高压输电线路电气设计中存在问题及对策分析

2020-03-15孙明灵

电子技术与软件工程 2020年23期

孙明灵

（福建省汇亿电力工程有限公司福建省泉州市 362000）

随着可持续用电需求的增加，高压输电线路的安全性与稳定性受到了更大的重视，作为高压输电线路中重要的组成部分，电气设计的科学合理与安全有效性一直备受关注，然而现阶段的线路电气设计中还存在着一些问题亟待解决，这对于高压输电线路的安全稳定性运行有着一定的阻碍作用。基于这种状况，需要电力企业相关从业人员对高压输电线路电气设计过程进行全方位的分析，从而找出其中存在的问题，经过科学的研讨与分析，提出合理的对策进行解决，促进电气设计的可持续运行，进而保障电力的可持续运输，为民众提供一个优质的用电环境。

1 高压输电线路特点

高压输电线路的特征可从以下三个方面进行简单论述：

1.1 安全保障要求高

高压输电线路电压较高，需带动整体的电量，类似高速运转的大型电池，如果出现安全问题，将会带来较大的经济损失，因此高压输电线路对安全保障要求较高。保障高压线路的安全稳定性，可有效促进人们的可持续用电[1]。

1.2 难度大

部分高压线路会建在河域、丘陵与山区等复杂危险的区域，且线路较长，整体铺设开来难度特别大，整体项目突出工艺技术要求高、投资高、施工时间长、施工难度大与施工条件恶劣等。

1.3 高压参数高

高压是输电线路的主要特征，主要是因为高压电缆可维持较高的电压来进行电力的传输，但是若是高压电缆出现问题，维修是一项较为困难与复杂的工程，这需要在建设早期即考虑在内，为后期的维护提供一定的条件。

2 高压输电线路电气设计过程

高压输电线路电气设计过程如图1 所示。

2.1 高压输电线路电气设计前期分析

对高压输电线路设计前期进行分析，主要是因为高压输电线路电气设计的流程较为复杂且包含内容较多，很容易造成工序的混乱以及工程内容的忽略等，因此通过前期的分析与探讨，能够及时的发现潜在的隐患与问题，并及时的弥补与完善，如此可降低施工阶段问题发生的概率，要保障前期设计分析的合理有效性，需相关设计人员具备较高的综合素养，除了对线路沿线的地质与地形进行综合的考察外，还应考虑到实际施工时电气设计与线路架设的具体要求，以此来对设计方案进行不断的调整与优化。

2.2 高压输电线路电气设计初期分析

电气设计初期分析的主要作用是为设计草图的拟定做准备，以电气设计的实际需求与具体情况对设计方案进行修改，如此可提升电气设计方案的科学合理与准确有效性。在此阶段，可选择适用于输电线路的导地线，并以此为基础设计抗冰、防雷设计方案[2]。

图1：高压输电线路电气设计过程

图2：直线杆塔

图3：塔头电压

2.3 高压输电线路电气设计施工阶段分析

这一阶段的电气设计分析目的是结合施工中出现的一系列问题，提出合理的解决措施，并对施工过程中不适宜的程序或者步骤内容等进行适当的删减与补充，维持施工的合理性，以此来确保施工的合理推进。

3 高压输电线路电气设计中存在的几个常见问题及解决办法

随着国网通用设计的推广和深化，以及各省电力公司都出台对当地冰区、风区、污秽区等条件设定的指导性文件，还有各地规划部门配合电力部门对于当地的电网布局及高压输电线路的路径都进行了完善的规划，因此高压输电线路的几个重大原则问题如气象条件、路径走向、杆塔选型基本都较为明确了，本文着重对在高压输电线路设计或者后期施工过程中常遇到的几个问题进行分析。

3.1 直线杆塔的安全空气间隙问题

如图2 和图3 所示，在线路，连续上下山时很容易出现直线塔摇摆角超限的问题，即导线在工频电压、操作过电压和雷电过电压中的至少一种工况下出现导线绝缘子串随风摇摆，导致导线对杆塔构件（包括拉线、脚钉等）安全距离不满足要求的情况。图中所示的α、β 和γ 分别代表雷电过电压、操作过电压和工频电压工况下允许摇摆角，该数值根据《110kV～750kV 架空输电线路设计规范》（GB50545-2010）表1 再结合塔头尺寸，以悬垂串挂点位圆心，绝缘子串长度为半径画圆得出。

表1：110kV～500kV 带电部分与杆塔构件（包括拉线、脚钉等）的最小间隙（m）

再根据下面的公式计算出三种工况下的最大摇摆角的设计值。

式中φ 为摇摆角，g1 代表导线自重比载，g4 代表导线风压比载，S 为导线截面积，P 为绝缘子风压，G 为绝缘子串重量，LH 为水平档距，LV 为垂直档距。

将设计值与允许值进行比较，若设计值小于允许值即安全，若设计值大于允许值则危险，必须进行调整。要使得设计值小于允许值，就是要么减小设计值，要么增大允许值。

（1）减小设计值：即减小tanφ，根据公式可知增大垂直档距LV 或者增加绝缘子串重量G，增大LV 可增加杆塔的呼称高或降低相邻高位的杆塔的呼称高，增加绝缘子串重量G 的一般做法是悬挂重锤，由于新时代对于交跨距离要求的提升（均要求高跨），降低相邻杆塔的呼称高不符合林业部门和运维部门的要求，增加该基杆塔的呼称高会导致投资增加，不经济；因此最好的办法是加重锤增加绝缘子串重量。

（2）增加允许值：即减小绝缘子串长度或者选择横担长而塔身窄的塔型，根据现在通常采用的国网通用设计的绝缘子串和塔型，绝缘子串和塔型已经是最短和最经济了，因此增加允许值的做法在实际工程中可操作性较小。

（3）综上所述，如果直线杆塔出现摇摆角危险的情况下，最好的办法是增加重锤，每个重锤座最多能放置5 片重锤，如果仍不能满足安全要求则必须更换塔型，甚至改用耐张杆塔。

3.2 直线杆塔带转角的问题

现在国网通用设计的杆塔的设计转角均为0°，直线杆塔在设计阶段也都是按转角0°进行定位，然而在工程实施过程中，受征地问题和现场地形条件限制，直线杆塔很难实现设计的0°角，尤其是沿道路建设的杆塔，因受已建管线影响，直线杆塔普遍存在需要带转角的情况，此种情况存在两个问题：1 个是一侧悬垂绝缘子串向杆身偏移，造成安全空气间隙问题；另1 个是导线张力因转角而产生的角度合力增加了杆塔的水平荷载造成的杆塔安全问题。

（1）针对第一个问题，结合上1 点讲的直线杆塔的安全空气间隙问题，只是水平力多了个角度合力，及分子需增加一个角度合力，把角度合力设为F，则公式变为：

解决方法一样，不再重复叙述。

（2）针对第二个问题则需要比较导线造成的杆塔的水平荷载的原设计值和现设计值，必须要强调的是这不是结构专业的问题，以作者工作的南方沿海地区为例（无覆冰地区），由导线造成的直线杆塔的水平荷载的原设计值F1=g4*S*LH1（LH1 为该塔型的水平档距设计值），而工程中的现设计值F2=g4*S*LH2+F（LH2 为该塔在工程中的水平档距，本文不讨论塔型以大代小的情况，假定实际工程气象条件和原塔型设计气象条件一致，导线及安全系数一致即两式中导线风压比载g4 和导线截面S 相同），式中F 为导线的角度合力，设工程中的导线张力为F′，则F=2F′*sin(θ/2)（θ为线路转角）。比较F1 和F2，F1>F2 则受力安全，否则危险，必须更换塔型。

（3）综上所述，如果直线杆塔出现需要带角度的情况下，必须同时满足安全空气间隙和塔身受力两个条件才能保留原塔型，否则必须更换塔型。此方法还可以推广到转角塔的实际转角超过其设计转角的情况下的验算。