特高压线路垂直排列耐张塔的跳线支架高度研究

2018-05-10张思祥

山东电力高等专科学校学报 2018年2期

张思祥，陈鹏，张勇

（山东电力工程咨询院有限公司，山东济南 250013）

0 引言

特高压线路走廊通道较宽，在房屋密集的路径紧张地区，采用导线垂直布置的方式可有效节省走廊宽度、减小拆迁、降低工程造价［1］。

导线垂直布置方式在±500 kV直流、±800 kV直流输电线路中均有应用，鉴于铁塔外形特征，铁塔常被命名为“F”型塔。与常规“干”字型耐张塔使用的“双V”形硬跳线型式不同，从杆塔设计角度考虑，顺线路塔身侧设计跳线支撑架较为困难，“F”形耐张塔一般采用“双 I”硬跳线［2］。已建±800 kV 线路“F”形塔的外形及跳线型式如图1所示。

对于特高压直流线路，耐张绝缘子串长达20～30 m，而跳线档长度约为60 m，由于软跳线应力较小，为使跳线间隙满足要求，并考虑到跳线支架和整个跳线系统的经济性，一般采用“双I”形的硬跳线系统。从受力角度，在风吹摆动的情况下，“双I”形的硬跳线系统是不稳定的。为简化计算过程，目前国内设计手册及设计软件通常采用跳线弧垂f与跳线档距l的比值f／l来控制跳线张力，电气间隙距离检查仅对外过电压的无风和有风两种情况。检查范围包括跳线串带电体及软、硬跳线对跳线系统上下侧的横担、塔身及第一片绝缘子铁帽的距离等［3-5］。

图1 “F”形塔外形

由于特高压线路铁塔高度高，跳线系统构造复杂、受风面积大等原因，致使跳线系统的大风摇摆角明显大于常规线路。加之硬跳线的风偏导致了软跳线段档距明显减小，由此引起的跳线弧垂增加已经不容忽视。因此在设计杆塔跳线支架时须考虑大风工况下跳线系统的风偏间隙，以确定跳线支架的长度和与导线挂点的高差。且由于特高压跳线串很长，大风风偏导致软跳线档距l变化幅度大，常规的方法无法满足特高压跳线设计的要求。因此，本文采用变档距法校验跳线弧垂和空气间隙。

1 变档距法跳线计算的数学模型

1.1 主要数学模型

1.1.1 刚性跳线预偏角计算［5］

式中：TQ、TH为前后侧软跳线水平张力（N）；αQ、αH为前后侧软跳线档距与耐张塔横担垂直方向夹角

式中：F为刚性跳线系统总风压，N；W为刚性跳线系统总重量，不包括软跳线部分，N；P1为软跳线单位荷载，N／m；lQ、lH为前后侧软跳线档距，m；hQ、hH为前后侧软跳线高差，m。

1.1.2 软跳线线长计算

式中：L为刚性跳线软跳线线长，m；l为软跳线档距，m；P6为软跳线综合荷载，N／m；T 为软跳线水平张力，N；β为软跳线高差角。

1.1.3 软跳线弧垂计算

式中：fH为软跳线水平弧垂，m；fV为软跳线水平弧垂，m；fCH为软跳线铝管出口处弧垂，m；fm为软跳线最大弧垂，m；P4为软跳线单位风荷载，N／m；x为软跳线上任意点距离硬跳出口距离，m；h为软跳线高差，m。

1.2 计算步骤

第1步：安装预偏角计算。

为了保证刚性跳线不会沿着线路方向前后偏移，程序按照前后侧跳线张力沿耐张塔横担垂直方向分量相等原则计算刚性跳线的安装预偏角（小于5°），同时保证软跳线在铝管出口处的弧垂在0.3～0.5 m之间。计算出软跳线部分线长、张力、档距等。

第2步：无风工况跳线计算。

根据安装预偏角的计算结果，在跳线线长不变的条件下，先假定一刚性跳线偏角，然后求出软跳线张力、档距等，再根据计算结果重新计算刚性跳线偏角，如果与假定偏角一致，计算结束，否则以计算偏角为假定偏角重复上述计算过程，直到计算偏角与假定偏角一致。其计算流程如图2所示。

第3步：有风工况间隙检查。

根据电气间隙要求及第2步计算结果，计算带电部分与接地构件在带电作业、外过有风、内过电压、大风工况的距离。如果检查结果不满足要求，根据检查结果或者增加刚性跳线预偏角、或者增加配重重量、或者延长铝管长度、或者增加耐张串长度，然后重复上述第1步、第2步计算过程，直到检查结果满足设计要求；如果检查结果满足要求，计算结束，输出计算结果、间隙检查结果。其流程如图3所示。

图2 无风时跳线计算流程

图3 有风时跳线间隙检查流程

2 变档距法跳线计算的应用实例

2.1 计算条件

本文以±800 kV直流线路为例进行计算。采用JF27101型塔，塔头尺寸见图4，线路转角度数为10°，导线及跳线均采用JL1／G3A-1250／70导线。

设计基本风速27 m／s，跳线风压不均匀系数取1.2。耐张塔前后规律档距和档距均取450 m，耐张塔呼高取45 m，耐张塔导线挂点低于前后侧相邻的直线塔分别为8 m、11 m。在1 000 m以下轻冰、重污区，导线耐张绝缘子串采用90片550 kN钟罩型绝缘子，耐张绝缘子串总长约27.5 m，跳线串I采用160 kN合成绝缘子串，串长约13 m。

跳线设计一般以f／l控制跳线张力，结合实际施工条件确定合适的跳线弧垂，设计跳线张力一般在200～600 N，可据此计算硬跳线两侧的软跳线弧垂。

图4 塔头尺寸示意图

2.2 计算结果及分析

按照图2所示计算流程，得到表1结果。

根据GB 50790—2013《±800 kV直流架空输电线路设计规范》规定，海拔1 000 m及以下，工作电压及操作过电压要求的最小间隙值分别为2.3m、5.3 m，雷电过电压间隙不做要求［6-9］。

图5 软跳线搭落在耐张绝缘子上

由表2可知，前后侧跳线系统的带电体与接地体的距离均满足间隙要求。同时可知，在大风工况下，上相跳线串风偏角达42.1°，跳线档距由无风工况时的28.3 m减小到21.9 m，在保持软跳线线长不变的情况下，软跳线弧垂由无风时的3.8 m增加到7.1 m。在大风工况，软跳线与接地部位的间隙虽能满足间隙要求，但已与耐张绝缘子接触，如图5所示，导致接触段至高压端段绝缘子失去作用，工频绝缘长度显著缩短，极易发生污秽闪络，且闪络时没有均压环保护，绝缘子表面将被烧蚀。因此，有必要对塔头跳线系统与耐张绝缘子串的空间相对位置进行优化。

表1 无风时的跳线计算

表2 有风时的间隙检查

3 跳线系统与耐张绝缘子串的位置优化

3.1 优化方案

由计算实例可知，大风工况下跳线档距明显减小，在软跳线现场不变的条件下，软跳线弧垂显著增大，致使软跳线搭落在绝缘子上。为解决上述问题，最为直接手段便是优化软跳线与耐张绝缘子串的空间位置关系。本文提出两种解决思路。

方法1：提高跳线挂点，增加软跳线两端挂点的空间距离，使软跳线远离绝缘子串，但是这需要增加地线支架高度，增加塔重。

方法2：提高导线耐张串挂点，使软跳线低于耐张串，避免了软跳搭落在绝缘子上，有效提高了导线位置，相当于提高铁塔呼高，有效降低塔重。

综合比较，本文采用方法2，即提高导线耐张串挂点。从工程设计角度，在考虑耐张串一定下倾角的情况下，可使耐张绝缘子串高压端与风偏后的硬跳线在同一高度上，如图6所示。

3.2 优化成效

3.2.1 ±800 kV线路优化成效

图6 优化效果示意图

跳线串长约11.52 m，大风时跳线串偏角为45.35°，硬跳线抬高 8.15 m（11.52 m×cos45.35°）。重污区导线耐张串绝缘子片数取90片，耐张串长27.5 m，以550 m档距为例，计算得到耐张倾斜角度为7.5°，耐张串高压端下倾高度为3.59 m （27.5 m×sin7.5°），耐张串挂点应提高3.8 m。耐张串挂点提高，等效于铁塔呼高增加，节省塔重约4.6%。

3.2.2 ±1 100 kV线路优化成效

跳线串长约16.73 m，大风时跳线串偏角为51.84°，硬跳线抬高 10.34 m（16.73 m×cos51.84°）。重污区导线耐张串绝缘子片数取122片，耐张串长35.7 m，以600m档距为例，计算得到耐张倾斜角度为8°，耐张串高压端下倾高度为4.96 m（35.7 m×sin8°），耐张串挂点应提高5.4 m，节省塔重约5.2%。