位與電場的最大值分布規(guī)則。

根據(jù)電場運算結(jié)果得到，節(jié)點螺栓電場最大值和玻璃絕緣子串兩端電位差分別為表層電暈初始場強度和導(dǎo)線電壓的二分之一左右，即230.7 kV/m和50.8 kV。

1.2.2塔頭污穢特性實驗與防污設(shè)計

選取固體層法仿真C級污穢環(huán)境中塔頭耐污特性，其中，污穢環(huán)境的等級劃分是依照變電所的污源性質(zhì)和嚴(yán)重程度劃定的污穢等級來確定，固體層法仿真C級污穢環(huán)境中的線路鹽密介于0.06～0.10 mg/cm2之間，發(fā)電廠、變電所鹽密介于0.06～0.10 mg/cm2之間。將導(dǎo)線電壓設(shè)置為110 kV，地線橫擔(dān)為零電位。由污穢特性實驗結(jié)果可知，導(dǎo)線對地不存在放電現(xiàn)象，然而塔頭玻璃絕緣子的金屬部件上存在明顯的、斷斷續(xù)續(xù)的電暈放電現(xiàn)象。結(jié)合分布運算結(jié)果得到放電緣故為：塔頭玻璃絕緣子串具有防污性能差、承受電壓高的特性[13]。當(dāng)實驗環(huán)境為污穢與水霧時，塔頭玻璃絕緣子串出現(xiàn)顯著污層局部放電與電流現(xiàn)象，由于放電電流主要位于塔頭金屬部件處，因此造成電位分布參差不等，同時不同金屬部件的場強提升。在金屬部件場強與復(fù)合橫擔(dān)桿塔表層電暈初始場強一致的條件下，形成玻璃絕緣子與塔頭節(jié)點局部放電狀態(tài)。

由塔頭污穢實驗結(jié)果得到，局部放電的根本原因為玻璃絕緣子串承載電壓高、防污效果差。因此在優(yōu)化千伏輸電線路復(fù)合橫擔(dān)桿塔通用結(jié)構(gòu)過程中，選取防污型復(fù)合絕緣子以降低局部放電現(xiàn)象形成概率。采用防污型復(fù)合絕緣子后，除復(fù)合絕緣子兩側(cè)存在微小的局部放電情況外，塔頭未出現(xiàn)顯著的局部放電情況。為解決復(fù)合絕緣子局部微小放電情況，在復(fù)合絕緣子端部設(shè)置均壓環(huán)，將其污耐壓提升至150 kV。通過上述過程可得，采用復(fù)合絕緣子加均壓環(huán)優(yōu)化千伏輸電線路復(fù)合橫擔(dān)桿塔通用結(jié)構(gòu)后，桿塔污耐壓裕度充足。

1.3 桿塔通用結(jié)構(gòu)防雷優(yōu)化

在優(yōu)化千伏輸電線路復(fù)合橫擔(dān)桿塔通用結(jié)構(gòu)過程中，為減小桿塔雷擊跳閘率[14]，應(yīng)將桿塔通用結(jié)構(gòu)防雷方案設(shè)計為：布置避雷線，經(jīng)由金屬引下線將各桿與地相連。

以往設(shè)計接地引下線時多選取順沿塔身表層接地與塔身中心豎直引下接地方法，然而桿塔通用結(jié)構(gòu)含有較多金屬部件，易造成桿塔通用結(jié)構(gòu)中存在雷擊閃絡(luò)與工頻續(xù)流電弧，導(dǎo)致電弧燒灼后復(fù)合材料絕緣性與結(jié)構(gòu)強度下降。因此需要對千伏輸電線路復(fù)合橫擔(dān)桿塔通用結(jié)構(gòu)的接地引下方法實施優(yōu)化，降低接地引下線同絕緣塔身接觸造成沿面閃絡(luò)放電和塔身中包含雷電沖擊閃絡(luò)電弧現(xiàn)象的概率。

千伏輸電線路復(fù)合橫擔(dān)桿塔通用結(jié)構(gòu)的防雷優(yōu)化過程，依照桿塔對稱特征，選用在中心線位置，根據(jù)導(dǎo)線方向，距離塔身一定距離豎直設(shè)置接地引下線方案。地線側(cè)構(gòu)架、垂直引下線與塔身側(cè)構(gòu)架共同組成接地引下線，地線側(cè)構(gòu)架和塔身側(cè)構(gòu)架分別同地線橫擔(dān)金屬平面構(gòu)架和塔頭與金屬塔身相連處的金屬塔身相接。

設(shè)計桿塔通用結(jié)構(gòu)防雷優(yōu)化方案——接地引下線過程內(nèi)，垂直引下線和下相橫擔(dān)與桿塔通用結(jié)構(gòu)間的距離為主要參數(shù)[15]，其中垂直引下線距離桿塔通用結(jié)構(gòu)越近，安裝設(shè)置越簡便，實用性越高，然而造成塔身尊在累計閃絡(luò)的概率也越大，因此需進(jìn)行反復(fù)實驗獲取最優(yōu)值。經(jīng)實驗得到，垂直引下線和下相橫擔(dān)與桿塔通用結(jié)構(gòu)間的距離的最優(yōu)值分別為0.45 m和3.5 m～4 m，同時還得到千伏輸電線路復(fù)合橫擔(dān)桿塔通用結(jié)構(gòu)針對雷電沖擊的絕緣強度是1505 kV。

2 實驗分析

實驗以某型號的千伏輸電線路復(fù)合橫擔(dān)桿塔通用結(jié)構(gòu)為實驗對象進(jìn)行建模，從穩(wěn)定性、耐雷水平與跳閘率、電位分布、上相塔頭操作沖擊放電情況、經(jīng)濟(jì)性和復(fù)合橫擔(dān)變形等方面驗證本文優(yōu)化方法性能，將采用本文優(yōu)化方法、基于雷擊跳閘考核指標(biāo)的優(yōu)化方法和基于橫擔(dān)懸掛加裝均壓環(huán)的優(yōu)化方法優(yōu)化實驗對象通用結(jié)構(gòu)進(jìn)行實驗，其中基于雷擊跳閘考核指標(biāo)的優(yōu)化方法 利用解析法分析絕緣子的間隙距離，結(jié)合規(guī)程法計算線路跳閘的考核指標(biāo)，最終得到桿塔雷擊跳閘的安全裕量；而基于橫擔(dān)懸掛加裝均壓環(huán)的優(yōu)化方法是通過有限元分析法，利用橫擔(dān)懸掛加裝均壓環(huán)取代常規(guī)的鋼制節(jié)點實現(xiàn)復(fù)合橫擔(dān)節(jié)點復(fù)合化，最終達(dá)到縮短復(fù)合橫擔(dān)并降低塔重的目的。結(jié)果如下。表1中描述的是實驗對象通用結(jié)構(gòu)參數(shù)。

表1 實驗對象參數(shù)介紹

2.1 穩(wěn)定性分析

作為千伏輸電線路借助的主要構(gòu)成部分，桿塔基礎(chǔ)的功能包括：穩(wěn)定線路桿塔，預(yù)防桿塔因自身荷載與外部荷載作用導(dǎo)致傾倒、下沉和拔出等情況出現(xiàn)。

優(yōu)化設(shè)計千伏輸電線路復(fù)合橫擔(dān)桿塔通用結(jié)構(gòu)后，桿塔承受的外部荷載與導(dǎo)線避雷線張力等可變荷載未發(fā)生改變，而由于清除導(dǎo)線橫擔(dān)及拉桿桿塔使自身荷載與重力等永久荷載降低，也就是桿塔所承受的橫向荷載與縱向荷載維持不變，垂直重力荷載降低。優(yōu)化后，桿塔通用結(jié)構(gòu)除桿段中部設(shè)置了橫梁，以“有避雷線有叉梁”取代“有避雷線無叉梁”形式外，其余結(jié)構(gòu)無變化，桿塔基礎(chǔ)維持穩(wěn)定狀態(tài)。式(1)為桿塔穩(wěn)定性運算公式：

WB=(0.55·g4)∑R

(1)

式(1)內(nèi)，∑R表示零力矩點全部水平荷載下桿塔的桿身風(fēng)壓之和；g4表示零力矩點全部水平荷載下桿塔的橫梁固定高度。表2為不同方法下桿塔穩(wěn)定性對比結(jié)果。

表2 不同方法下桿塔穩(wěn)定性對比結(jié)果

根據(jù)表2數(shù)據(jù)可知，運用所提方法對千伏輸電線路復(fù)合橫擔(dān)桿塔通用結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，桿塔的穩(wěn)定性約為90%左右，明顯高于其他兩種方法?；诶讚籼l考核指標(biāo)優(yōu)化方法的桿塔穩(wěn)定性時高時低，波動較大；而基于橫擔(dān)懸掛加裝均壓環(huán)優(yōu)化方法的桿塔穩(wěn)定性約為72%，穩(wěn)定性較低，無法滿足當(dāng)前的桿塔設(shè)計要求。綜上所述，本文方法符合相關(guān)規(guī)定中的桿塔設(shè)計要求和線路所處環(huán)境條件設(shè)計要求，桿塔結(jié)構(gòu)為穩(wěn)定狀態(tài)，其穩(wěn)定性遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)方法。

2.2 耐雷水平與跳閘率對比

實驗采用本文優(yōu)化方法、基于雷擊跳閘考核指標(biāo)的優(yōu)化方法和基于橫擔(dān)懸掛加裝均壓環(huán)的優(yōu)化方法優(yōu)化實驗對象通用結(jié)構(gòu)，對比不同優(yōu)化方法下實驗對象的耐雷水平與跳閘率，結(jié)果如表3所示。

表3 不同方法耐雷水平與跳閘率對比

分析表3得到，與其他兩種優(yōu)化方法相比較，本文優(yōu)化方法的橫擔(dān)長度較大，年一百公里線路雷擊總數(shù)和桿塔的耐雷水平大于其他兩種優(yōu)化方法，而建弧率、雷電流幅值大于耐雷水平的幾率、反擊跳閘率均小于其他兩種優(yōu)化方法。當(dāng)年均雷暴日為30天時，本文優(yōu)化方法的反擊耐雷水平為157.3 kA，繞擊耐雷水平為7.7 kA，反擊跳閘率為0.445次/百公里·年，分別滿足GB50064耐雷水平技術(shù)要求與國網(wǎng)公司標(biāo)準(zhǔn)。實驗結(jié)果表明，本文優(yōu)化方法的耐雷水平較好、跳閘率較低。

2.3 電位分布對比

實驗對比三種不同優(yōu)化方法的電位分布情況，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同優(yōu)化方法的電位分布對比結(jié)果

分析圖3能夠得到，使用本文優(yōu)化方法優(yōu)化后，實驗對象的電位分布曲線更平緩，電位分布情況優(yōu)于他兩種優(yōu)化方法。由此可知，針對場強控制方面，本文優(yōu)化方法優(yōu)化后的實驗對象電位、電場分布都在可控狀態(tài)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計參數(shù)達(dá)到工程設(shè)計要求。

2.4 上相塔頭操作沖擊放電情況對比

實驗為測試本文優(yōu)化方法下上相塔頭操作沖擊放電情況，將實驗環(huán)境設(shè)置為特高壓交流實驗基地，對比不同優(yōu)化方法下上相塔頭操作沖擊放電情況，結(jié)果如表4所示。

表4 上相塔頭操作沖擊放電實驗結(jié)果

分析表4得到，依照實驗與海拔調(diào)節(jié)獲取的上相間隙操作沖擊電壓值，翻閱以往千伏輸電線路工程國電壓程度，本文優(yōu)化方法優(yōu)化后的操作沖擊50%放電電壓達(dá)到1873U50(h)/kV，高于其他兩種優(yōu)化方法81 U50(h)/kV以上，能夠更好的達(dá)到運行絕緣目標(biāo)。

2.5 經(jīng)濟(jì)性對比

千伏輸電線路復(fù)合橫擔(dān)桿塔通用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法的經(jīng)濟(jì)性對比包括材料費、運輸費、安裝費等諸多項目。實驗為驗證本文優(yōu)化方法的經(jīng)濟(jì)性能，對比三種不同優(yōu)化方法的經(jīng)濟(jì)性能，結(jié)果用表5描述。

表5 不同優(yōu)化方法經(jīng)濟(jì)性分析

分析表5可得，本文優(yōu)化方法優(yōu)化后的桿塔通用結(jié)構(gòu)與其他兩種優(yōu)化方法相比，塔高和走廊寬度分別5 m和7.8 m以上，桿塔重量和基礎(chǔ)鋼筋分別下降7 t和0.5 t以上，復(fù)合材料與基礎(chǔ)混凝土分別提升0.7 t和9.5 m3以上。不同項目的費用匯總后得到，本文優(yōu)化方法總花費58.5萬元，相比其他兩種優(yōu)化方法降低16.58萬元以上。實驗結(jié)果表明，本文優(yōu)化方法是一種資源節(jié)約型優(yōu)化方法，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

2.6 復(fù)合橫擔(dān)變形對比

復(fù)合材料的變形程度取決于彈性模型的大小，實驗對比不同優(yōu)化方法下復(fù)合橫擔(dān)的變形程度，結(jié)果如表6所示。

分析表6得到，本文優(yōu)化方法下的最大位移為Z向安裝位移，達(dá)到367.2 mm；而基于雷擊跳閘考核指標(biāo)的優(yōu)化方法和基于橫擔(dān)懸掛加裝均壓環(huán)的優(yōu)化方法的最大位移分別為543.8 mm和368.4 mm。實驗結(jié)果表明，本文優(yōu)化方法下復(fù)合橫擔(dān)變形較小。

表6 橫擔(dān)變形結(jié)果對比

3 結(jié) 語

本文對千伏輸電線路復(fù)合橫擔(dān)桿塔通用結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行深入研究，設(shè)計桿塔通用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案并對優(yōu)化方案的穩(wěn)定性實施分析，在塔頭復(fù)合絕緣子端部設(shè)置均壓環(huán)完成防污設(shè)計，選用在中心線位置，根據(jù)導(dǎo)線方向，在距離塔身一定距離豎直設(shè)置接地引下線方案完行桿塔通用結(jié)構(gòu)防雷優(yōu)化設(shè)計。實驗結(jié)果表明本文優(yōu)化方法優(yōu)化后的輸電線路復(fù)合橫擔(dān)桿塔通用結(jié)構(gòu)耐雷水平較好、跳閘率較低，且電位、電場分布都在可控狀態(tài)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計參數(shù)達(dá)到工程設(shè)計要求；同時本文優(yōu)化方法具有較好的經(jīng)濟(jì)性，降低輸電線路復(fù)合橫擔(dān)桿塔通用結(jié)構(gòu)復(fù)合橫擔(dān)變形。