500kV四回路直線塔設(shè)計及其電場仿真研究

國網(wǎng)江蘇省電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院 盧 璐 張建峰 倉 敏 肖 瑩 諸德律

采用同塔四回路設(shè)計，不僅可提高輸電線路的單位面積輸送容量，還可減少土地資源的占用，對緩解電力緊缺的局面具有積極意義。500kV同塔四回路布置使復(fù)合絕緣子的電磁工作環(huán)境更加復(fù)雜。為使復(fù)合絕緣子表面電場分布更加均勻，需在高壓端安裝均壓環(huán)，其作用是降低絕緣子高壓端表面過高的電位梯度，減小最大電場強度，使電場分布趨于均勻，從而提高絕緣子污閃電壓。均壓環(huán)的結(jié)構(gòu)參數(shù)及安裝位置不僅影響絕緣子的電場分布，也影響自身的表面場強[1]。為壓縮線路走廊，復(fù)合材料桿塔開始在高壓輸電線路中應(yīng)用[2]。復(fù)合材料具有重量輕、電絕緣性優(yōu)良等優(yōu)點，可節(jié)約大量的鋼材，縮小塔頭尺寸，避免風(fēng)偏事故。

1 500kV四回路半復(fù)合橫擔(dān)直線塔電場仿真

1.1 500kV四回路復(fù)合橫擔(dān)直線塔設(shè)計

根據(jù)結(jié)構(gòu)布置方式不同，500kV同塔四回路直線塔可采用半復(fù)合橫擔(dān)直線塔和全復(fù)合橫擔(dān)直線塔。半復(fù)合橫擔(dān)直線塔四回路采用水平布置，最外側(cè)兩回路利用復(fù)合材料與橫擔(dān)連接，懸垂串采用I串；內(nèi)側(cè)兩回與常規(guī)500kV雙回路一致，橫擔(dān)采用角鋼，懸垂串采用V型串。相比常規(guī)水平布置500kV四回路直線塔走廊寬度減少約9.2m，塔重減少約8.6%。全復(fù)合橫擔(dān)直線塔采用四回路垂直布置方式，橫擔(dān)采用復(fù)合材料。相比常規(guī)垂直布置500kV四回路直線塔走廊寬度減少約2m，鐵塔高度減少約13m，塔重減少約27%。由于采用復(fù)合材料橫擔(dān)，懸垂串可減少長度。按照不平衡張力不超規(guī)范取值計算，推薦懸垂串總長約1800mm，相比常規(guī)500kV懸垂I串長減少約3900mm。

圖1 500kV半復(fù)合橫擔(dān)直線塔(左)與全復(fù)合橫擔(dān)直線塔(右)

1.2 計算模型

桿塔主體部分為鋼結(jié)構(gòu)，橫擔(dān)部分采用復(fù)合材料。計算中，一相施加電壓為系統(tǒng)最高運行相電壓的峰值， ，其它兩相則為最高運行相電壓峰值的-1/2，即-214330V，考慮模型對稱性，計算時取右側(cè)部分建模計算。500kV同塔四回緊縮型半復(fù)合橫擔(dān)直線塔關(guān)鍵部位均壓環(huán)位置在圖2中給出，其管徑/環(huán)徑/屏蔽深度（mm）分別為：壓管絕緣子55/340/70、拉索絕緣子50/200/70、V型絕緣子兩側(cè)55/400/90。

圖2 復(fù)合橫擔(dān)與V型絕緣子串模型

500kV同塔四回緊縮型半復(fù)合橫擔(dān)直線塔跑道環(huán)的結(jié)構(gòu)尺寸及安裝位置見圖3。跑道環(huán)與復(fù)合橫擔(dān)間距L=320mm，與端部金具相對位置H=204mm，管徑D=50mm，直線部分長C=600mm，圓形部分直徑d=900mm。

圖3 屏蔽環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 計算結(jié)果

對500kV半復(fù)合橫擔(dān)四回路直線塔優(yōu)化后模型計算發(fā)現(xiàn)，Aa相峰值情況下各均壓屏蔽裝置表面場強最高，因此以Aa相為例展示500kV半復(fù)合橫擔(dān)四回路直線塔整體電場分布。其中：復(fù)合橫擔(dān)金具表面電場最大值（峰值）中A相峰值、a相峰值、B相峰值、b相峰值、C相峰值、c相峰值的峰值電壓（kV）分別為428.7/428.7/428.7/428.7/428.7/428.7，電場強度（V/mm）分別為1980/2100/1570/1720/1930/2000；絕緣子傘裙表面電場最大值（有效值V/mm）中各部位Aa相峰值、Bb相峰值、Cc相峰值分別為：壓管絕緣子225/166/201、拉索絕緣子361/280/310、a相V型絕緣子225/210/243、A相右側(cè)V型絕緣子347/210/342、A相左側(cè)V型絕緣子327/261/341。

圖4 A相整體電場分布（左）、a相整體電場分布（右）

可知金具表面最大電場強度為2100V/mm，滿足2300V/mm控制值要求；管型絕緣子傘裙表面場強最大值為361V/mm，V型懸垂絕緣子傘裙表面場強最大值為347V/mm，均滿足工程控制值400V/mm要求。

2 500kV四回路全復(fù)合橫擔(dān)直線塔電場仿真

2.1 計算模型

圖5 復(fù)合橫擔(dān)和屏蔽環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖

桿塔主體部分為鋼結(jié)構(gòu)，橫擔(dān)部分采用復(fù)合材料，建立仿真模型。跑道環(huán)與端部金具中心位置間距H=950mm，管徑R=50mm，均壓環(huán)長L=1760mm，均壓環(huán)寬W=1170mm，彎曲部分半徑Rr=400mm，屏蔽深度100mm。

2.2 計算結(jié)果

對500kV全復(fù)合橫擔(dān)四回路直線塔計算結(jié)果優(yōu)化后模型計算發(fā)現(xiàn)，Bb相峰值情況下各均壓屏蔽裝置表面場強最高，以b相為例展示500kV全復(fù)合橫擔(dān)四回路直線塔整體電場分布。復(fù)合橫擔(dān)金具表面電場最大值（峰值）中A相峰值、a相峰值、B相峰值、b相峰值、C相峰值、c相峰值的峰值電壓（kV）分別為428.7，電場強度（V/mm）分別為1968/1563/2198/2030/1776/2120；絕緣子傘裙表面電場最大值（有效值V/mm）中各部位A相峰值、a相峰值、B相峰值、b相峰值、C相峰值、c相峰值的峰值分別為：拉索絕緣子（V/mm）263/219/224/199/195/289、壓管絕緣子（V/mm）130/126/162/160/127/164。

圖6 b相整體電場分布、b相絕緣子均壓環(huán)電場分布

可知各相峰值情況下，金具表面整體場強最大值為2198V/mm，滿足控制值2300V/mm要求；各相峰值情況下，絕緣子傘裙表面場強最大值為289V/mm，均滿足控制值400V/mm要求。

綜上，本文通過應(yīng)用復(fù)合材料設(shè)計500kV同塔四回路直線塔，根據(jù)結(jié)構(gòu)布置方式不同分為半復(fù)合橫擔(dān)直線塔和全復(fù)合橫擔(dān)直線塔，并對高壓側(cè)金具和絕緣子傘裙進行電場仿真計算。研究內(nèi)容為城市輸變電500kV同塔四回路建設(shè)提供了依據(jù)。

半復(fù)合橫擔(dān)直線塔四回路采用水平布置，最外側(cè)兩回路利用復(fù)合材料與橫擔(dān)連接，懸垂串采用I串。內(nèi)側(cè)兩回與常規(guī)500kV雙回路一致，橫擔(dān)采用角鋼，懸垂串采用V型串。相比常規(guī)水平布置500kV四回路直線塔走廊寬度減少約9.2m，塔重減少約8.6%；全復(fù)合橫擔(dān)直線塔采用四回路垂直布置方式，橫擔(dān)采用復(fù)合材料。相比常規(guī)垂直布置500kV四回路直線塔走廊寬度減少約2m，鐵塔高度減少約13m，塔重減少約27%；通過合理設(shè)置均壓環(huán)、屏蔽環(huán)尺寸，經(jīng)過電場仿真計算可看出，500kV同塔四回路直線塔高壓端金具和絕緣子傘裙電場均可限制在限值以內(nèi)。