500kV緊湊型輸電線路耐張塔塔型優化研究

魯景星，劉文勛，黃欲成，李 健，康 勵，陳 媛

(1.中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司，廣東 廣州 510620；2.中南電力設計院，湖北 武漢 430071)

我國的500kV緊湊型線路參照國外的經驗設計，建設初期僅在華北等平原地區使用，近年來在全國大量推廣。但其耐張塔塔型基本沿用最初的設計方案，并未按具體工程的特點(如山區線路)進行過有針對性的改進。當耐張塔立在較陡邊坡上時，邊相較中相的地面高程變高，跳線對地間隙的矛盾突出，常有對地開方、砍伐樹木等現象，隨著低碳電網的發展，這種現場越來越得不到認可。

本文根據山區塔位邊坡陡峭、植被茂盛等特點，以黎平～桂林I、II回500kV緊湊型輸電線路為工程依托，探討500kV緊湊型耐張塔塔型優化的可行性，提出優化措施，達到節約投資、減少樹木砍伐和土石開方，維護生態環境的目的，給后續500kV緊湊型線路耐張塔塔型設計提供參。

1 工程概況

黎平～桂林I、II回500kV緊湊型輸電線路位于貴州省、廣西區境內，沿線約半數為高山大嶺，其次為一般山地，平地很少，植被茂盛，森林覆蓋率高。導線采用6× LGJ-300/40，基本風速為27m/s，海拔基本在1000m以下，不同工況下的空氣間隙見表1。

表1 空氣間隙值

耐張塔塔型見圖1，耐張串長約8m，跳線串長約4.8m。

圖1 現有緊湊型耐張塔示意圖

2 現有緊湊型耐張塔塔型優化的可行性分析

我國現有500kV緊湊型線路耐張轉角塔為三層結構型式，見圖1。耐張塔塔身附近的線路對地距離由下導線跳線控制。而下橫擔只是起到懸掛下導線跳線的目的，其所受負荷較小，如將下橫擔取消，對耐張塔的受力改變不會有較大影響，而下導線跳線需要尋求另外的支撐懸掛點。

根據耐張塔塔型結構特點，為解決緊湊型耐張塔跳線對地距離控制的問題，本文對緊湊型耐張塔塔型優化提出如下措施：取消下導線跳線橫擔，上、下導線的跳線共用上橫擔，研究上、下導線的聯合跳線串，達到提升下相跳線的目的。

3 塔型優化措施

3.1 取消下橫擔

以黎平～桂林I、II回500kV輸電線路工程的JJ2型轉角耐張塔為例，進行優化，取消下橫擔后的塔型見圖2。

圖2 優化后的緊湊型耐張塔示意圖

3.2 聯合跳線串的研制

聯合跳線串懸掛兩相跳線，可分為Y型(上相為V型，V串夾角為70°，下相為I型)和I型(上、下相均為I型)兩種型式，需同時滿足對地間隙及相間間隙，通過絕緣配合設計，確定上相絕緣子串等效垂直串長取4.8m，下相串長取7m。

聯合跳線串上、下兩串之間的連接部分(聯合跳線線夾)為非標準金具，目前國內外尚無相關產品。對其進行合理的空間結構設計，避免均壓、跳線、配重及跳線懸垂線夾夾頭之間相碰，見圖3。

圖3 聯合跳線線夾示意圖

按照設計要求，組裝完成后的聯合跳線串見圖4。

圖4 聯合跳線串示意圖

3.3 聯合跳線串的風偏擺動研究

聯合跳線串長將兩相跳線串合為一串，增長后的跳線串能否滿足各種工況下對鐵塔空氣電氣間隙的要求是優化研究的重點，因此，應首先研究聯合跳線串的風擺擺動。聯合跳線串主要受以下幾個方面的作用力：

(1)聯合跳線串自身重力。一般來說，為了控制跳線的風偏擺動，在跳線線夾上加以重錘片。

(2)聯合跳線串所受風力。跳線絕緣子串所受風力由風速和受風面積決定，其中受風面積由合成絕緣子受風面積和金具受風面積組成，而合成絕緣子受風面積由合成絕緣子的芯棒長度、芯棒大小、傘裙形狀、傘裙大小及傘裙數量決定。一般情況下，同樣長度的金具受風面積大于合成絕緣子受風面積。

(3)聯合跳線串所受跳線作用力。聯合跳線串受到上、下兩相跳線的作用力，有跳線重力對跳線串施加的作用力、跳線風荷載對跳線串施加的作用力及跳線張力對跳線串施加的作用力：

綜合考慮以上作用力，得出聯合跳線串在基本風速為27m/s時，不加重錘或加上14片重錘(約2993N)的風偏擺動情況，見表2。

表2 跳線串風偏擺動情況

通過表2的偏移角計算可知，在相同條件下，Y型聯合跳線串的偏移量約為I型聯合跳線串的49%，綜合考慮聯合跳線串對鐵塔鋼材量的要求、絕緣子串本身的費用及運行可靠性，為限制跳線串的擺動，推薦采用Y型聯合跳線串，加滿14片重錘的方式。

3.4 聯合跳線串對鐵塔空氣間隙的校核

校核聯合跳線串對鐵塔的空氣間隙，主要是要研究在不同工況下，聯合跳線對塔身的間隙是否滿足要求，由表1可知，跳線間隙主要由大風工頻電壓和帶電作業工況間隙要求值控制。

本文對鐵塔、絕緣子串及跳線進行三維建模，充分考慮耐張塔的不同轉角角度(0°、30°、60°及90°)和耐張串的不同傾角(15°、0°、-15°及-10°)，計算大風工頻電壓和帶電作業工況下的聯合跳線對塔身的最小空氣間隙。結果表明：①緊湊型耐張塔的聯合跳線對塔身間隙，在大風工況下的最小值為4.74m，在帶電作業下的最小值為5.5m，滿足設計要求；②聯合跳線對鐵塔的空氣間隙由下相跳線控制，這是因為下相跳線附近的鐵塔塔身較寬，下相跳線串為I型絕緣子串的緣故；③耐張塔轉角度影響跳線間隙大小，耐張塔轉角度數為0°時，跳線對鐵塔空氣間隙值最??；④耐張串下傾角影響跳線間隙大小，耐張串的下傾角越小，跳線間隙值越小。

4 社會經濟性效益分析

和優化前相比，優化后的緊湊型耐張塔取消了下橫擔，設計了聯合跳線串，有效地提升了下相跳線的高度約4.5m，達到降低塔高，減少樹木砍伐及土石開方的目的，見圖5。

圖5 優化后可提升的跳線對地高度

本文對優化后的緊湊型耐張塔從本體投資及走廊費用(樹木砍伐、因跳線對地電氣距離不夠引起的開方)來進行社會經濟效益分析。

4.1 經濟效益分析

(1)本體費用分析

通過對取消下橫擔引起的塔材變化、設計聯合跳線串引起的金具絕緣子變化及可降低塔高帶來的塔材變化等三方面進行詳細計算分析，得出本體費用變化見表3，優化后的緊湊型耐張塔具有較好的經濟性。

表3 可節約的本體費用

(2)走廊清理費用分析

隨著社會環保意識的日益增加，輸電線路施工中采用的開方、樹木砍伐措施越來越不被認可，因此不得不采取升高耐張塔的措施，增加了線路造價。而由于耐張塔本身塔高的限制，有時不得不采取開方、樹木砍伐。通過對緊湊型耐張塔進行塔型優化，提升跳線高度，可有效地減少樹木砍伐及土石開方，可節約的費用見表4。

表4 可節約的走廊清理費用

(3)工程應用舉例說明

以黎平～桂林I、II回500kV緊湊型輸電線路為例，根據工程實際情況，分別統計可降低塔高、可避免樹木砍伐及可避免跳線開方的耐張塔數量，并計算出可節約費用，見表5。

表5 可節約費用的耐張塔統計

表5為長度327km的單回緊湊型線路的統計值，可節約投資共482.44萬元，平均每公里1.48萬元。

4.2 社會效益分析

本文研究成果可有效的減少緊湊型耐張塔的鋼材使用量、樹木砍伐量和土石開方量。因而可節約鋼材所消耗的鐵礦石7.8t、標準煤3.6t、電量1787kW、新鮮水25.85t和運輸里程1124km，同時減少二氧化碳排放量11.24t、污水排放量11.24m3、煙粉塵排放量5.62kg和二氧化硫排放量10.11kg；優化后的單基緊湊型耐張塔可減少樹木砍伐約3002，每年可吸收二氧化碳約110t；優化后的單基緊湊型耐張塔可減少土石開方約617.05m3，有效的保持了塔位附近的地形、植被原貌。

綜上所述，本課題成果有效的減少資源消耗，維護了生態環境，為發展低碳經濟也做了貢獻，符合低碳電網的要求。

5 總結

本文針對現有緊湊型耐張塔存在的缺點，對取消下導線跳線橫擔、降低桿塔高度的可行性及設計方案進行研究，優化緊湊型耐張塔塔頭結構；設計研究聯合跳線串及非標金具；計算校核聯合跳線對耐張塔的空氣間隙；結合工程實例分析優化成果帶來的經濟性。結論如下：

(1)優化后的緊湊型耐張塔可提升下相跳線高度約4.5m，從而達到降低塔高，減小樹木砍伐及跳線開方的目的。

(2)研究Y型聯合跳線串和I型聯合跳線串的風偏擺動情況，綜合考慮聯合跳線串對鐵塔鋼材量的要求、絕緣子串本身的費用及運行可靠性，為限制跳線串的擺動，推薦采用Y型聯合跳線串。

(3)優化后的緊湊型耐張塔的聯合跳線滿足設計要求。

(4)以黎平～桂林I、II回500kV緊湊型輸電線路為例，分別統計可降低塔高、可避免樹木砍伐及可避免跳線開方的耐張塔數量，計算得出平均每公里可節約1.48萬元，對于長距離輸電的緊湊型輸電線路來說，有較為明顯的經濟效益。

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