±800 kV特高压直流耐张塔跳线的优化方案

赵远涛，李京凯，刘文勋，徐维毅，李健，朱焰，于跃

(1.中南电力设计院，武汉市，430071;2.中国机械设备工程股份有限公司，北京市，100055)

0 引言

目前，国内特高压直流输电线路耐张塔跳线方案大多采用“鼠笼式”硬跳线或“铝管式”硬跳线，能有效限制串偏、减少跳线摆动［1］。然而与传统软跳线相比又存在结构复杂、造价较贵、运输施工不便的缺点。本文以溪洛渡—浙西±800 kV特高压直流输电线路工程为例，对特高压直流耐张塔采用软跳线和硬跳线分别进行间隙计算和塔头设计，并结合当前的电力材料价格，对各跳线方案下杆塔本体总投资进行了比较，探讨了是否能以“软”代“硬”，达到降低工程造价、方便运输、施工及运行维护的目的［2］。同时，本文结合硬跳成套价格变化，提出了采用软跳或硬跳的边界条件，达到了优化跳线方案的目的。

1 设计条件

本文以溪洛渡—浙西±800 kV特高压直流输电线路工程为例，计算采用工况对应的风速与空气间隙取值见表 1［3］。

表1 塔头空气间隙取值(海拔高度小于1 000 m)Tab.1 Clearance distance between conductors and tower(altitude less than 1 000 m)

按照设计要求，本工程跳线绝缘子串采用合成绝缘子，串长取12 m，耐张塔极间距取18 m，设计塔头时耐张塔呼高取45 m，如图1所示。本工程导线选用6×LGJ-900/75钢芯铝绞线。塔高引起的塔质量变化按1.45 t/m考虑，引起的横担变化按180 kg/m考虑［2］。

图1 耐张塔型单线图Fig.1 Sketch map of Tension tower

根据目前国内大型金具生产厂家的平均报价，本文采用的材料计算价格为:硬跳4.2万元/套，金具20元/kg，合成绝缘子3 200元/支，导线16 800元/t，角钢6 800元/t。

2 风偏计算

耐张塔的跳线本身在大风情况下会发生较大偏移，其偏移值与风速、导线形状等多个因素有关。国内对跳线本身的风偏计算常用的计算方法［4］为

式中:v为跳线平均高度处的风速，m/s;d为跳线外径，cm;μ为跳线体型系数，跳线外径小于17 mm或覆冰时取1.2，否则取1.1;α为风压不均匀系数，取1.2;p4为跳线单位长度风荷载，N/m;p1为跳线单位长度自荷载，N/m。

跳线绝缘子串风偏［5］为

式中:T为跳线张力，N;PI为绝缘子串水平荷载，PI=0.625v2AI×10-3，其中 AI为受风面积;GI为绝缘子串垂直荷载，N;GZ为重锤垂直荷载，N;lH为跳线档水平档距，m;lV为跳线档垂直档距，m;K为跳线与垂直横担直线间的夹角;n为跳线分裂根数。

常见的硬跳方式有鼠笼式硬跳和铝管式硬跳2种。铝管式硬跳由于造价比鼠笼式更昂贵［5］，且在运行中曾出现过管母脱落，因此本文中仅讨论鼠笼式硬跳线。

当采用鼠笼式硬跳线结构时，由于支撑管的固定作用，在大风情况下会发生整体偏移。此时的整体风偏［6］为

式中:PC为支撑管风荷载，N;GC为支撑管垂直荷载，N。

在最大风速工况和操作过电压工况下，单I软跳、双I软跳和双I硬跳的跳线、绝缘子串风偏见表2～3。

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表3中单/双I软跳是指跳线采用单/两支I串绝缘子与软跳线的组合方式，双I硬跳是指跳线采用2支I串绝缘子与硬跳线的组合方式，下文的单/双V软跳、双V硬跳含义可类推。

从表2～3可以看出:

(1)在相同条件下，单I软跳的串偏最大，双I硬跳的串偏最小。显然，这是由于硬跳的支撑钢管、重锤等限制了绝缘子串的摆动。

(2)随着耐张塔转角度数的增大，绝缘子串的串偏增大，这是由于跳线张力的水平分量随转角度数增大而增大的缘故。

在实际特高压直流工程中，跳线串一般都采用V串，以尽量减少串偏、缩小塔头、减小走廊占地［7］。从表2～3可知，在采用单I软跳时，最大风速下的串偏最大为44°，按照国内工程经验［8］，本文对V 型绝缘子串夹角按90°设计。

3 塔头设计

3.1 V串跳线

耐张塔跳线采用单V软跳、双V软跳和双V硬跳等跳线方案时的横担长度计算结果见表4。可以看出，V串跳线方案具有如下特性:(1)转角度数为0°时，由于V串夹角90°控制，3种跳线所需的跳线横担长都是20.3 m。(2)随着转角度数的增加，软跳方案的横担变长，而硬跳方案的横担几乎不变。(3)双V硬跳方案的横担长度最短。

表4 V串跳线的横担长度Tab.4 Length of cross arm for V-string jumper m

3种跳线的塔头及控制点间隙圆如图2所示。不难发现，硬跳方案的等效串长比软跳方案短(约1.4 m，见表5)，这就意味着当耐张塔跳线对地距离控制时，可将软跳方案改为硬跳方案，能有效增加跳线对地距离，从而降低塔高、节省塔材。

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因此，由于双V硬跳方案具有:等效串长短、跳线横担短的特性，在耐张塔跳线对地距离控制时，采用硬跳能比软跳减小塔高、缩短横担，从而有效节省塔材，因此现有的大多数特高压直流输电线路都采用双V硬跳方案。

3.2 I串跳线

虽然I串不能像V串一样限制串偏，但由于采用I串时跳线绝缘子、金具的数量以及横担长度都不相同，因此应进行综合技术经济比较。

根据计算，采用单I软跳、双I软跳和双I硬跳3种方案时的横担长度和等效串长见表6～7。

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可以看出，采用I串跳线时具有以下特性:(1)I串方案的横担长度随着转角度数的增大而增大。(2)双I硬跳的横担长度最短。

3.3 小结

由以上分析可知:(1)无论V串还是I串，硬跳方案的塔材总是最省。(2)V串跳线横担长度比I串跳线长，但等效串长比I串跳线短，故应进行综合技术经济比较。

4 综合技术经济比较

虽然采用硬跳线的塔材最省，但由于国内的硬跳线价格比软跳线要高［9］，本着优化设计方案、节省工程总投资的原则，在满足安全运行的前提下，对跳线方案进行本体投资综合经济比较(未考虑走廊通道、运输、安装等因素)。

结合工程实际情况，本文分“跳线对地控制耐张塔高”和“档中控制耐张塔高”2种情况，对上述6种跳线的单基总投资差额进行比较(本节计算过程中硬跳价格取固定值:4.2万元/套，为溪洛渡—浙西±800 kV特高压直流输电线路工程初步设计阶段的厂家报价平均值)，不同跳线方案的单基总投资差额随转角度数的变化如图3所示，所有跳线方案的总投资均以双V硬跳时的单基总投资为基准求差值。从图中可以看出，当档中控制耐张塔高时，单基总投资的最高方案和最低方案分别如下。

(1)转角 0°～20°:单 I软跳最低，双 V 硬跳最高。

(2)转角 40°～90°:双 I软跳最低，双 V 硬跳最高。

当跳线对地控制耐张塔高时，单基总投资的最高方案和最低方案分别如下。

(1)转角 0°～40°:单 V 软跳最低，双 I硬跳最高。

(2)转角 60°～90°:双 V 软跳最低，单 I软跳最高。

图3 不同跳线方案的单基总投资差额Fig.3 Total cost for different jumper types

可以得出以下结论:(1)软跳线方案的总投资最低，硬跳线方案的总投资最高。(2)档中控制塔高时I串跳线最省，V串跳线最贵;跳线对地控制塔高时V串跳线最省，I串跳线最贵。

5 硬跳价格敏感性分析

以上分析是基于硬跳价格固定不变的前提进行，但事实上硬跳价格并不是固定值［10］。不同厂家、不同工程、不同招标规模以及不同时期的硬跳价格都是不同的，甚至相差悬殊。基于此，下面将分析硬跳价格对跳线方案总投资的影响。

0°耐张塔以双V硬跳时的单基总投资为基准(差额为0)，对所有跳线方案的单基总投资求差额，结果如图4所示。当硬跳价格不同时，单基总投资最高和最低的跳线方案也发生变化。

图4 硬跳价格对0°耐张塔总投资差额的影响Fig.4 Dependence of hard jumper price on total cost of tension tower

(1)档中控制耐张塔高:硬跳价格为1万元/套时，单基总投资最低的是双I硬跳，最高的是双V软跳;硬跳价格为1.78万元/套时，单I软跳和双I硬跳总投资相同，均为最低，双V软跳最高;硬跳价格高于2.5、5万元/套时，单I软跳总投资最低，双V软跳和双V硬跳分别最高。

(2)跳线对地控制耐张塔高:硬跳价格为1、2.5万元/套时，单基总投资最低的是双V硬跳，最高的是单I软跳;硬跳价格为2.93万元/套时，单V软跳和双V硬跳总投资相同，均为最低，单I软跳最高;硬跳价格为5万元/套时，单V软跳总投资最低，双I硬跳最高。

为方便论述，将上述价格中的1.78万元/套和2.93万元/套称作“临界硬跳价格”。从而20°/40°/60°/90°耐张塔在“跳线对地控制”和“档中控制”这2种情况下的“临界硬跳价格”以及总投资最低的跳线方案见表8～9。

因此，可得出下述结论:

(1)单基总投资最低的方案并不是固定的，而是随着硬跳价格变化而变化。当硬跳价格低于对应的“临界价格”时，硬跳方案省投资，而超过该价格时软跳方案省。

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(2)耐张塔转角度数越大，临界硬跳价格越高。

(3)档中控制时I串方案省;跳线对地距离控制时V串方案省。

6 结语

本文以溪洛渡—浙西±800 kV特高压直流输电线路工程为依托，对耐张塔软跳和硬跳2种方案进行了技术经济比较，主要结论如下:

(1)特高压直流输电线路采用软跳、硬跳方案在理论上都是可行的，实际工程中应结合硬跳价格、塔位情况等具体分析。

(2)采用硬跳方案可以减小缩短横担、降低塔高，减小塔材投资，但可能增加跳线投资。

(3)溪洛渡—浙西±800 kV特高压直流输电线路工程平均硬跳价格(4.2万元/套)大于临界价格，故采用软跳方案总投资最省。

(4)档中控制时，I串跳线最省;跳线对地距离控制时，V串跳线最省。

(5)单基总投资最低的方案随硬跳价格变化而变化。当硬跳价格低于对应的“临界价格”时，硬跳方案省投资，而超过该价格时软跳方案省。

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