高壓輸電線路電氣設(shè)計(jì)中存在問題及對策分析

孫明靈

（福建省匯億電力工程有限公司 福建省泉州市 362000）

隨著可持續(xù)用電需求的增加，高壓輸電線路的安全性與穩(wěn)定性受到了更大的重視，作為高壓輸電線路中重要的組成部分，電氣設(shè)計(jì)的科學(xué)合理與安全有效性一直備受關(guān)注，然而現(xiàn)階段的線路電氣設(shè)計(jì)中還存在著一些問題亟待解決，這對于高壓輸電線路的安全穩(wěn)定性運(yùn)行有著一定的阻礙作用?；谶@種狀況，需要電力企業(yè)相關(guān)從業(yè)人員對高壓輸電線路電氣設(shè)計(jì)過程進(jìn)行全方位的分析，從而找出其中存在的問題，經(jīng)過科學(xué)的研討與分析，提出合理的對策進(jìn)行解決，促進(jìn)電氣設(shè)計(jì)的可持續(xù)運(yùn)行，進(jìn)而保障電力的可持續(xù)運(yùn)輸，為民眾提供一個優(yōu)質(zhì)的用電環(huán)境。

1 高壓輸電線路特點(diǎn)

高壓輸電線路的特征可從以下三個方面進(jìn)行簡單論述：

1.1 安全保障要求高

高壓輸電線路電壓較高，需帶動整體的電量，類似高速運(yùn)轉(zhuǎn)的大型電池，如果出現(xiàn)安全問題，將會帶來較大的經(jīng)濟(jì)損失，因此高壓輸電線路對安全保障要求較高。保障高壓線路的安全穩(wěn)定性，可有效促進(jìn)人們的可持續(xù)用電[1]。

1.2 難度大

部分高壓線路會建在河域、丘陵與山區(qū)等復(fù)雜危險(xiǎn)的區(qū)域，且線路較長，整體鋪設(shè)開來難度特別大，整體項(xiàng)目突出工藝技術(shù)要求高、投資高、施工時(shí)間長、施工難度大與施工條件惡劣等。

1.3 高壓參數(shù)高

高壓是輸電線路的主要特征，主要是因?yàn)楦邏弘娎|可維持較高的電壓來進(jìn)行電力的傳輸，但是若是高壓電纜出現(xiàn)問題，維修是一項(xiàng)較為困難與復(fù)雜的工程，這需要在建設(shè)早期即考慮在內(nèi)，為后期的維護(hù)提供一定的條件。

2 高壓輸電線路電氣設(shè)計(jì)過程

高壓輸電線路電氣設(shè)計(jì)過程如圖1 所示。

2.1 高壓輸電線路電氣設(shè)計(jì)前期分析

對高壓輸電線路設(shè)計(jì)前期進(jìn)行分析，主要是因?yàn)楦邏狠旊娋€路電氣設(shè)計(jì)的流程較為復(fù)雜且包含內(nèi)容較多，很容易造成工序的混亂以及工程內(nèi)容的忽略等，因此通過前期的分析與探討，能夠及時(shí)的發(fā)現(xiàn)潛在的隱患與問題，并及時(shí)的彌補(bǔ)與完善，如此可降低施工階段問題發(fā)生的概率，要保障前期設(shè)計(jì)分析的合理有效性，需相關(guān)設(shè)計(jì)人員具備較高的綜合素養(yǎng)，除了對線路沿線的地質(zhì)與地形進(jìn)行綜合的考察外，還應(yīng)考慮到實(shí)際施工時(shí)電氣設(shè)計(jì)與線路架設(shè)的具體要求，以此來對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行不斷的調(diào)整與優(yōu)化。

2.2 高壓輸電線路電氣設(shè)計(jì)初期分析

電氣設(shè)計(jì)初期分析的主要作用是為設(shè)計(jì)草圖的擬定做準(zhǔn)備，以電氣設(shè)計(jì)的實(shí)際需求與具體情況對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行修改，如此可提升電氣設(shè)計(jì)方案的科學(xué)合理與準(zhǔn)確有效性。在此階段，可選擇適用于輸電線路的導(dǎo)地線，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)抗冰、防雷設(shè)計(jì)方案[2]。

圖1：高壓輸電線路電氣設(shè)計(jì)過程

圖2：直線桿塔

圖3：塔頭電壓

2.3 高壓輸電線路電氣設(shè)計(jì)施工階段分析

這一階段的電氣設(shè)計(jì)分析目的是結(jié)合施工中出現(xiàn)的一系列問題，提出合理的解決措施，并對施工過程中不適宜的程序或者步驟內(nèi)容等進(jìn)行適當(dāng)?shù)膭h減與補(bǔ)充，維持施工的合理性，以此來確保施工的合理推進(jìn)。

3 高壓輸電線路電氣設(shè)計(jì)中存在的幾個常見問題及解決辦法

隨著國網(wǎng)通用設(shè)計(jì)的推廣和深化，以及各省電力公司都出臺對當(dāng)?shù)乇鶇^(qū)、風(fēng)區(qū)、污穢區(qū)等條件設(shè)定的指導(dǎo)性文件，還有各地規(guī)劃部門配合電力部門對于當(dāng)?shù)氐碾娋W(wǎng)布局及高壓輸電線路的路徑都進(jìn)行了完善的規(guī)劃，因此高壓輸電線路的幾個重大原則問題如氣象條件、路徑走向、桿塔選型基本都較為明確了，本文著重對在高壓輸電線路設(shè)計(jì)或者后期施工過程中常遇到的幾個問題進(jìn)行分析。

3.1 直線桿塔的安全空氣間隙問題

如圖2 和圖3 所示，在線路，連續(xù)上下山時(shí)很容易出現(xiàn)直線塔搖擺角超限的問題，即導(dǎo)線在工頻電壓、操作過電壓和雷電過電壓中的至少一種工況下出現(xiàn)導(dǎo)線絕緣子串隨風(fēng)搖擺，導(dǎo)致導(dǎo)線對桿塔構(gòu)件（包括拉線、腳釘?shù)龋┌踩嚯x不滿足要求的情況。圖中所示的α、β 和γ 分別代表雷電過電壓、操作過電壓和工頻電壓工況下允許搖擺角，該數(shù)值根據(jù)《110kV～750kV 架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50545-2010）表1 再結(jié)合塔頭尺寸，以懸垂串掛點(diǎn)位圓心，絕緣子串長度為半徑畫圓得出。

表1：110kV～500kV 帶電部分與桿塔構(gòu)件（包括拉線、腳釘?shù)龋┑淖钚￠g隙（m）

再根據(jù)下面的公式計(jì)算出三種工況下的最大搖擺角的設(shè)計(jì)值。

式中φ 為搖擺角，g1 代表導(dǎo)線自重比載，g4 代表導(dǎo)線風(fēng)壓比載，S 為導(dǎo)線截面積，P 為絕緣子風(fēng)壓，G 為絕緣子串重量，LH 為水平檔距，LV 為垂直檔距。

將設(shè)計(jì)值與允許值進(jìn)行比較，若設(shè)計(jì)值小于允許值即安全，若設(shè)計(jì)值大于允許值則危險(xiǎn)，必須進(jìn)行調(diào)整。要使得設(shè)計(jì)值小于允許值，就是要么減小設(shè)計(jì)值，要么增大允許值。

（1）減小設(shè)計(jì)值：即減小tanφ，根據(jù)公式可知增大垂直檔距LV 或者增加絕緣子串重量G，增大LV 可增加桿塔的呼稱高或降低相鄰高位的桿塔的呼稱高，增加絕緣子串重量G 的一般做法是懸掛重錘，由于新時(shí)代對于交跨距離要求的提升（均要求高跨），降低相鄰桿塔的呼稱高不符合林業(yè)部門和運(yùn)維部門的要求，增加該基桿塔的呼稱高會導(dǎo)致投資增加，不經(jīng)濟(jì)；因此最好的辦法是加重錘增加絕緣子串重量。

（2）增加允許值：即減小絕緣子串長度或者選擇橫擔(dān)長而塔身窄的塔型，根據(jù)現(xiàn)在通常采用的國網(wǎng)通用設(shè)計(jì)的絕緣子串和塔型，絕緣子串和塔型已經(jīng)是最短和最經(jīng)濟(jì)了，因此增加允許值的做法在實(shí)際工程中可操作性較小。

（3）綜上所述，如果直線桿塔出現(xiàn)搖擺角危險(xiǎn)的情況下，最好的辦法是增加重錘，每個重錘座最多能放置5 片重錘，如果仍不能滿足安全要求則必須更換塔型，甚至改用耐張桿塔。

3.2 直線桿塔帶轉(zhuǎn)角的問題

現(xiàn)在國網(wǎng)通用設(shè)計(jì)的桿塔的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)角均為0°，直線桿塔在設(shè)計(jì)階段也都是按轉(zhuǎn)角0°進(jìn)行定位，然而在工程實(shí)施過程中，受征地問題和現(xiàn)場地形條件限制，直線桿塔很難實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的0°角，尤其是沿道路建設(shè)的桿塔，因受已建管線影響，直線桿塔普遍存在需要帶轉(zhuǎn)角的情況，此種情況存在兩個問題：1 個是一側(cè)懸垂絕緣子串向桿身偏移，造成安全空氣間隙問題；另1 個是導(dǎo)線張力因轉(zhuǎn)角而產(chǎn)生的角度合力增加了桿塔的水平荷載造成的桿塔安全問題。

（1）針對第一個問題，結(jié)合上1 點(diǎn)講的直線桿塔的安全空氣間隙問題，只是水平力多了個角度合力，及分子需增加一個角度合力，把角度合力設(shè)為F，則公式變?yōu)椋?/p>

解決方法一樣，不再重復(fù)敘述。

（2）針對第二個問題則需要比較導(dǎo)線造成的桿塔的水平荷載的原設(shè)計(jì)值和現(xiàn)設(shè)計(jì)值，必須要強(qiáng)調(diào)的是這不是結(jié)構(gòu)專業(yè)的問題，以作者工作的南方沿海地區(qū)為例（無覆冰地區(qū)），由導(dǎo)線造成的直線桿塔的水平荷載的原設(shè)計(jì)值F1=g4*S*LH1（LH1 為該塔型的水平檔距設(shè)計(jì)值），而工程中的現(xiàn)設(shè)計(jì)值F2=g4*S*LH2+F（LH2 為該塔在工程中的水平檔距，本文不討論塔型以大代小的情況，假定實(shí)際工程氣象條件和原塔型設(shè)計(jì)氣象條件一致，導(dǎo)線及安全系數(shù)一致即兩式中導(dǎo)線風(fēng)壓比載g4 和導(dǎo)線截面S 相同），式中F 為導(dǎo)線的角度合力，設(shè)工程中的導(dǎo)線張力為F′，則F=2F′*sin(θ/2)（θ為線路轉(zhuǎn)角）。比較F1 和F2，F(xiàn)1>F2 則受力安全，否則危險(xiǎn)，必須更換塔型。

（3）綜上所述，如果直線桿塔出現(xiàn)需要帶角度的情況下，必須同時(shí)滿足安全空氣間隙和塔身受力兩個條件才能保留原塔型，否則必須更換塔型。此方法還可以推廣到轉(zhuǎn)角塔的實(shí)際轉(zhuǎn)角超過其設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)角的情況下的驗(yàn)算。

3.3 導(dǎo)線布置變化而導(dǎo)致的線間距離問題

導(dǎo)線布置變化的情況一般常見的有三種：

（1）同塔雙回路線路分為兩個單回路線路情況（同塔雙回線路一般導(dǎo)線為垂直排列，單回路桿塔一般導(dǎo)線為水平或三角排列）；

（2）同塔多回線路在下穿高電壓等級架空線路又同時(shí)跨越低電壓等級架空線路情況下，有時(shí)會因?yàn)楦叨认拗菩枰淖儗?dǎo)線布置；

（3）一些跨越果園的在運(yùn)行的老舊線路，這些舊線路一般桿塔呼高較低，因果樹長高導(dǎo)致導(dǎo)線對樹安全距離不足，而如果清除或修剪果樹，果農(nóng)會提出高額的賠償，導(dǎo)致難以處理果樹，此時(shí)將導(dǎo)線上提，在塔身增加2 個導(dǎo)線掛點(diǎn)，這樣空出了下導(dǎo)線橫擔(dān)，將下導(dǎo)線提升至少3.5 米，有效解決了對樹安全距離不足的問題。

上述三種常見的情況都需要改變導(dǎo)線布置，在此過程中有可能會導(dǎo)致導(dǎo)線線間距離不足，因此需要進(jìn)行仔細(xì)驗(yàn)算。方法如下：

（1）求出該段導(dǎo)線的最大弧垂fc。

（2）根據(jù)《110kV～750kV 架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50545-2010）第8.0.1 點(diǎn)第1 小點(diǎn)公式：

式中：ki為懸垂絕緣子串系數(shù)，Lk為懸垂絕緣子串長度，U 為系統(tǒng)標(biāo)稱電壓。

求出水平線間距離D。

（3）根據(jù)根據(jù)《110kV～750kV 架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50545-2010）第8.0.1 點(diǎn)第3 小點(diǎn)公式

式中：DP為導(dǎo)線間水平投影距離，Dz為導(dǎo)線間垂直投影距離。（DP和Dz根據(jù)塔型結(jié)構(gòu)和線路轉(zhuǎn)角得出）

算出等效水平線間距離DX，如果DX>D 則安全，否則則很危險(xiǎn)，必須調(diào)整。

如果DX

4 結(jié)語

綜上所述，現(xiàn)階段的電氣設(shè)計(jì)中還存在著一些問題需要電氣設(shè)計(jì)相關(guān)人員進(jìn)行挖掘與發(fā)現(xiàn)，從而提出合理的應(yīng)對策略，在解決問題的同時(shí)，促進(jìn)電氣設(shè)計(jì)與高壓輸電線路的共同可持續(xù)發(fā)展。