分體式懸垂轉角塔在1000kV雙回輸電線路中的應用

胡選，鐘小江，康東升，彭謙

(國核電力規劃設計研究院，北京市，100032)

0 引言

隨著國民經濟的發展，城市和鄉鎮的規模不斷變大，土地資源也日益寶貴，輸電線路的走廊獲取越來越困難，轉角塔的使用比例也越來越高，根據有關統計資料，1995年以前500和220kV線路的平均耐張段長度為8 km左右，2005年時平均耐張段長度為5 km左右，目前大部分工程的平均耐張段長度為3 km左右。

輸電線路的轉角塔承擔著轉角、定線、承受導地線張力和調整塔高等重要功能，因承受導、地線張力和角度荷載，其塔材、基礎及附屬的絕緣子、金具、跳線等材料的數量和規格都遠高于直線塔，因此，做好轉角塔型式的規劃，對保證工程安全與可靠性，降低工程造價具有至關重要的作用。

在線路設計中，當轉角度數較小時常使用直線塔兼角或使用直線轉角塔代替耐張塔，以降低工程造價。當線路轉角度數較大時受搖擺角限制，使用常規的直線轉角塔無法替代轉角塔，當線路耐張段較短、轉角較多時，線路的單位造價就會顯著增加。為節約成本、降低工程造價，本文在保證滿足電氣間隙的條件下，借鑒“皖電東送”淮南—上海1000kV線路設計中應用的分體式轉角塔設計經驗，規劃設計了分體式懸垂轉角塔，為未來推廣應用積累經驗。

1 分體式懸垂轉角塔型式

由于轉角塔的塔頭尺寸較大、間隙比較復雜、絕緣子數量多、受風面積大，所以如何在滿足電氣間隙的條件下，結合塔頭受力特點盡可能地壓縮塔頭尺寸，將對減輕鐵塔單重起到重要影響。不同的塔頭間隙布置方式決定了鐵塔塔身型式的選擇，而合理地選擇塔身斷面，優化塔身斜材布置、隔面的選擇及確定最佳塔身坡度等都對降低塔重、控制造價有著重要的意義。

目前國內外實際建成的1000kV及以上等級的特高壓輸電線路尚不多見。我國晉東南—南陽—荊門1000kV單回特高壓線路采用自立式干字型轉角塔和分體式轉角塔;前蘇聯建成的1 150kV單回特高壓輸電線路，由于不受土地資源限制，采用三聯柱耐張塔型以降低塔重;日本建成的1000kV雙回特高壓輸電線路，因土地資源緊缺、征地費用很高，采用鼓型鋼管耐張塔;其他如美國、意大利等國家尚處于試驗研究階段［1］。

我國在“皖電東送”淮南—上海1000kV線路設計中，雙回路轉角塔采用了鼓型轉角塔和分體式轉角塔2種形式，鼓型轉角塔與日本1000kV線路采用的轉角塔相似，分體式轉角塔如圖1所示。

圖1 “皖電東送”1000kV線路設計的分體式雙回路轉角塔Fig.1 Separate double-circuit angle tower in 1000kV transmission line from Huainan to Shanghai

本文借鑒“皖電東送”設計的1000kV線路分體式雙回路轉角塔的設計經驗，規劃設計了分體式懸垂轉角塔，該塔采用分塔掛線并利用懸垂串代替耐張串，在轉角度數較大時，鐵塔前后兩側導線張力沿轉角內角方向的合力可將導線絕緣子串拉到足夠的偏角，使其滿足電氣間隙的要求，如圖2所示。

圖2 分體式雙回路懸垂轉角塔Fig.2 Separate double-circuit suspension angle tower

分體式懸垂轉角塔通過分塔掛線，在線路轉角度數較大時利用電線張力拉起導線絕緣子串的手段，取消了導線橫擔，改善了鐵塔受力條件，減小了導、地線縱向荷載對塔身的扭矩;同時該塔取消了跳線串，減少了絕緣子數量，簡化了塔頭間隙設計，便于施工和運行維護。

2 分體式懸垂轉角塔規劃及校驗

2.1 塔頭間隙規劃

轉角塔的塔頭間隙規劃，實質上是按工頻電壓、操作過電壓及雷電過電壓確定的間隙距離，并計及跳線的風偏擺動來確定塔頭處不同相導線的掛點位置、跳線方法、跳線的線長弧垂以及塔頭幾何外形及尺寸。

分體式懸垂轉角塔的塔頭間隙規劃，是在考慮導線張力的影響下計算出導線絕緣子串在各種工況下的風偏角，并計及鐵塔出口處導線弧垂的影響，得出滿足電氣間隙的最小塔頭尺寸。

設φ為導線絕緣子串風偏角，PI為導線絕緣子串風荷載，GI為導線絕緣子串垂直荷載，P為相應工況下的導線風荷載，Wl為導線自荷載，lh和lv分別為水平檔距和垂直檔距，T為相應工況下的導線張力，則有

據此可算出不同轉角度數、不同工況時的導線絕緣子串風偏角，見表1。

表1 導線絕緣子串風偏角(450m檔距時)Tab.1 Wind angle of conductor insulator(450m span)

由表1可知，當線路轉角度數較小時，鐵塔前后兩側導線張力沿轉角內角方向的合力不足以將導線絕緣子串拉到足夠的偏角，此時為滿足電氣間隙的要求，須加裝較長的導線橫擔，而導線橫擔的加長使鐵塔受力條件變差，增加了塔重，故當線路轉角度數較小時(小于20°時)不適宜采用分體式懸垂耐張塔。根據表1的計算結果，可作出分體式懸垂轉角塔的間隙圓和單線圖，從而確定塔頭間隙。

2.2 脫冰跳躍和舞動對層間距離的影響

在滿足電氣間隙的情況下，雙回路塔上下兩相之間的垂直距離越小，鐵塔重量越輕，經濟性越好，但兩相之間的垂直距離小到一定程度之后，在導線脫冰跳躍和舞動等情況下，會由于相間距離過小而發生相間閃絡［2］。

根據文獻［3］規定，1000kV線路相間空氣間隙由相間操作過電壓數值確定，相間間隙操作沖擊50%放電電壓為

根據文獻［3］給出的相間間隙放電特性可知，1000kV線路相間最小間隙可取為8.8m。

《1000kV架空輸電線路設計規范》(送審稿)規定，相鄰上下2相之間水平位移取1m，當相間最小間隙為9m，上、中、下垂直排列的相導線布置方式時，計算得到的滿足導線脫冰跳躍和舞動的最小層間距離見表2。

表2 滿足脫冰跳躍和舞動的最小相間垂直距離Tab.2 Minimum phase-to-phase vertical distance meeting ice-shielding and gallopingm

本次規劃的分體式懸垂轉角塔，相鄰兩相之間的垂直距離取21m，完全可以滿足導線脫冰跳躍和舞動時相間間隙的要求。

為防止覆冰脫落時由于跳線跳躍而引發相間閃絡，《1000kV架空輸電線路設計規范》(送審稿)規定:對1 000m以下檔距，當三相導線垂直排列時，相間垂直距離可按下式的計算值選取，且不小于16m。

式中:ki為懸垂絕緣子串系數;D為導線水平線間距離，m;Lk為懸垂絕緣子串長度，m;U為系統標稱電壓，kV;fC為導線最大弧垂，m。

在檔距為1 000m時，式(3)的計算結果為14.3m，小于16m。由此可見，當垂直相間距離為21m時，可以很好地滿足覆冰跳躍的影響。線路的實際運行經驗表明，當線路的垂直相間距離按式(3)選取時，沒有發生過由于覆冰跳躍而引起的相間閃絡故障。

2.3 電磁環境

特高壓線路的電磁環境與導線布置方式、塔頭尺寸、回間距離有重要的關系［4］。根據國家環保總局有關文件要求，1000kV線路工程工頻電場控制值:在跨越公路、鐵路、水運等交通干線及對電磁環境要求較高的有人員活動的區域為7kV/m，其他地區為10kV/m;工頻磁場限值為100 μT;可聽噪聲限值距離邊導線20m處為55 dB(A);無線電干擾限值距離邊導線20m處為55 dB(μV/m)。本文設計的分體式懸垂轉角塔層間距離取21m，回間距離取36m，其各項電磁環境指標如表3所示。

表3 分體式懸垂轉角塔電磁環境計算結果Tab.3 Electromagnetic condition result for separate suspension angle tower

電磁環境的計算結果表明，本工程設計的分體式懸垂轉角塔各項指標均滿足電磁環境限制的要求。

2.4 線路轉角度數

當線路轉角度數較大時，如果分體式懸垂轉角塔2個單塔之間的距離過近，位于線路轉角內側的單塔與掛在線路轉角外側單塔上的導線有可能相碰或電氣間隙不滿足要求。

位于線路轉角內側的單塔與掛在線路轉角外側單塔上的導線之間的電氣距離與線路轉角度數、絕緣子串長度和風速風向有關，計算結果表明:當轉角度數為20°～60°時，分體式懸垂轉角塔的2個單塔之間距離取36m，當轉角度數在60°以上時，2個單塔之間的距離取39m，可保證線路轉角內側的單塔與掛在線路轉角外側單塔上導線之間的電氣距離滿足要求，如圖3所示。

2.5 絕緣子串和金具

分體式懸垂轉角塔同時具有直線塔和轉角塔的特點，導線絕緣子串與鐵塔的連接方式與直線轉角塔相似，塔頭尺寸由絕緣子串的搖擺角決定，采用懸垂連接方式時，絕緣子串連接順直、結構簡單、受力清晰、安裝施工便捷，因此分體式懸垂轉角塔推薦采用懸垂連接方式。

圖3 分體式懸垂轉角塔布置Fig.3 Arrangement of separate suspension angle tower

式中:k為安全系數;n為導線分裂根數;Tp為導線最大使用張力;α為線路轉角度數。

結合1000kV特高壓工程特點，推薦采用三聯550 kN的合成絕緣子。經計算，絕緣子串可用于86°以下轉角。絕緣子串與塔身雙掛點連接，掛線聯板通過平行掛板與三變二聯板相互作用使各聯絕緣子均勻受力，如圖4所示。

分體式懸垂轉角塔的懸垂串具有轉角的功能，直接承受線路的角度力，其強度為

圖4 絕緣子串的平衡受力設計Fig.4 Design of balance force for insulator string

考慮到風荷載作用形成的扭矩將集中作用在聯塔掛板上，設計時在聯塔掛板后面增加了2個相互嵌套的U形環，掛點金具采用GD耳軸掛板，如圖5所示。

圖5 GD掛板與U型環連接結構Fig.5 Joint configuration of GD socket eye and U-type shackle

當線路前后兩基塔高差較大時，導線絕緣子串一側上拔，另一側下壓，這時連接懸垂線夾的掛線聯板將受到一個扭轉的力，從而發生扭轉，設計時在掛線聯板和每聯線夾之間加一球頭掛環與碗頭掛板，利用絕緣子球頭與碗頭可以繞軸線360°旋轉的特性來解決，如圖6所示。

圖6 大高差時聯板結構組裝圖Fig.6 Installation of yoke plate for high distance

考慮到分體式懸垂轉角塔使用的懸垂線夾導線出口角度大，懸垂線夾的出口角取60°，線夾船體線槽的曲率半徑不小于導線直徑的35倍，線夾與懸垂聯板組裝后能自由旋轉±15°。

線路正常運行時鐵塔前后側的張力差可達導線最大使用張力的11%左右，為此線夾設計時其對導線的握力不小于導線計算張力的18%，以確保運行時導線不會在線夾中滑動;由于分體式懸垂轉角塔的懸垂線夾本身需承受導線張力，要求線夾本身的破壞強度不小于200 kN。

懸垂線夾在安裝時只能加裝鋁包帶對導線進行保護。由于導線的彎曲角度較大，不適合采用護線條。懸垂線夾外表面圓滑過渡，自身防電暈。

2.6 防雷設計

對于1000kV特高壓線路，由于其絕緣子串長、50%沖擊放電電壓與反擊耐雷水平較高，能夠導致線路閃絡的雷電流出現概率較低，反擊跳閘率極低，直擊雷并不是特高壓線路的主要問題，造成雷擊跳閘的主要原因為繞擊［5-10］。

對于分體式懸垂轉角塔，降低繞擊率主要涉及地線對檔中導線的保護，可通過調整相導線和地線在鐵塔上的布置，實現地線對導線的負保護。考慮到分體式懸垂轉角塔的絕緣子串在導線張力和風荷載的作用下會上下擺動，地線對導線的負保護要考慮導線向上擺動的最大角度，轉角外側的單塔地線橫擔不需加長即可實現地線對導線的負保護，轉角內側的單塔可通過加長地線橫擔來實現。

根據分體式懸垂轉角塔導線絕緣子串搖擺角計算結果可求得，在線路轉角為20°時，導線懸垂串在垂直方向上的投影為14m左右;在線路轉角為80°時，導線懸垂串在垂直方向上的投影為6m左右。由于分體式懸垂轉角塔地線支架的高度比鼓型耐張塔的地線支架低4～6m，在相同使用條件下，分體式懸垂轉角塔整塔比鼓型塔高6～8m，防雷計算結果表明兩者的耐雷水平基本相當。

分體式懸垂轉角塔和鼓型耐張轉角塔繞擊率計算值見表4。從表4可以看出，在平地時分體式懸垂轉角塔的繞擊跳閘率比鼓型塔略高;在丘陵地區兩者相當;在山區時分體式懸垂轉角塔的繞擊跳閘率比鼓型塔略低。總的來講，兩者處于同一水平線上。

表4 雷電繞擊率Tab.4 Shielding failure rate under thunderbolt

2.7 走廊寬度和線路占地

輸電線路走廊要求由2部分組成，即邊線之間的距離和邊線外的走廊要求。依據1000kV交流輸電線路設計暫行技術規定，線路臨近民房時，房屋所在位置離地1.5m高處最大未畸變場強不應超過4kV/m。線路設計時導線最小對地高度和邊線外走廊寬度由地面場強限值決定，其中1000kV交流線路對地距離(非居民區)按21m控制［11］。

根據電磁環境計算結論，分體式懸垂轉角塔滿足電磁環境的走廊寬度為76.0m，鼓型耐張塔滿足電磁環境的走廊寬度為74.6m，單柱組合耐張塔的走廊寬度比鼓型塔約大1.6m，兩者的走廊寬度相當。

分體式懸垂轉角塔采取兩回路分塔掛線的形式，其占地面積比鼓型塔有所增加。按輸電線路技經定額的有關規定，在鐵塔征地時僅計算鐵塔根開(考慮外延后)內的面積。對于分體式懸垂轉角塔，由于兩基塔在一起，中心之間相距36m，受實際協議情況的影響，可能要求聯合在一起來計算征地面積。表5給出了不同計算方法下分體式懸垂轉角塔和鼓型塔的征地面積。表中占地面積計算值考慮了基礎外延1m，對于分體式懸垂轉角塔為兩塔的合計值。對于分體式懸垂轉角塔，兩塔間距36m、根開18m、基礎寬1m、外延1m，則聯合占地面積為1 378m2。

表5 鐵塔占地時的征地面積Tab.5 Occupation area of tower

由表5可知，對于分體式懸垂轉角塔(呼高42m)，若僅計算鐵塔占地面積，比鼓型塔增加278m2;若計算聯合占地面積，比鼓型塔增加574m2。以鐵塔占地畝價4萬元計算，每基塔約增加3.4萬元征地費用。

從線路走廊寬度和占地角度分析，分體式懸垂轉角塔比鼓型塔的走廊寬度寬約1.6m，兩者基本相當，分體式懸垂轉角塔的占地面積比鼓型塔占地面積有所增加，征地費用略有增加，但鐵塔占地范圍在走廊范圍之內，對線路整體影響不大。

3 不同轉角塔的比較

分體式雙回路耐張轉角塔通過分塔掛線、優化跳線布置方案等，有效減小了塔頭尺寸、降低了塔頭高度、降低了塔重;分體式懸垂轉角塔對塔頭布置方式做了進一步的優化，使用結構優化的懸垂串代替導線耐張串，節約了一半的絕緣費用，取消了導線跳線串，使塔頭間隙更加簡單明了，便于施工和運行維護。

與傳統鼓型耐張轉角塔相比，分體式懸垂轉角塔有以下優點:(1)塔重較輕。與普通鼓型塔相比，同呼高下的單基塔重量比鼓型塔降低35%左右。(2)取消橫擔。取消橫擔后，導、地線縱向荷載對塔身的扭矩大為減小，顯著提高了鐵塔的抗扭性能。(3)單塔根開小，便于塔位選擇和基礎選型。因為塔高降低、橫擔取消、導線荷載分由2個主塔承受，單個主塔根開僅為10m左右，對地形、地質條件的適應性大大增強。基礎混凝土用量及土方量小，施工方便。

以呼高42m的Ⅲ型轉角塔為例，在可塑、無水、粉質粘土的地質條件下分體式耐張轉角塔、分體式懸垂轉角塔和鼓型耐張轉角塔相應的基礎見表6。從表6可知，分體式懸垂轉角塔比分體式耐張轉角塔基礎費用節省約9.0%，比鼓型塔基礎費用略高。

(4)主材均采用單角鋼。鼓形轉角塔由于鐵塔高度高、導地線橫擔長，由導、地線引起的彎矩、扭矩因塔高和橫擔長度的增加而相應成倍地增長，桿塔自身的風振系數也隨之增長，角度較大的轉角塔需要使用雙組合角鋼甚至鋼管才能滿足荷載要求。隨著大肢寬角鋼的推廣和應用，分體式懸垂轉角塔使用單角鋼就能滿足荷載要求。

表6 不同轉角塔型基礎對比表Tab.6 Foundation contrast of different angle towers

(5)分體式懸垂轉角塔的單塔相互獨立，施工時各塔可以同時作業，利于縮短工期、保證質量。

以呼稱高度為42m的Ⅲ型塔為例，鼓型轉角塔、分體式耐張轉角塔與分體式懸垂轉角塔的綜合情況見表7。由表7比較結果可知，相同條件下分體式懸垂轉角塔比鼓型轉角塔造價低約38.4%，比分體式耐張轉角塔造價低約28.6%，采用分體式懸垂轉角塔能有效降低工程投資。

表7 不同轉角塔型對比表Tab.7 Contrast table of different angle towers

4 結論

(1)借鑒“皖電東送”1000kV線路分體式雙回路轉角塔的設計經驗，規劃設計了分體式懸垂轉角塔，該塔采用分塔掛線并利用懸垂串代替耐張串，在轉角度數較大時，鐵塔前后兩側導線張力沿轉角內角方向的合力可將導線絕緣子串拉到足夠的偏角，使其滿足電氣間隙的要求。

(2)從塔頭間隙規劃、脫冰跳躍和舞動對層間距離的影響、電磁環境影響、轉角度數對回間距離的影響、絕緣子串和金具設計、防雷設計、走廊寬度和線路占地計算等方面對分體式懸垂轉角塔進行了設計規劃和校驗，滿足了設計要求。

(3)與傳統鼓型耐張轉角塔相比，分體式懸垂轉角塔在塔重、抗扭性能、基礎選型、主材選擇、施工作業方面都具有無可比擬的優勢，且分體式懸垂轉角塔使用懸垂串代替耐張串，取消了跳線串，減少了絕緣子數量，簡化了塔頭間隙設計，便于施工和運行維護。

考慮到分體式懸垂轉角塔是一種新塔型，不能完全取代耐張轉角的功能且缺少施工運行經驗，推薦懸垂轉角塔與耐張轉角塔交叉使用，以達到延長耐張段長度，節約工程造價的目的，并為未來推廣應用積累經驗。

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