分体式悬垂转角塔在1000kV双回输电线路中的应用

2012-09-22胡选钟小江康东升彭谦

电力建设 2012年3期

胡选，钟小江，康东升，彭谦

(国核电力规划设计研究院，北京市，100032)

0 引言

随着国民经济的发展，城市和乡镇的规模不断变大，土地资源也日益宝贵，输电线路的走廊获取越来越困难，转角塔的使用比例也越来越高，根据有关统计资料，1995年以前500和220kV线路的平均耐张段长度为8 km左右，2005年时平均耐张段长度为5 km左右，目前大部分工程的平均耐张段长度为3 km左右。

输电线路的转角塔承担着转角、定线、承受导地线张力和调整塔高等重要功能，因承受导、地线张力和角度荷载，其塔材、基础及附属的绝缘子、金具、跳线等材料的数量和规格都远高于直线塔，因此，做好转角塔型式的规划，对保证工程安全与可靠性，降低工程造价具有至关重要的作用。

在线路设计中，当转角度数较小时常使用直线塔兼角或使用直线转角塔代替耐张塔，以降低工程造价。当线路转角度数较大时受摇摆角限制，使用常规的直线转角塔无法替代转角塔，当线路耐张段较短、转角较多时，线路的单位造价就会显著增加。为节约成本、降低工程造价，本文在保证满足电气间隙的条件下，借鉴“皖电东送”淮南—上海1000kV线路设计中应用的分体式转角塔设计经验，规划设计了分体式悬垂转角塔，为未来推广应用积累经验。

1 分体式悬垂转角塔型式

由于转角塔的塔头尺寸较大、间隙比较复杂、绝缘子数量多、受风面积大，所以如何在满足电气间隙的条件下，结合塔头受力特点尽可能地压缩塔头尺寸，将对减轻铁塔单重起到重要影响。不同的塔头间隙布置方式决定了铁塔塔身型式的选择，而合理地选择塔身断面，优化塔身斜材布置、隔面的选择及确定最佳塔身坡度等都对降低塔重、控制造价有着重要的意义。

目前国内外实际建成的1000kV及以上等级的特高压输电线路尚不多见。我国晋东南—南阳—荆门1000kV单回特高压线路采用自立式干字型转角塔和分体式转角塔;前苏联建成的1 150kV单回特高压输电线路，由于不受土地资源限制，采用三联柱耐张塔型以降低塔重;日本建成的1000kV双回特高压输电线路，因土地资源紧缺、征地费用很高，采用鼓型钢管耐张塔;其他如美国、意大利等国家尚处于试验研究阶段［1］。

我国在“皖电东送”淮南—上海1000kV线路设计中，双回路转角塔采用了鼓型转角塔和分体式转角塔2种形式，鼓型转角塔与日本1000kV线路采用的转角塔相似，分体式转角塔如图1所示。

图1 “皖电东送”1000kV线路设计的分体式双回路转角塔Fig.1 Separate double-circuit angle tower in 1000kV transmission line from Huainan to Shanghai

本文借鉴“皖电东送”设计的1000kV线路分体式双回路转角塔的设计经验，规划设计了分体式悬垂转角塔，该塔采用分塔挂线并利用悬垂串代替耐张串，在转角度数较大时，铁塔前后两侧导线张力沿转角内角方向的合力可将导线绝缘子串拉到足够的偏角，使其满足电气间隙的要求，如图2所示。

图2 分体式双回路悬垂转角塔Fig.2 Separate double-circuit suspension angle tower

分体式悬垂转角塔通过分塔挂线，在线路转角度数较大时利用电线张力拉起导线绝缘子串的手段，取消了导线横担，改善了铁塔受力条件，减小了导、地线纵向荷载对塔身的扭矩;同时该塔取消了跳线串，减少了绝缘子数量，简化了塔头间隙设计，便于施工和运行维护。

2 分体式悬垂转角塔规划及校验

2.1 塔头间隙规划

转角塔的塔头间隙规划，实质上是按工频电压、操作过电压及雷电过电压确定的间隙距离，并计及跳线的风偏摆动来确定塔头处不同相导线的挂点位置、跳线方法、跳线的线长弧垂以及塔头几何外形及尺寸。

分体式悬垂转角塔的塔头间隙规划，是在考虑导线张力的影响下计算出导线绝缘子串在各种工况下的风偏角，并计及铁塔出口处导线弧垂的影响，得出满足电气间隙的最小塔头尺寸。

设φ为导线绝缘子串风偏角，PI为导线绝缘子串风荷载，GI为导线绝缘子串垂直荷载，P为相应工况下的导线风荷载，Wl为导线自荷载，lh和lv分别为水平档距和垂直档距，T为相应工况下的导线张力，则有

据此可算出不同转角度数、不同工况时的导线绝缘子串风偏角，见表1。

表1 导线绝缘子串风偏角(450m档距时)Tab.1 Wind angle of conductor insulator(450m span)

由表1可知，当线路转角度数较小时，铁塔前后两侧导线张力沿转角内角方向的合力不足以将导线绝缘子串拉到足够的偏角，此时为满足电气间隙的要求，须加装较长的导线横担，而导线横担的加长使铁塔受力条件变差，增加了塔重，故当线路转角度数较小时(小于20°时)不适宜采用分体式悬垂耐张塔。根据表1的计算结果，可作出分体式悬垂转角塔的间隙圆和单线图，从而确定塔头间隙。

2.2 脱冰跳跃和舞动对层间距离的影响

在满足电气间隙的情况下，双回路塔上下两相之间的垂直距离越小，铁塔重量越轻，经济性越好，但两相之间的垂直距离小到一定程度之后，在导线脱冰跳跃和舞动等情况下，会由于相间距离过小而发生相间闪络［2］。

根据文献［3］规定，1000kV线路相间空气间隙由相间操作过电压数值确定，相间间隙操作冲击50%放电电压为

根据文献［3］给出的相间间隙放电特性可知，1000kV线路相间最小间隙可取为8.8m。

《1000kV架空输电线路设计规范》(送审稿)规定，相邻上下2相之间水平位移取1m，当相间最小间隙为9m，上、中、下垂直排列的相导线布置方式时，计算得到的满足导线脱冰跳跃和舞动的最小层间距离见表2。

表2 满足脱冰跳跃和舞动的最小相间垂直距离Tab.2 Minimum phase-to-phase vertical distance meeting ice-shielding and gallopingm

本次规划的分体式悬垂转角塔，相邻两相之间的垂直距离取21m，完全可以满足导线脱冰跳跃和舞动时相间间隙的要求。

为防止覆冰脱落时由于跳线跳跃而引发相间闪络，《1000kV架空输电线路设计规范》(送审稿)规定:对1 000m以下档距，当三相导线垂直排列时，相间垂直距离可按下式的计算值选取，且不小于16m。

式中:ki为悬垂绝缘子串系数;D为导线水平线间距离，m;Lk为悬垂绝缘子串长度，m;U为系统标称电压，kV;fC为导线最大弧垂，m。

在档距为1 000m时，式(3)的计算结果为14.3m，小于16m。由此可见，当垂直相间距离为21m时，可以很好地满足覆冰跳跃的影响。线路的实际运行经验表明，当线路的垂直相间距离按式(3)选取时，没有发生过由于覆冰跳跃而引起的相间闪络故障。

2.3 电磁环境

特高压线路的电磁环境与导线布置方式、塔头尺寸、回间距离有重要的关系［4］。根据国家环保总局有关文件要求，1000kV线路工程工频电场控制值:在跨越公路、铁路、水运等交通干线及对电磁环境要求较高的有人员活动的区域为7kV/m，其他地区为10kV/m;工频磁场限值为100 μT;可听噪声限值距离边导线20m处为55 dB(A);无线电干扰限值距离边导线20m处为55 dB(μV/m)。本文设计的分体式悬垂转角塔层间距离取21m，回间距离取36m，其各项电磁环境指标如表3所示。

表3 分体式悬垂转角塔电磁环境计算结果Tab.3 Electromagnetic condition result for separate suspension angle tower

电磁环境的计算结果表明，本工程设计的分体式悬垂转角塔各项指标均满足电磁环境限制的要求。

2.4 线路转角度数

当线路转角度数较大时，如果分体式悬垂转角塔2个单塔之间的距离过近，位于线路转角内侧的单塔与挂在线路转角外侧单塔上的导线有可能相碰或电气间隙不满足要求。

位于线路转角内侧的单塔与挂在线路转角外侧单塔上的导线之间的电气距离与线路转角度数、绝缘子串长度和风速风向有关，计算结果表明:当转角度数为20°～60°时，分体式悬垂转角塔的2个单塔之间距离取36m，当转角度数在60°以上时，2个单塔之间的距离取39m，可保证线路转角内侧的单塔与挂在线路转角外侧单塔上导线之间的电气距离满足要求，如图3所示。

2.5 绝缘子串和金具

分体式悬垂转角塔同时具有直线塔和转角塔的特点，导线绝缘子串与铁塔的连接方式与直线转角塔相似，塔头尺寸由绝缘子串的摇摆角决定，采用悬垂连接方式时，绝缘子串连接顺直、结构简单、受力清晰、安装施工便捷，因此分体式悬垂转角塔推荐采用悬垂连接方式。

图3 分体式悬垂转角塔布置Fig.3 Arrangement of separate suspension angle tower

式中:k为安全系数;n为导线分裂根数;Tp为导线最大使用张力;α为线路转角度数。

结合1000kV特高压工程特点，推荐采用三联550 kN的合成绝缘子。经计算，绝缘子串可用于86°以下转角。绝缘子串与塔身双挂点连接，挂线联板通过平行挂板与三变二联板相互作用使各联绝缘子均匀受力，如图4所示。

分体式悬垂转角塔的悬垂串具有转角的功能，直接承受线路的角度力，其强度为

图4 绝缘子串的平衡受力设计Fig.4 Design of balance force for insulator string

考虑到风荷载作用形成的扭矩将集中作用在联塔挂板上，设计时在联塔挂板后面增加了2个相互嵌套的U形环，挂点金具采用GD耳轴挂板，如图5所示。

图5 GD挂板与U型环连接结构Fig.5 Joint configuration of GD socket eye and U-type shackle

当线路前后两基塔高差较大时，导线绝缘子串一侧上拔，另一侧下压，这时连接悬垂线夹的挂线联板将受到一个扭转的力，从而发生扭转，设计时在挂线联板和每联线夹之间加一球头挂环与碗头挂板，利用绝缘子球头与碗头可以绕轴线360°旋转的特性来解决，如图6所示。

图6 大高差时联板结构组装图Fig.6 Installation of yoke plate for high distance

考虑到分体式悬垂转角塔使用的悬垂线夹导线出口角度大，悬垂线夹的出口角取60°，线夹船体线槽的曲率半径不小于导线直径的35倍，线夹与悬垂联板组装后能自由旋转±15°。

线路正常运行时铁塔前后侧的张力差可达导线最大使用张力的11%左右，为此线夹设计时其对导线的握力不小于导线计算张力的18%，以确保运行时导线不会在线夹中滑动;由于分体式悬垂转角塔的悬垂线夹本身需承受导线张力，要求线夹本身的破坏强度不小于200 kN。

悬垂线夹在安装时只能加装铝包带对导线进行保护。由于导线的弯曲角度较大，不适合采用护线条。悬垂线夹外表面圆滑过渡，自身防电晕。

2.6 防雷设计

对于1000kV特高压线路，由于其绝缘子串长、50%冲击放电电压与反击耐雷水平较高，能够导致线路闪络的雷电流出现概率较低，反击跳闸率极低，直击雷并不是特高压线路的主要问题，造成雷击跳闸的主要原因为绕击［5-10］。

对于分体式悬垂转角塔，降低绕击率主要涉及地线对档中导线的保护，可通过调整相导线和地线在铁塔上的布置，实现地线对导线的负保护。考虑到分体式悬垂转角塔的绝缘子串在导线张力和风荷载的作用下会上下摆动，地线对导线的负保护要考虑导线向上摆动的最大角度，转角外侧的单塔地线横担不需加长即可实现地线对导线的负保护，转角内侧的单塔可通过加长地线横担来实现。

根据分体式悬垂转角塔导线绝缘子串摇摆角计算结果可求得，在线路转角为20°时，导线悬垂串在垂直方向上的投影为14m左右;在线路转角为80°时，导线悬垂串在垂直方向上的投影为6m左右。由于分体式悬垂转角塔地线支架的高度比鼓型耐张塔的地线支架低4～6m，在相同使用条件下，分体式悬垂转角塔整塔比鼓型塔高6～8m，防雷计算结果表明两者的耐雷水平基本相当。

分体式悬垂转角塔和鼓型耐张转角塔绕击率计算值见表4。从表4可以看出，在平地时分体式悬垂转角塔的绕击跳闸率比鼓型塔略高;在丘陵地区两者相当;在山区时分体式悬垂转角塔的绕击跳闸率比鼓型塔略低。总的来讲，两者处于同一水平线上。

表4 雷电绕击率Tab.4 Shielding failure rate under thunderbolt

2.7 走廊宽度和线路占地

输电线路走廊要求由2部分组成，即边线之间的距离和边线外的走廊要求。依据1000kV交流输电线路设计暂行技术规定，线路临近民房时，房屋所在位置离地1.5m高处最大未畸变场强不应超过4kV/m。线路设计时导线最小对地高度和边线外走廊宽度由地面场强限值决定，其中1000kV交流线路对地距离(非居民区)按21m控制［11］。

根据电磁环境计算结论，分体式悬垂转角塔满足电磁环境的走廊宽度为76.0m，鼓型耐张塔满足电磁环境的走廊宽度为74.6m，单柱组合耐张塔的走廊宽度比鼓型塔约大1.6m，两者的走廊宽度相当。

分体式悬垂转角塔采取两回路分塔挂线的形式，其占地面积比鼓型塔有所增加。按输电线路技经定额的有关规定，在铁塔征地时仅计算铁塔根开(考虑外延后)内的面积。对于分体式悬垂转角塔，由于两基塔在一起，中心之间相距36m，受实际协议情况的影响，可能要求联合在一起来计算征地面积。表5给出了不同计算方法下分体式悬垂转角塔和鼓型塔的征地面积。表中占地面积计算值考虑了基础外延1m，对于分体式悬垂转角塔为两塔的合计值。对于分体式悬垂转角塔，两塔间距36m、根开18m、基础宽1m、外延1m，则联合占地面积为1 378m2。

表5 铁塔占地时的征地面积Tab.5 Occupation area of tower

由表5可知，对于分体式悬垂转角塔(呼高42m)，若仅计算铁塔占地面积，比鼓型塔增加278m2;若计算联合占地面积，比鼓型塔增加574m2。以铁塔占地亩价4万元计算，每基塔约增加3.4万元征地费用。

从线路走廊宽度和占地角度分析，分体式悬垂转角塔比鼓型塔的走廊宽度宽约1.6m，两者基本相当，分体式悬垂转角塔的占地面积比鼓型塔占地面积有所增加，征地费用略有增加，但铁塔占地范围在走廊范围之内，对线路整体影响不大。

3 不同转角塔的比较

分体式双回路耐张转角塔通过分塔挂线、优化跳线布置方案等，有效减小了塔头尺寸、降低了塔头高度、降低了塔重;分体式悬垂转角塔对塔头布置方式做了进一步的优化，使用结构优化的悬垂串代替导线耐张串，节约了一半的绝缘费用，取消了导线跳线串，使塔头间隙更加简单明了，便于施工和运行维护。

与传统鼓型耐张转角塔相比，分体式悬垂转角塔有以下优点:(1)塔重较轻。与普通鼓型塔相比，同呼高下的单基塔重量比鼓型塔降低35%左右。(2)取消横担。取消横担后，导、地线纵向荷载对塔身的扭矩大为减小，显著提高了铁塔的抗扭性能。(3)单塔根开小，便于塔位选择和基础选型。因为塔高降低、横担取消、导线荷载分由2个主塔承受，单个主塔根开仅为10m左右，对地形、地质条件的适应性大大增强。基础混凝土用量及土方量小，施工方便。

以呼高42m的Ⅲ型转角塔为例，在可塑、无水、粉质粘土的地质条件下分体式耐张转角塔、分体式悬垂转角塔和鼓型耐张转角塔相应的基础见表6。从表6可知，分体式悬垂转角塔比分体式耐张转角塔基础费用节省约9.0%，比鼓型塔基础费用略高。

(4)主材均采用单角钢。鼓形转角塔由于铁塔高度高、导地线横担长，由导、地线引起的弯矩、扭矩因塔高和横担长度的增加而相应成倍地增长，杆塔自身的风振系数也随之增长，角度较大的转角塔需要使用双组合角钢甚至钢管才能满足荷载要求。随着大肢宽角钢的推广和应用，分体式悬垂转角塔使用单角钢就能满足荷载要求。