超高机械强度绝缘子在特高压线路应用研究

奚海波，张 成，翟 乐，孔 成，陶礼学

（1.中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司，江苏 南京 211102；2.国网山东省电力公司，山东 济南 250001）

超高机械强度绝缘子在特高压线路应用研究

奚海波1，张 成2，翟 乐2，孔 成2，陶礼学1

（1.中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司，江苏 南京 211102；2.国网山东省电力公司，山东 济南 250001）

为了提高电力线路的输送能力并减少能量损耗，特高压输电线路导线截面越来越大，重量越来越重，需要采用更高强度等级的绝缘子来减少绝缘子的使用数量，降低杆塔荷载，简化线路连接，提高安全系数。研究超高机械强度绝缘子在山东临沂换流站—临沂变电站1 000 kV交流输变电工程线路工程中的应用，对760 kN绝缘子和550 kN绝缘子进行了经济技术比较，认为760 kN能够保证线路的安全运行，并且优化了金具串的结构形式，减少了绝缘子片数，降低了金具重量，节约工程造价，减少运行维护成本。

输电线路；绝缘子；金具；超高机械强度

Abstract:In order to improve the transmission capacity of the power line and reduce the energy loss，wire cross section of the UHV transmission line becomes larger，and the weight becomes heavier as well，hence higher strength grade insulator is highly desired to reduce the utilization of insulators，so as to reduce tower load，simplify connections，and improve safety factor.In this paper，the application prospect of super mechanical strength insulator in Linyi converter station to Linyi substation 1 000 kV AC transmission line project and the comparison between 760 kN insulator and 550 kN insulator from techno-economic perspective are discussed and presented.It is concluded that 760 kN provides a safer condition to the operation of the power line with the reduced quantity of insulators and fittings，optimized string structure of the form and less cost，therefore with more application valve attached.

Key words:transmission line；insulator；fittings；higher mechanical strength

0 引言

特高压输电线路传输容量大，采用的导线截面大，分裂数多，对承载导线拉力的耐张金具串提出了更高的要求，要求其承载力高，受力均匀［1］。有两种方式可以解决这一问题，一是增加绝缘子串联数，二是采用机械强度高的绝缘子串。增加绝缘子串联数会导致金具串机械结构复杂，安装运行维护工作量大，增加工程全寿命周期成本；而采用机械强度较高的绝缘子可减少绝缘子串联数，降低耐张金具串复杂度，降低运行维护成本［2］。目前，550 kN及以下强度等级的绝缘子已经广泛应用，多家企业已经研制出760 kN及840 kN的产品，并已有部分成功挂网运行［3］。

山东临沂换流站—临沂变电站线路工程起于临沂市沂南县±800 kV临沂换流站，止于临沂市莒南县石城村附近的1 000 kV临沂交流站，线路全长2×58 km，全线同塔双回路架设。本工程线路离地10 m高，10 min平均最大风速为 27 m／s，覆冰10 mm。 双回路导线采用 8×JL1／G1A-630／45钢芯铝绞线，跳线和进线档导线采用8×JLK／G1A-725（900）／40型扩径钢芯铝绞线，地线采用两根OPGW-185复合光缆。全线共使用33基耐张塔，78基直线塔。研究760 KN级绝缘子在临沂换流站—临沂变电站1 000 kV交流输变电工程线路工程中的应用可行性。

1 绝缘子串串型分析

该工程导线采用 8×JL1／G1A-630／45 钢芯铝绞线，导线额定拉断力为150.45 kN，根据导线的拉断力、安全系数等参数进行计算，得出本工程使用的耐张串所需要的机械荷载

式中：F为耐张串所需总的机械荷载，kN；Tp为导线额定拉断力，kN；n1为导线分裂数；k1为绝缘子安全系数；k2为挂点系数；k3为导线安全系数。

根据式（1）计算得出该工程F为1 346 kN。

耐张金具串联数不同时，每联绝缘子所需机械荷载为

式中：n2为绝缘子联数；f为每联绝缘子所需机械荷载，kN。

当使用三联型式的耐张串时，每联绝缘子所承担的机械荷载为449 kN，需使用负荷等级为550 kN的绝缘子；当使用双联型式的耐张串时，每联绝缘子所承担的机械荷载为673 kN，需使用负荷等级为760 kN的绝缘子。

双联760 kN绝缘子耐张串如图1所示［4］。

图1 双联760 kN绝缘子耐张串

2 耐张串强度校验

按照国家标准GB 50665—2011《1 000 kV架空输电线路设计规范》的相关规定，绝缘子机械强度的安全系数，应不小于表1所列值。断一联后的双联及多联绝缘子串机械强度须按断联情况考虑其荷载及安全系数［5］。

表1 绝缘子机械强度安全系数

绝缘子机械强度的安全系数k1

式中：FR为绝缘子的额定机械破坏负荷，kN；fm为分别取绝缘子承受的不同工况下的荷载 （最大使用荷载、断线、断联荷载或常年荷载），kN。

平均气温条件下绝缘子所承受的荷载为常年荷载。断联、断线的气象条件是有冰、无风、-5℃。

绝缘子机械强度校验见表2。

表2 绝缘子机械强度校验

从表2可以看出，三联550 kN和双联760 kN绝缘子串均能满足机械强度的要求，且有一定裕度。

3 耐张串挂点及间距分析

多联绝缘子串每串独立固定在杆塔上是最为可靠的，且金具串自身结构简单，金具连接少，造价低，传力清晰，但每串单独固定在杆塔上必然造成杆塔设计复杂，重量增加。因此应尽量简化绝缘子串的挂点，缩短挂点间的距离，在保证安全的前提下，减少横担尺寸，降低杆塔重量［6］。

对于多联耐张串，若采用单挂点型式，当绝缘子串第一金具发生故障时，与串相连的导线会直接掉落在地，对电网运行和周边人员安全造成重大隐患。考虑到特高压工程的重要性，结合已有工程的设计和运行经验，多联耐张串一般采用双挂点或者多挂点型式［7］。

对于三联550 kN耐张串，存在三联绝缘子串之间受力平衡的问题。根据已建大跨越工程和常规工程的设计和运行经验，三联550 kN耐张串可采用平面单层布置，联塔可采用2或3挂点型式，两种型式的连塔侧金具如图2所示。

对于三联绝缘子串，两种挂点型式都可以采用，3挂点型式铁塔设计、串长调整较复杂，但金具结构简单，受力较好；2挂点型式铁塔设计、串长调整较方便。本工程建议采用挂点间距为650 mm的3挂点型式。

图2 三联耐张绝缘子串不同的挂点

对于双联760 kN耐张串，使用双挂点的优势是显而易见的，不仅稳定，而且容易达到受力平衡，推荐采用挂点间距为650 mm的双挂点型式。

从挂点来看，两种串型挂点合力相同，挂点位置一致，横担和地线架长度相同，因此铁塔的总体受力水平相当，虽然双挂点型式同三挂点型式相比，与挂点相连的杆件选材和板厚的规格增加，但是双挂点情况下杆件数量的减少使两者重量几乎相当。并且双联耐张串采用双挂点的型式可以使两挂点间的距离缩短，使导线对铁塔悬挂点的扭矩减少，同等条件下改善了铁塔的受力条件，铁塔的抗冰、抗风和抗震能力得到提高，工程的安全性和稳定性也能够得到保证。

4 运行维护难度分析

三联耐张金具串采用机械荷载为550 kN的绝缘子，能够保证8分裂导线的安全运行，且有成熟的经验，在国内特高压工程及大跨越线路上有比较成熟的设计和运行经验。三联耐张金具串塔头部分三个串之间的距离为1 300 mm，需将三串绝缘子连接到组合联板，将挂点数由三个变为两个，当串长不等时由于组合联板的功效，可自动回复到受力平衡的状态，保证导线的受力平衡。但增加了工程安装和运行维护的工作量，同时自身的荷载也较大，因绝缘子和金具数量均较多，运行期间出现的故障率和维护工作量多于双联串。

双联耐张金具串的单个绝缘子重量为760 kN，此设计仅需两绝缘子串即可完成对八分裂导线的连接。绝缘子片数和金具数量比三联串少，运行期间绝缘子串出现故障的概率要低，维护工作量低。但该串型金具元件强度等级高，制造难度大。

5 技术经济比较分析

本工程线路大部分处于D级污区，统一爬电比距要求值为5.04 cm／kV，在此污区条件下，三联550 kN耐张串和双联760 kN耐张串技术经济比较如表3所示。

表3 三联550kN耐张串和双联760kN耐张串技术经济比较

从表3可以看出，双联760 kN耐张串每串比三联550 kN绝缘子造价减少近万元，本工程使用耐张串384串，若全线使用760 kN绝缘子，可减少费用351.744万元。随着760 kN绝缘子的规模化生产，价格还有进一步下降的空间，经济效益良好。并且，从运行维护上，双联760 kN耐张串结构简单，构成元件少，维护成本低。

6 结语

双联760 kN绝缘子耐张串三联550 kN耐张串相比较，双联760 kN绝缘子耐张串减少了绝缘子的使用数量，降低了杆塔荷载，改善了铁塔受力条件，简化了金具结构连接，提高了安全系数，降低了工程造价，减少了运行维护成本，符合特高压建设中“降本增效”的理念，更具有应用价值和推广前景。从经济上考虑，双联760 kN绝缘子比三联550 kN绝缘子耐张串更经济，如山东临沂换流站—临沂变电站1 000 kV交流输变电工程线路工程采用760 kN绝缘子，可节省投资约351万元。

［1］刘振亚.特高压电网［M］.北京：中国经济出版社，2005.

［2］陈宁，黄海俊，王圣博.760 kN绝缘子双联耐张串金具研究［J］.江苏电机工程，2014，33（1）：50-53.

［3］宿志一，周军，李武峰，等.交流特高压1 000 kV级绝缘子选型研究［J］.中国电力，2006，39（10）：15-20.

［4］李勇伟，周康，李力，等.±800 kV直流特高压输电线路的设计［J］.高电压技术，2009，35（7）：1 518-1 525.

［5］中国电力工程顾问集团公司.1 000 kV架空输电线路设计规范：GB 50665—2011［S］.北京：中国计划出版社，2011.

［6］万建成.输电线路大跨越金具系列化设计［D］.北京：华北电力大学，2005.

［7］吴祎琼，黄宝莹，邱宁，等.1 000 kV绝缘子选型及组串方式研究［J］.电力建设，2007，28（1）：8-11.

Research on Higher Strength Insulator Application of UHV Transmission Lines

XI Haibo1，ZHANG Cheng2，ZHAI Le2，KONG Cheng2，TAO Lixue1
（1.China Energy Engineering Group Jiangsu Power Design Institute Co.，Ltd.，Nanjing 211102，China；2.State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan，250001，China）

TM723

B

1007－9904（2017）09－0061－04

2017-06-07

奚海波（1987），男，主要从事超高压输电以及电力系统自动化研究；张 成（1981），男，主要从事基建项目建设管理工作；翟 乐（1987），男，主要从事基建项目建设管理工作；孔 成（1984），男，主要从事基建项目建设管理工作；陶礼学（1979），男，主要从事超高压输电线路设计和研究。