高壓輸電線路鋼管桿“L”形懸垂絕緣子串研究

林泳

（福建博電工程設計有限公司，福建福州 350003）

0 引言

懸垂絕緣子串的安裝方式有垂直安裝、傾斜安裝及多串并聯安裝等，不同安裝方式的應用優勢也有所差別，其中較為常用的是“I”形串和“V”形串［1］。本文研究一種鋼管桿采用“L”形懸垂絕緣子串布置方式，能夠在滿足輸電線路輸入容量的前提下，節約走廊資源，同時能防止污閃、冰閃、雨閃等事故的發生，促進社會經濟良性發展。關于高壓輸電線路懸垂絕緣子串的研究，王欣欣等［1］以跨越高速鐵路輸電線路為例，詳細分析絕緣子串的振顫情況，并提出保證輸電安全性的線路設計措施；張志強等［2］研究典型高壓絕緣子串風荷載體型系數的試驗情況，為合理計算絕緣子風荷載提供了基礎數據；馬野等［3］以高壓輸電線路運檢的實際情況出發，針對輸電線路更換“L”形絕緣子串時的荷載轉移，提出一種新型的更換工具。本文在前人研究的基礎上，分析“L”形懸垂絕緣子串的受力、電壓分布情況，以及夾角選擇，根據“L”串結構及串型規劃的特點提出“L”形串鋼管桿塔頭布置方案，并應用在不同鋼管桿中。本文的創新點在于充分結合“L”形懸垂絕緣子串的基本特性，將其合理地應用在鋼管桿塔頭布置中，突破了過去以“I”形串和“V”形串為主的布置形式，填補高壓輸電線路在該領域的空白，同時比較分析了典型“I”形串與新型“L”形串的走廊寬度，確認該布置方案的可靠性與科學性。

1 “L”形懸垂絕緣子串的特性分析

1.1 “L”形懸垂絕緣子串的受力分析

“L”形懸垂絕緣子串的荷載較為復雜，與垂直荷重、水平荷重、縱向荷重和夾角都存在一定的關聯性。“L”形懸垂絕緣子串在轉角的影響下，其導線連板掛點處的受力呈現出與“V”形絕緣子串存在較大差異的特征。從垂直方向上看，N1是外角側絕緣子串所受拉力；N2是內角側絕緣子串所受拉力；Gz是絕緣子串所受垂直方向上的荷載，包括導線、防震錘和相關金具；α是內側絕緣子串的夾角；β是外側絕緣子串的夾角；Pf是導線受到的橫向風力負載；Pj是導線因出現角度的水平負載［1］。從水平方向上看，I1、I2是導線水平方向上的拉力；θ是導線轉角度的一半；Pj依舊是導線因出現角度的水平負載。兩種絕緣子串所受拉力有所差別，由外角向內角吹時，線路的外側絕緣子串受到的拉力N1最大。以圖1 中垂直方向的受力圖可以看出，“L”形懸垂絕緣子串的α 角側絕緣子串為a 肢，β角側絕緣子串為b 肢，設定a 肢的受力值為F1，b肢的受力值為F2，當兩種受力值為正值時，意味著絕緣子串處于受拉狀態；當兩種受力值為負值時，絕緣子串處于受壓狀態。在順風情況下，“L”形懸垂絕緣子串的b 肢會承受較大壓力；在逆風情況下，“L”形懸垂絕緣子串的a肢會承受較大的壓力。

圖1 “L”形懸垂絕緣子串受力分析圖

1.2 “L”形懸垂絕緣子串的電壓分布

“L”形懸垂絕緣子串采取的安裝方式為傾斜布置，鐵塔橫擔和塔身對其影響較大，電壓分布的整體均衡性較差，需要采用均壓環進行改善。關于絕緣子串中的最末幾片絕緣子，由于對鐵塔橫擔和塔身的對地電容相對較大，該區域的電壓分布較均勻［2］。此外，“L”形懸垂絕緣子串也會對塔頭空間的電場分布及該絕緣子串的電壓分布產生影響。綜合來說，“L”形懸垂絕緣子串的布置方式有利于絕緣子串的電壓分布。“L”形懸垂絕緣子串工頻電壓統計配合系數、操作過電壓統計配合系數都較高，因此空氣間隙也相對較大，但由于“L”形懸垂絕緣子串能夠限制導線風偏擺動，因此在塔頭尺寸方面仍具備優勢。“L”形懸垂絕緣子串的金具設計要保證連接的緊湊性，如果存在下部金具過長的情況，則需要降低絕緣子串的閃絡電壓。

1.3 “L”形懸垂絕緣子串的夾角選擇

“L”形懸垂絕緣子串的夾角會對塔頭尺寸及絕緣子串的受力產生直接影響。通常，其夾角處于70°～120°的范圍內，夾角的大小變化與塔頭中相下部尺寸成正比關系，當夾角較小且風荷也較小時，背風肢絕緣子串處于受壓狀態，但夾角較大時，絕緣子串的受拉力也隨之增大，背風肢絕緣子串在風荷較大的情況下受壓。一般來說，“L”形懸垂絕緣子串夾角的1/2 應當不小于最大風偏角，以免其過度受壓而產生脫落、損傷等問題。基于相關受壓試驗數據，迎風肢絕緣子最大偏移角為9°～11°時，夾角為110°對應的鋼腳應力值較大，而夾角為70°～90°時的應力值則較小［3］。在受壓出現頻率、沖擊效應和電氣間隙等參數達標的情況下，若導線擺動幅度及受壓絕緣子的最大應力限制在允許范圍內，絕緣子串的夾角可減小7°～10°。

2 “L”形懸垂絕緣子串結構及串型規劃

2.1 “L”形懸垂絕緣子串鋼管桿塔頭布置

鋼管桿塔頭是桿塔規劃的重要組成部分，其尺寸與工作電壓、操作過電壓、帶電作業等氣象條件下的絕緣子串的搖擺角角度有關［4］。絕緣子串風偏的角度平均為60°，塔頭橫擔長度主要由導線懸垂絕緣子串風擺的水平距離、對應的安全距離及綜合誤差3個部分組成，其中導線懸垂絕緣子串風擺的水平距離占比達80%，而且安全距離及綜合誤差是設計規范強制要求的值。常規導線絕緣子串由上端聯塔金具、中間絕緣子、下端聯板及金具構成，假設有一種不會擺動的導線懸垂絕緣子串，也就意味著理想情況下，塔頭間隙部分可以扣除因導線懸垂絕緣子串風擺的水平距離部分。根據假定要求重新確定塔頭間隙圓，同時校核其他相關部分的間隙要求發現，塔頭橫擔長度明顯縮短，對于110 kV 橫擔及220 kV 橫擔單側長度較常規的塔形分別減少約1 m、2 m。

2.2 新型“L”形串結構

根據“L”形懸垂絕緣子串桿塔塔頭的布置情況，需選擇一個垂直串與水平串的連接位置。結合典型“I”形串的結構，其中大部分是絕緣子，絕緣子需要起到絕緣的作用，同時它的外部都附帶傘裙，與水平串連接困難［5］，因此選擇在下端元件LJ 聯板上、下2 個掛孔中間增加一個水平串的連接底座，由于LJ 聯板位于高壓端，其電壓基本與導線相當，中間應同樣水平布置絕緣子，一端與LJ聯板上底座相連，另一端固定與塔身預留的連接端，“L”形懸垂絕緣子串的結構示意圖如圖2所示。

圖2 “L”形懸垂絕緣子串的結構示意圖 （單位：mm）

3 “L”形懸垂絕緣子串在高壓輸電線路鋼管桿中的應用

3.1 同塔雙回桿塔

以21SSZG1 雙回鋼管桿為例，在使用條件不變的情況下，分別使用典型“I”形串與新型“L”形串進行對比分析，兩者的桿件應力數據見表1。總體來看，與典型“I”形串相比，采用新型“L”形串時，鋼管桿主桿桿件應力比降低了4%～6%。當同塔雙回桿塔的呼稱高度為27 m 時，典型“I”形串的鋼管桿重量約為18 522.5 kg，新型“L”形串的重量約為17 758.9 kg；當呼稱高度為30 m 時，典型“I”形串的鋼管桿重量約為19 840.4 kg，新型“L”形串的重量約為19 083.6 kg。因此在實際應用時，新型“L”形串的鋼管桿重量明顯比典型“I”形串低，能夠減輕3%～5%的重量。

表1 同塔雙回桿塔典型“I”形串與新型“L”形串桿件應力數據

3.2 同塔四回桿塔

以H24EA22—Z1 四回鋼管桿為例，在使用條件不變的情況下分別使用典型“I”形串與新型“L”形串進行對比分析，兩者的桿件應力數據見表2。總的來看，與典型“I”形串相比，采用新型“L”形串時，鋼管桿主桿桿件應力比降低5%～7%。當同塔四回路鋼管桿的呼稱高度為30 m 時，典型“I”形串的鋼管桿重量約為32 485.8 kg，新型“L”形串的重量約為30 146.8 kg；當呼稱高度為33 m 時，典型“I”形串的鋼管桿重量約為34 349.8 kg，新型“L”形串的重量約為31 327.0 kg，因此在實際應用時，新型“L”形串的鋼管桿重量明顯比典型“I”形串低，能夠減輕7%～9%的重量。

表2 同塔四回桿塔典型“I”形串與新型“L”形串桿件應力比表

3.3 對輸電線路走廊寬度的影響

輸電線路走廊寬度與架空線電壓等級成正比關系，也會受到外部運行環境的影響，需要綜合考慮風偏、覆冰弧垂、是否穿越鐵軌公路及與建筑、樹木、經濟作物和山坡的距離等影響因素。在《110 kV～750 kV 架空輸電線路設計規范》（GB 50545—2010）中對走廊寬度做出相關要求，邊線延伸距離必須超出在最大計算弧垂及最大計算風偏后的水平距離和風偏后距建筑物的安全距離之和，計算時要考慮桿塔的尺寸、導線及其懸垂絕緣子串風偏后的水平位移［6］，走廊寬度的計算公式如下：

公式（1）中：H為走廊寬度，m；D為桿塔單側橫擔寬度，m；λ為導線懸垂絕緣子串的高度，m；a為導線懸垂絕緣子串的風偏角度，°；F為導線的最大弧垂；β為導線的風偏角，°。

鋼管桿線路檔距一般取值為200 m，導線的最大弧垂為8 m；導線的風偏角為59°，對于常規“I”形串的風偏角的計算取平均值為60°，對于“L”形串的風偏角為0°。根據公式（1）計算2 種串形的走廊寬度，計算結果見表3，220 kV 線路采用新型“L”形串可節約走廊寬度約10 m；110 kV 線路采用新型“L”形可節約走廊寬度約5 m。折算到每千米架空輸電線路，220 kV線路可減少走廊面積98 000 m2（14.7畝）；110 kV線路可減少走廊面積4 733.57 m2（7.1畝）。

表3 220 kV線路和110 kV線路走廊寬度計算結果表

4 結語

綜上所述，“L”形懸垂絕緣子串對緩解建設用地緊張、減少走廊占用面積具有重要作用，本文采用“L”形串的鋼管桿塔頭布置方案，在壓縮塔頭尺寸、減小導線對桿塔產生的彎矩、節約鋼材用量等方面具有明顯優勢，同時能夠減小走廊寬度。通過與典型“I”形串進行對比分析，發現新型“L”形串能夠降低4%～6%的鋼管桿應力及減輕3%～5%的重量，符合節約型社會發展的需求。