復合橫擔在1 000 kV特高壓交流輸電雙回路鐵塔中的應用探討

吳　昊，孫珍茂，劉　勇

(四川電力設計咨詢有限責任公司，成都　610016)

根據系統規劃，在“十三五”期間我國將建成由多條交流1 000 kV線路組成的骨干網架。現有的1 000 kV桿塔均采用全鋼制結構，鋼材存在質量重、易銹蝕或開裂、低溫性差等缺陷，在特殊的環境下還存在線路走廊寬、施工運輸和運行維護困難等問題。復合材料具有強度高、質量輕、耐腐蝕、加工容易、可設計性和絕緣性能良好等優點 ，越來越受重視。隨著復合材料技術及其制造工藝的發展，將復合材料應用于輸電桿塔橫擔已成為可能。輸電線路鐵塔的橫擔部分采用復合材料，將有效提升電網的安全性能，大幅削減風偏閃絡、覆冰等事故損失和維護費用，大幅降低工程造價的同時節約大量土地資源，實現低碳經濟發展。

國網公司2009年啟動的試點工程只在10 kV和35 kV線路上采用全復合材料桿，在110 kV和220 kV線路上則是采用的復合材料橫擔。除復合橫擔外，國內還有采用110 kV復合塔頭的試點工程。目前，復合橫擔鐵塔試點的最高電壓等級為“新疆與西北主網聯網750 kV第二通道工程”使用的復合橫擔塔，所以開發1 000 kV復合橫擔新塔型對于1 000 kV特高壓電網的安全、可靠運行，提高1 000 kV輸電線路設計和裝備水平，具有重要意義。

為加強1 000 kV線路創新技術的研究和應用，進一步提高線路的安全和經濟性，需在復合橫擔等新技術方面進行深入研究。

1　復合橫擔鐵塔的塔頭尺寸設計

復合橫擔鐵塔塔頭尺寸主要依賴于電氣耐壓性能、空氣間隙要求以及電磁環境限值等因素。

1.1　塔頭空氣間隙要求

根據1 000 kV同塔雙回輸電線路桿塔一般結論，普通鐵塔的塔頭尺寸，特別是橫擔寬度，受絕緣子串風偏后對塔身的空氣間隙控制，一般為16～20 m。如果采用復合橫擔，導線直接或經過短金具串與橫擔端部掛點相連，在鐵塔上幾乎不存在絕緣子串風偏，當復合橫擔寬度大于各種情況下的空氣間隙要求值時，可以認為導線對鐵塔塔身的空氣間隙滿足要求。

經計算，當復合橫擔鐵塔懸掛金具串長取3 m時，只要復合橫擔結構長度大于8.3 m時，導線對塔身的空氣間隙便能滿足要求，由空氣間隙決定的上層橫擔寬度約為10.8 m，較普通鐵塔橫擔寬度14.0 m縮短約3.2 m。

1.2　復合橫擔耐壓要求

鐵塔采用復合橫擔后，由于取消了線路絕緣子，復合橫擔本身需承受工頻電壓、操作沖擊電壓及雷電沖擊電壓。由于目前尚缺乏1 000 kV復合橫擔電氣試驗研究，本報告參照750 kV交流輸電線路復合橫擔電氣試驗研究成果，對1 000 kV線路采用的復合橫擔電氣性能進行分析推斷。

操作過電壓要求的線路絕緣子串正極性操作沖擊電壓波50%放電電壓U50應符合：

U50≥K1·US

式中US——線路相對地統計操作過電壓，kV；K1——線路絕緣子串操作過電壓統計配合系數，取1.25。

若操作過電壓倍數取電壓標系值的1.6、1.7，系統最高運行電壓取1 100 kV時，正極性操作沖擊電壓波50%放電電壓U50分別為1 796 kV和1 909 kV。

一般來說，雷電過電壓與運行電壓無直接關系，在特高壓系統中，由于輸電線路本身的外絕緣水平很高，對外絕緣設計而言，雷電過電壓不起決定作用。在雷電過電壓下，絕緣子串仍應滿足一定耐雷水平。經計算，1 000 kV同塔雙回輸電線路單回跳閘耐雷水平一般在190～249 kA，雙回跳閘耐雷水平一般在296～400 kA；出現這種雷電流的概率是很小的(數量級0.1%及以下)，發生雷電反擊閃絡概率極低。因此，在復合橫擔尺寸的選取上，不以耐受雷擊過電壓作為控制條件。

中國電科院對750 kV復合橫擔真型塔頭進行操作沖擊及雷電沖擊試驗。試驗結果：當復合橫擔端部到橫擔與塔身聯接處長度為8.3 m時，操作沖擊放電電壓為2 015 kV。對1 000 kV輸電線路，當操作過電壓倍數取電壓標么值的1.7時的操作沖擊耐受電壓要求值為1 909 kV，小于復合橫擔長度8.3 m時的放電電壓。因此，1 000 kV線路復合橫擔長度按普通復合絕緣子干弧距離9 m選擇滿足操作過電壓要求，同時，雷電過電壓對絕緣子串長不起控制作用，因而復合橫擔選擇9 m干弧距離也滿足雷擊過電壓要求。

針對750 kV復合橫擔的工頻污穢耐壓水平，中國電科院也做了相應試驗研究。由試驗結果和數據可知，對于750 kV輸電線路，復合橫擔的絕緣距離及爬電距離與普通線路懸式絕緣子在相同污穢條件下的串長及爬距取值相同，滿足污穢耐受電壓的要求。對1 000 kV輸電線路，仍可參照750 kV的試驗結果，將復合橫擔的絕緣距離及爬電距離取值與普通鐵塔懸垂復合絕緣子一致，輕冰區絕緣子長度不小于9 m，爬距取32 m。由此可見，由電氣耐壓決定的復合橫擔長度大于按空氣間隙要求決定的長度。

因此，在滿足工頻污穢耐受壓、操作沖擊耐受壓及雷擊跳閘率要求的情況下，在Ⅲ級污穢區，初步推斷復合橫擔絕緣距離取為9 m，爬距取為32 m，考慮橫擔與塔身及導線聯接金具及屏蔽環，復合橫擔的結構長度值最小可取為11 m。

1.3　復合橫擔長度對電磁環境的影響

按照1 000 kV普通雙回路鐵塔層高取19 m的情況下，對比計算復合橫擔鐵塔在不同橫擔寬度下的電磁環境影響參數。

按照復合橫擔電氣耐壓決定的復合橫擔結構長度為11 m，加上鐵塔自身寬度，滿足電氣耐壓的最小橫擔寬度自上層到下層分別為13、13.7、14.4 m。

導線表面場強、無線電干擾、可聽噪聲的計算見結果表1、表2、表3。

表1　導線表面場強(逆相序)

表2　無線電干擾結果 　dB

表3　可聽噪聲結果　dB

從表1可以看出，橫擔越短上下相導線表面場強越大，電暈損耗越大，中相導線表面場強越小，電暈損耗越小。但最短12 m的橫擔仍能滿足電暈損耗的要求(一般要求Em/Em0<0.8，見導地線選擇報告)。從表2可看出，橫擔越短無線電干擾水平越大，當層高為19 m時，最短12 m的橫擔仍能滿足58 dB的限值要求。從表3可看出，橫擔越短可聽噪聲水平越大，當層高取19 m時，最短12 m的橫擔仍能滿足55 dB的限值要求。

改變層高及橫擔寬度，計算了可聽噪聲值，如圖1所示。

圖1　可聽噪聲計算曲線

由圖1可知，雙回路桿塔層高越小，可聽噪聲越大；橫擔寬度越大，可聽噪聲越小；按照滿足可聽噪聲限值55 dB的要求，當橫擔寬度取13 m時，桿塔層高應大于18 m。當橫擔寬度取12 m時，桿塔層高應不小于19 m。層高取值為16 m和17 m時，16 m的橫擔寬度也無法滿足可聽噪聲限值要求。若從盡可能壓縮走廊的角度考慮，當上層橫擔寬度取值小于13 m時，應加大層高，同時需增加一定長度的懸垂絕緣子串補充絕緣。

地面場強與層高及橫擔寬度的關系分別如圖2、圖3所示。

圖2　上橫擔寬13 m時地面場強曲線

圖3　層高18 m時的地面場強曲線

通過計算結果及計算曲線可得出以下結論。

復合橫擔越寬，相同層高下的可聽噪聲值越小。復合橫擔越寬，按4 kV/m場強控制的線路走廊寬度越寬。層高越大，相同橫擔寬度時的可聽噪聲值越小。層高越大，按4 kV/m場強控制的線路走廊寬度越寬，但層高對走廊寬度的影響較小。按照可聽噪聲限值要求，層高增加1 m。通常情況下，復合橫擔雙回路鐵塔的層高越高，鐵塔越重，會增加投資，同時防雷性能越差，但其所需橫擔寬度越窄，相應線路走廊越窄，減少了房屋拆遷量，會降低投資。因此，在復合橫擔鐵塔設計時，應綜合考慮各方面因素，作出最優的組合。

2　復合橫擔塔優化設計及經濟性分析

2.1　復合橫擔的結構型式

復合橫擔中的受壓構件一般采用空心圓管，而受拉構件可以采用實心圓管和空心圓管兩種。除了采用圓管外，還可以采用D字形空心管，如圖4所示。D字形管與圓管相比與塔身主材相連方便，橫擔斜材也比較容易與D字形管的主材相連，另外，D字形有一個水平面，方便運維階段站人。

圖4　D字形管

復合橫擔由受軸向拉力的拉索和受彎矩和壓力作用的壓管組成，壓桿采用支柱絕緣子，拉桿采用復合絕緣子，壓桿中間設置支撐，如圖5所示。

圖5　復合橫擔結構型式

2.2　優化設計

以1 000 kV交流特高壓輸電線路工程的典型直線塔SZ27103為例，改為復合橫擔塔有三種方案，如圖6所示。

表4　鋼材鐵塔與復合橫擔鐵塔比較

(1)三相均采用復合橫擔，層間距18 m。該塔的地線支架與上橫擔固定在一起，為了簡化防雷措施，地線支架一般不采用復合材料。因此，需將地線支架從上橫擔分離出來，直接與塔身相連。上中下三相橫擔均采用復合材料。本方案的導線層間距取18 m，上中下三相導線距塔中心的距離分別為13、13.7、14.4 m，走廊寬度28.8 m，可將原典型塔的走廊寬度由29.6 m縮小0.8 m。

(2)三相均采用復合橫擔，層間距19 m。本方案的復合橫擔型式與第1種方案完全相同，差別就是增大層間距為19 m，這樣上中下三相距離塔位中心的距離可以減小為12、12.7、13.4 m，走廊寬度26.8 m，比普通塔的走廊寬度29.6 m縮小2.8 m，約縮小了9.45%。

(3)僅下相采用復合橫擔。本方案僅在下相采用復合橫擔。該方案不能縮小線路走廊寬度，但由于下相減少了絕緣子串長度，可以減小塔呼高約8 m，塔全高也降低了8 m。另外地線支架的寬度主要受對下相保護角的控制，下相采用復合橫擔減小了橫擔長度，從而地線支架也可以向塔身靠攏一些。本方案的主要作用是通過降低呼高、從而降低塔本體造價。

圖6　復合橫擔模型示意圖

2.3　復合橫擔塔的經濟性分析

復合橫擔塔若三相均采用復合橫擔，其作用主要是縮小走廊寬度，從而可以減少房屋拆遷量，降低工程造價。復合橫擔塔若僅下相采用復合橫擔，則主要作用是降低塔高，不能縮小線路走廊寬度，是通過降低塔本體造價來降低工程造價。

普通塔與三種方案復合橫擔塔的材料及線路走廊寬度及造價如表4所示。

由表4可以看出，三種方案都能節約工程造價。采用僅下相使用復合橫擔的方案3綜合造價最低，比普通塔節約5.7%；三相都采用復合橫擔、層間距為19 m的方案2造價次低，比普通塔節約3.5%；三相都采用復合橫擔、層間距為18 m的方案1的造價也比普通塔略低。

3　結語

(1)本文在750 kV交流輸電線路復合橫擔

的操作沖擊耐受壓、雷電沖擊耐受壓及人工污穢試驗成果的基礎上，對1 000 kV復合橫擔的長度取值進行了類比分析，從理論上得出了滿足電氣耐壓要求的1 000 kV復合橫擔長度取值。

(2)從滿足電磁環境限值要求入手，定性定量地分析了雙回路復合橫擔鐵塔橫擔寬度、相導線層間距離對電磁環境限值的影響趨勢，由此確定了最優的復合橫擔鐵塔塔頭外型尺寸。

(3)提出了復合橫擔的結構型式，對復合橫擔進行了優化設計，提出了三相均采用復合橫擔、層間距18 m，三相均采用復合橫擔、層間距19 m，僅下相采用復合橫擔等方案。

(4)從桿塔本體造價、房屋拆遷費用等角度對復合橫擔塔進行了技術經濟比較，結果表明采用僅下相使用復合橫擔的方案綜合造價最低；三相都采用復合橫擔、層間距為19 m的方案造價次低；三相都采用復合橫擔、層間距為18 m的方案最高，但也比普通塔略低。

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