500 kV輸電線路大跨越耐張塔金具串安全隱患治理方案優(yōu)化

吳 威，朱傳剛，肖知林，劉 威，雷 偉，李德祥

（1.中國葛洲壩集團電力有限責任公司武漢設計院，湖北 武漢430000；2.國網(wǎng)湖北省電力有限公司檢修公司，湖北 武漢430000）

0 引言

隨著中國國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，中國電力工業(yè)得到了質(zhì)的飛躍，逐步形成以大型發(fā)電站為核心，以不同電壓等級輸電線路為骨架的各大區(qū)、省級和地區(qū)的電力系統(tǒng)。1981年建成了國內(nèi)首條500 kV超高壓輸電線路，即平頂山-雙河-武昌鳳凰山500 kV輸電線路，1983年隨后建成了葛洲壩-武昌及葛洲壩-雙河兩回500 kV超高壓輸電線路，1989年相繼建成國內(nèi)第一條±500 kV葛洲壩-上海直流輸電線路（現(xiàn)±500 kV葛南線），開始形成華中電網(wǎng)500 kV骨干網(wǎng)架。根據(jù)國網(wǎng)湖北省電力有限公司檢修公司運維數(shù)據(jù)顯示，上述4條線路投運時間均已超過30年，大跨越側導線耐張串均出現(xiàn)了不同程度的銹蝕性問題，存在掉串、斷線的風險，4條線路大跨越導線耐張金具串均為6聯(lián)210 kN結構型式，該結構型式復雜，且運行檢修不便，大部分金具為80年代的特制金具，采用還原的方式更換，消除安全隱患較為困難；此外，上述4條線路跳線串處采用了國內(nèi)最早的500 kV超高壓大跨越三變四結構型式，導線三變四金具均存在不同程度的開裂情況，該三變四結構型式全部由特制金具組成，其力學性能及抗舞性能較差，引流金具一旦出現(xiàn)開裂，會直接影響導電性能及耐熱性能，給線路運行帶來較大的安全隱患，因此，該結構型式已不能滿足現(xiàn)行高標準要求。上述超高壓線路在華中電網(wǎng)仍然發(fā)揮著不可替代的作用，同時大跨越區(qū)段安全穩(wěn)定性對線路本體起著決定性作用。因此，對上述在運的500 kV超高壓大跨越耐張塔金具串存在的安全隱患治理方案優(yōu)化顯得尤為重要。本文以±500 kV葛南線沱盤溪長江大跨越（以下簡稱“葛南線大跨越”）為例，首先介紹大跨越耐張塔金具串安全隱患情況，然后分析在運大跨越耐張塔金具串安全隱患治理難點，針對治理難點從導線三變四結構方面、大跨越耐張金具串方面進行優(yōu)化設計，并提出一套合理的大跨越導線耐張串更換施工方案，以解決葛南大跨越耐張塔金具串安全隱患。

1 大跨越耐張塔金具串安全隱患介紹

1.1 跳線金具串導線三變四型式開裂安全隱患

±500 kV葛南線49號、52號大跨越耐張塔在跳線串處采用了國內(nèi)最早的500 kV超高壓大跨越三變四結構型式，即一側采用3個設備線夾，另一側采用4個設備線夾將跳線固定在跳線串底部的特制四聯(lián)板上，經(jīng)特制四聯(lián)板導流，實現(xiàn)大跨越側3根子導線與非大跨越側4根子導線的對接。

經(jīng)運行數(shù)據(jù)顯示，國內(nèi)最早的500 kV超高壓大跨越三變四型式存在開裂的安全隱患，即大跨越跳線在受風的作用下，經(jīng)常出現(xiàn)均勻低風速下的微風振動，尤其是在覆冰舞動的情況下，會造成三變四聯(lián)板連接的設備線夾出口處應力集中，久而久之，設備線夾疲勞開裂較為普遍，容易導致跳線從引流板上脫落，給線路運行帶來較大的安全隱患［1-5］，±500 kV葛南線49號、52號耐張塔亦有此安全隱患。因線夾開裂不得不進行綁扎的照片如圖1所示。

圖1 三變四型式開裂-各種綁扎修理情況Fig.1 Three-change-four type cracking-all kinds of ligature repairs

1.2 耐張金具串嚴重銹蝕安全隱患

±500 kV葛南線1號-100號段位于宜昌市郊區(qū)，該區(qū)段常年為陰雨天氣，年平均空氣濕度較大，加之線路在此環(huán)境運行在30 a以上，長期緩慢地氧化，造成線路金具整體銹蝕嚴重，在線路停電檢修期間，發(fā)現(xiàn)±500 kV葛南線49號、52號大跨越耐張桿塔導線金具串銹蝕嚴重（U型掛環(huán)及掛板等金具均銹蝕起層），將影響整串的機械強度，存在因金具斷裂造成的掉線風險［4-7］，而50號-51號跨江段正好為長江的一級通航位置，一旦發(fā)生掉線事故，將引起嚴重的社會事故。現(xiàn)場銹蝕情況如圖2所示。

圖2 大跨越導線耐張串銹蝕嚴重情況Fig.2 Serious corrosion of long span conductor in tension string

2 大跨越耐張塔金具串安全隱患治理難點分析

針對跳線金具串導線三變四型式開裂情況以及導線耐張金具串銹蝕嚴重情況，按照文獻［8］要求，對開裂、銹蝕嚴重等情況的金具串應取更換措施。截止2021年5月，±500 kV葛南線銹蝕段一般線路段導地線金具及大跨越段地線金具均在停電檢修期間已進行更換處理，由于49號-52號沱盤溪大跨越耐張塔導線金具串更換存在諸多難點，一直未進行治理，具體難點如下：

1）設計方面：原跳線金具串采用的是國內(nèi)最早的導線三變四型式，此結構均為特制金具，不僅力學性能較差，而且運行檢修極為不便，其結構型式已不能滿足現(xiàn)行運行要求；原大跨越導線耐張金具串為6×210 kN型式，其結構型式復雜，且大部分金具為80年代的特制金具，采用還原的方式更換，實施困難；

2）施工方面：跨越段位于長江流域一級通航處上方，大跨越段導線張力較大，一旦發(fā)生掉線事故，將引起嚴重的社會事故，更換導線耐張串施工風險較高，因此耐張串的更換成為本次治理的重點、難點之一。

3 大跨越耐張塔金具串安全隱患治理優(yōu)化方案

基于上述對大跨越耐張塔金具串安全隱患治理難點分析，本次從跳線新型三變四結構設計、大跨越耐張金具串更換優(yōu)化設計、大跨越導線耐張串更換施工3個方面進行展開。

3.1 跳線新型三變四結構設計

3.1.1 國內(nèi)現(xiàn)有大跨越跳線分裂數(shù)轉變結構調(diào)查與分析

根據(jù)收集資料分析，在2000年初期及以前設計的500 kV交直流大跨越線路，均在跳線串底部的特制四聯(lián)板上完成跳線三變四；在2000年至2010年段，500 kV大跨越線路多采用4分裂，不存在跳線三變四問題；在2010年前后，隨著特高壓線路技術不斷地成熟，特高壓大跨越線路采用了鋁管式跳線結構型式完成跳線四變六。

由于在運500 kV輸電線路大跨越耐張塔受結構尺寸的限制，無法采用硬鋁管式跳線結構型式，因此亟需結合在運500 kV輸電線路大跨越桿塔實際情況，設計一種新型大跨越跳線三變四結構，解決國內(nèi)最早的導線三變四型式開裂問題。

3.1.2 新型結構理論設計

大跨越跳線新型三變四結構由SSY壓縮型單變雙設備線夾（3個）［9］、TLY型線夾［9］（2個）及小引流線組成，其中SSY壓縮型單變雙設備線夾一端與大跨越耐張線夾引流板通過螺栓連接，一端與跳線及小引流線液壓連接；TLY型線夾一端與跳線通過螺栓連接，一端與小引流線液壓連接；小引流線一端與SSY壓縮型單變雙設備線夾液壓連接，一端與TIY型線夾液壓連接。

3個SSY壓縮型單變雙設備線夾，其中2個單變雙線夾各引出1根子跳線與小引流線，1個單變雙線夾引出2根子跳線，4根子跳線起引流作用，兩個“TLY型線夾+小引流線”用以解決4根子跳線的電流均勻分布作用。新型導線三變四型式詳圖如圖3所示。

圖3 新型導線三變四型式詳圖Fig.3 Detail drawing of new Type three-change-four-type conductor

上述大跨越跳線新型三變四結構已實驗運行，經(jīng)運檢單位反饋，新型三變四結構運行情況良好，無電暈現(xiàn)象。

3.1.3 葛南線大跨導線三變四設計運用

1）跳線、小引流線選型：±500 kV葛南線非跨越側導線為4×LGJQ-300輕型鋼芯鋁絞線，由于該輕型導線在國內(nèi)早已停產(chǎn)，查閱文獻［10］數(shù)據(jù)，本次跳線及小引流線選用各技術參數(shù)與之接近的JL/G1A-300/40鋼芯鋁絞線，導線的輸送容量滿足要求；

2）單變雙線夾及TLY線夾選型：根據(jù)大跨越LHGJT-440壓-澆式耐張線夾引流板特性及新跳線技術參數(shù)，本次選用SSY-300/40A-200（110×85）型單變雙線夾，并選用配套的TLY-300/40型線夾；

3）小引流線長度確定：小引流線過短易碰撞，過長則不在耐張均壓屏蔽環(huán)內(nèi)，所處電磁環(huán)境較差，噪聲較大，從力學角度、屏蔽角度、可聽噪聲方面考慮，并通過尺寸模擬，最終將小引流線定為1.5m，滿足相應規(guī)范規(guī)程要求［11-12］?！?00 kV葛南線大跨越新設計的導線三變四型式安裝位置如圖4所示。

通過上述500 kV超高壓輸電線路大跨越三變四結構后，葛南線大跨越跳線串可采取常規(guī)的4分裂上抗下垂線夾式懸垂線夾，與跳線連接部分均為液壓型式，很好地解決了設備線夾在三變四聯(lián)板連接處，長期受導線振動的影響，產(chǎn)生應力集中導致設備線夾疲勞開裂現(xiàn)象。

3.2 大跨越耐張金具串優(yōu)化設計

±500 kV葛南線沱盤溪長江大跨段導線耐張線夾為鋁合金制的壓-澆式耐張線夾，不僅對導線有足夠的握著力，而且鋁合金制材質(zhì)銹蝕程度較小，由于現(xiàn)無法找到原大跨越導線進行耐張線夾壓接實驗，故本次建議保留原大跨越導線耐張線夾、不更換舊導線的情況下，僅對大跨越耐張金具串按新規(guī)程、新材料進行重新設計，既滿足運行安全要求，又節(jié)省了技改費。

以下分別從金具串聯(lián)數(shù)及噸位選擇、絕緣子型號及片數(shù)選擇、金具串詳細設計進行闡述，具體如下：

1）金具串聯(lián)數(shù)及噸位選擇［13-18］

回顧80年代初期，我國在大跨越金具方面研究工作欠缺，致使±500 kV葛南線沱盤溪長江大跨導線耐張串單個金具噸位較小，整串聯(lián)數(shù)較多，且大部分金具都為非標、特制產(chǎn)品。隨著特高壓的建設以及金具市場發(fā)展，電力金具材質(zhì)及工藝有很大改進與提高，隨著導線強度、截面的增大和分裂數(shù)的增多，金具強度隨之增大，國內(nèi)生產(chǎn)的球頭掛環(huán)、碗頭掛板強度可達到760 kN，連塔金具、掛環(huán)、掛板極限荷載可達到1 200 kN。鑒于錦屏-蘇南±800 kV特高壓直流輸電線路導線耐張串成功運用的3×550 kN結構型式，本次將原6×210 kN金具串結構型式優(yōu)化為3×420 kN的結構型式，在機械強度滿足要求的情況下將聯(lián)數(shù)減少，便于日后運行維護。

2）絕緣子型號及片數(shù)選擇［19-21］

根據(jù)最新國網(wǎng)直流絕緣子標準化產(chǎn)品目錄，本次選用單片泄露距離為650 mm的U420BP/205T直流瓷式絕緣子。

原大跨越耐張串采用6×34×CA745EZ，串爬電比距為3.74 cm/kV，根據(jù)《湖北省電力系統(tǒng)污區(qū)分布圖》（HB-2019），本次大跨越段污穢等級為c級（對應高壓架空線路污穢分級標準中的Ⅱ級），根據(jù)文獻［20］規(guī)定：“當選用爬電比距法選擇絕緣子片數(shù)時，直流線路的爬電比距不宜小于同地區(qū)交流線路爬電比距的2.0倍”，本次治理在不低于原線路絕緣配置的情況下，按規(guī)范［21］Ⅱ級中值（4.5 cm/kV）考慮，本次大跨越耐張絕緣子串采用3×36×U420BP/205T直流瓷式絕緣子串，串爬電比距為4.68 cm/kV，滿足規(guī)范設計要求。

3）金具串詳細設計［13-26］

本次是對在運的大跨越導線耐張絕緣子金具串進行更換，在特定的環(huán)境下，新設計過程中需考慮的因素較多，主要為：①新絕緣子金具串總長應與原絕緣子金具串長度保持一致，以保證大跨越側張力及弧垂不發(fā)生改變；②絕緣子金具串聯(lián)數(shù)發(fā)生變化，新設計應合理優(yōu)化聯(lián)與聯(lián)之間的連接位置及連接方式，以保證絕緣子金具串受力均勻且不易碰撞；③均壓環(huán)設計應充分考慮絕緣子串高度的變化；屏蔽環(huán)設計應考慮連接金具的變化；④配置連接金具時，應考慮改造前后絕緣子長度發(fā)生的變化；⑤應盡量選用標準化金具，減少特制金具。

結合上述因素，±500 kV葛南線沱盤溪長江大跨段新設計的大跨越導線耐張金具串如圖4所示。

圖4 新大跨越導線耐張串圖Fig.4 Tensile string diagram of new large span conductor

3.3 大跨越導線耐張串更換施工方案

3.3.1 施工總體方案

考慮大跨越導線耐張串施工跑線、掉線的安全風險，本次在3層安全保護措施情況下，對導線新耐張串采用一聯(lián)一聯(lián)的進行更換，即1號、2號、3號子導線分別對應的聯(lián)數(shù)進行一一更換［27-28］。3層安全保護措施具體為，1套由導線夾頭、滑輪組、手扳葫蘆、施工孔、地面絞磨組成的換串兼錨固系統(tǒng)，1套防跑線地錨系統(tǒng)，1套由另兩根子導線、子導線金具串子導線間隔棒受力做防掉線措施，以此確保大跨越導線耐張串的更換安全。以下從施工前期工作、施工具體方案對大跨越導線耐張串更換工作進行介紹。

3.3.2 施工前期工作

1）附件拆除：第一步將大跨越跳線部分拆除，第二步將導線側均壓環(huán)、屏蔽環(huán)及子串中連接的三聯(lián)板拆除，第三步從金具端向跨江側依次拆除導線上的阻尼線，為專用夾頭的安裝作準備。

2）錨固：利用導線掛點外側的輔助施工孔做錨線系統(tǒng)。本次按在大跨越導線上布置2套10 t級滑輪組，1套通過塔身轉向與地面絞磨連接，1套配置9 t手板葫蘆后，通過耐張串與施工孔連接［29-30］；同時配置1套錨固系統(tǒng)在地面，對導線做防跑線錨固措施，其示意圖如圖5所示。

圖5 錨線示意圖Fig.5 Anchor diagram

3.3.3 施工具體方案

1）準備鋼絲繩、滑車及1號、2號兩臺機動絞磨，做松舊耐張串的準備。將絞磨錨線的一端采用大跨越導線專用夾頭安裝于1號子導線上，另一端安裝在1號子導線對應的聯(lián)金具串前端調(diào)整板上。1號機動絞磨負責鐵塔側對應的聯(lián)金具串，2號機動絞磨負責1號子導線側金具串。

2）啟動2號機動絞磨的牽引系統(tǒng)，同時將9 t手扳葫蘆和地面錨繩隨絞磨收緊，使得1號子導線兩串金具串應力放松，錨線系統(tǒng)充分起到錨線的作用。

3）1號子導線側金具掛環(huán)完全松弛后將其摘除，緩慢松出2號機動絞磨，至1號子導線對應的金具串成松弛狀態(tài)，如圖6所示。

圖6 拆除耐張串示意圖Fig.6 Schematic diagram of tensile string removal

4）1號機動絞磨處，用U型環(huán)與調(diào)整板連接并掛好滑車，收緊絞磨磨繩，松開鐵塔掛點螺栓后緩慢將瓷瓶及連接金具放下至地面。

5）在地面將1號子導線的新絕緣子金具串組裝，用1號號磨繩系于鐵塔側1號子導線金具串，2號磨繩系于1號子導線側金具串。

6）使用1號絞磨負責吊起鐵塔側1號子導線金具串至掛點處將其掛好，再將導線側絞磨磨繩收緊，啟動2號絞磨將導線側金具串提升至耐張線夾處連接，放松收緊系統(tǒng)使絕緣子金具串恢復受力。

7）按照上述7個過程分別對2號、3號子導線對應的絕緣子金具串進行更換，再通過第3個步驟，使三聯(lián)在相對松弛的情況下，安裝三聯(lián)板連接裝置，使三聯(lián)成為一個整體，安裝配套的均壓環(huán)、屏蔽環(huán)，再恢復三聯(lián)絕緣子串受力。

8）拆除所有工具，對導線阻尼線進行恢復安裝。

4 治理方案優(yōu)化特點

在大跨越三變四結構設計方面，新型的大跨越三變四結構大大改善了國內(nèi)最早結構的缺陷，從結構型式上，該結構在大跨越耐張線夾出口處通過常規(guī)電力金具解決了導線三變四問題，跳線串采用500 kV電力線路常規(guī)的4分裂上抗下垂式跳線串，較最早方式的跳線串底部特制四聯(lián)板引流板過渡部分結構型式更簡單，也使三變四技術常規(guī)化、通用化；從力學性能方面，新設計的三變四結構中的單變雙線夾一端采用液壓型式與跳線連接，一端與大跨越耐張線夾通過螺栓連接，力學性能較好，且具備較好的抗舞性能，大大改善了最早結構中設備線夾在三變四聯(lián)板連接處，長期受導線振動的影響產(chǎn)生應力集中，導致的設備線夾疲勞開裂現(xiàn)象，避免了跳線從引流板上脫落的安全事故；從電氣性能方面，新設計的三變四結構，連接導線的單變雙設備線夾、TLY型線夾均采用鋁制、鋁合金材質(zhì)，導電性能、耐熱性能較最早的三變四結構中過渡部分特制聯(lián)板好；從運行檢修方面，新設計的三變四結構跳線串為懸垂線夾結構型式，結構簡單，維護方便，無需關注聯(lián)板位置開裂情況。

在大跨越耐張金具串更換設計方面，新導線耐張串采用了3×420 kN結構型式，不僅聯(lián)數(shù)減半，使繁雜的絕緣子金具串簡單化，而且大部分金具為標準化金具，便于后期運行檢修。

在大跨越導線耐張串施工方面，采用了1套換串兼錨固系統(tǒng)，1套防跑線地錨系統(tǒng)，1套由另兩根子導線、子導線金具串子導線間隔棒受力做防掉線措施，以避免大跨越導線耐張串在更換過程中跑線、掉線的安全風險。

在經(jīng)濟效益方面，本工程對大跨越耐張金具串按新規(guī)程、新材料進行優(yōu)化設計，既滿足運行安全要求，又節(jié)省了運維檢修費。

5 結語

本文介紹的500 kV輸電線路大跨越耐張塔金具串安全隱患治理方案優(yōu)化及措施，可適用于在于二十世紀初期及以前設計的500 kV交直流大跨越線路，其中新型大跨越三變四結構可用于解決早期三變四結構長期受導線振動而導致的設備線夾疲勞開裂問題，大跨越耐張金具串更換設計方案以及大跨越導線耐張串更換施工方案，可用于解決耐張金具串嚴重銹蝕安全隱患，從而避免500 kV大跨越線路因金具斷裂造成的掉線風險，以此提高在運500 kV大跨越段線路的安全性，從而保障了電網(wǎng)的安全可靠性，提升了供電質(zhì)量。