500 kV输电线路大跨越耐张塔金具串安全隐患治理方案优化

吴 威，朱传刚，肖知林，刘 威，雷 伟，李德祥

（1.中国葛洲坝集团电力有限责任公司武汉设计院，湖北 武汉430000；2.国网湖北省电力有限公司检修公司，湖北 武汉430000）

0 引言

随着中国国民经济的迅速发展，中国电力工业得到了质的飞跃，逐步形成以大型发电站为核心，以不同电压等级输电线路为骨架的各大区、省级和地区的电力系统。1981年建成了国内首条500 kV超高压输电线路，即平顶山-双河-武昌凤凰山500 kV输电线路，1983年随后建成了葛洲坝-武昌及葛洲坝-双河两回500 kV超高压输电线路，1989年相继建成国内第一条±500 kV葛洲坝-上海直流输电线路（现±500 kV葛南线），开始形成华中电网500 kV骨干网架。根据国网湖北省电力有限公司检修公司运维数据显示，上述4条线路投运时间均已超过30年，大跨越侧导线耐张串均出现了不同程度的锈蚀性问题，存在掉串、断线的风险，4条线路大跨越导线耐张金具串均为6联210 kN结构型式，该结构型式复杂，且运行检修不便，大部分金具为80年代的特制金具，采用还原的方式更换，消除安全隐患较为困难；此外，上述4条线路跳线串处采用了国内最早的500 kV超高压大跨越三变四结构型式，导线三变四金具均存在不同程度的开裂情况，该三变四结构型式全部由特制金具组成，其力学性能及抗舞性能较差，引流金具一旦出现开裂，会直接影响导电性能及耐热性能，给线路运行带来较大的安全隐患，因此，该结构型式已不能满足现行高标准要求。上述超高压线路在华中电网仍然发挥着不可替代的作用，同时大跨越区段安全稳定性对线路本体起着决定性作用。因此，对上述在运的500 kV超高压大跨越耐张塔金具串存在的安全隐患治理方案优化显得尤为重要。本文以±500 kV葛南线沱盘溪长江大跨越（以下简称“葛南线大跨越”）为例，首先介绍大跨越耐张塔金具串安全隐患情况，然后分析在运大跨越耐张塔金具串安全隐患治理难点，针对治理难点从导线三变四结构方面、大跨越耐张金具串方面进行优化设计，并提出一套合理的大跨越导线耐张串更换施工方案，以解决葛南大跨越耐张塔金具串安全隐患。

1 大跨越耐张塔金具串安全隐患介绍

1.1 跳线金具串导线三变四型式开裂安全隐患

±500 kV葛南线49号、52号大跨越耐张塔在跳线串处采用了国内最早的500 kV超高压大跨越三变四结构型式，即一侧采用3个设备线夹，另一侧采用4个设备线夹将跳线固定在跳线串底部的特制四联板上，经特制四联板导流，实现大跨越侧3根子导线与非大跨越侧4根子导线的对接。

经运行数据显示，国内最早的500 kV超高压大跨越三变四型式存在开裂的安全隐患，即大跨越跳线在受风的作用下，经常出现均匀低风速下的微风振动，尤其是在覆冰舞动的情况下，会造成三变四联板连接的设备线夹出口处应力集中，久而久之，设备线夹疲劳开裂较为普遍，容易导致跳线从引流板上脱落，给线路运行带来较大的安全隐患［1-5］，±500 kV葛南线49号、52号耐张塔亦有此安全隐患。因线夹开裂不得不进行绑扎的照片如图1所示。

图1 三变四型式开裂-各种绑扎修理情况Fig.1 Three-change-four type cracking-all kinds of ligature repairs

1.2 耐张金具串严重锈蚀安全隐患

±500 kV葛南线1号-100号段位于宜昌市郊区，该区段常年为阴雨天气，年平均空气湿度较大，加之线路在此环境运行在30 a以上，长期缓慢地氧化，造成线路金具整体锈蚀严重，在线路停电检修期间，发现±500 kV葛南线49号、52号大跨越耐张杆塔导线金具串锈蚀严重（U型挂环及挂板等金具均锈蚀起层），将影响整串的机械强度，存在因金具断裂造成的掉线风险［4-7］，而50号-51号跨江段正好为长江的一级通航位置，一旦发生掉线事故，将引起严重的社会事故。现场锈蚀情况如图2所示。

图2 大跨越导线耐张串锈蚀严重情况Fig.2 Serious corrosion of long span conductor in tension string

2 大跨越耐张塔金具串安全隐患治理难点分析

针对跳线金具串导线三变四型式开裂情况以及导线耐张金具串锈蚀严重情况，按照文献［8］要求，对开裂、锈蚀严重等情况的金具串应取更换措施。截止2021年5月，±500 kV葛南线锈蚀段一般线路段导地线金具及大跨越段地线金具均在停电检修期间已进行更换处理，由于49号-52号沱盘溪大跨越耐张塔导线金具串更换存在诸多难点，一直未进行治理，具体难点如下：

1）设计方面：原跳线金具串采用的是国内最早的导线三变四型式，此结构均为特制金具，不仅力学性能较差，而且运行检修极为不便，其结构型式已不能满足现行运行要求；原大跨越导线耐张金具串为6×210 kN型式，其结构型式复杂，且大部分金具为80年代的特制金具，采用还原的方式更换，实施困难；

2）施工方面：跨越段位于长江流域一级通航处上方，大跨越段导线张力较大，一旦发生掉线事故，将引起严重的社会事故，更换导线耐张串施工风险较高，因此耐张串的更换成为本次治理的重点、难点之一。

3 大跨越耐张塔金具串安全隐患治理优化方案

基于上述对大跨越耐张塔金具串安全隐患治理难点分析，本次从跳线新型三变四结构设计、大跨越耐张金具串更换优化设计、大跨越导线耐张串更换施工3个方面进行展开。

3.1 跳线新型三变四结构设计

3.1.1 国内现有大跨越跳线分裂数转变结构调查与分析

根据收集资料分析，在2000年初期及以前设计的500 kV交直流大跨越线路，均在跳线串底部的特制四联板上完成跳线三变四；在2000年至2010年段，500 kV大跨越线路多采用4分裂，不存在跳线三变四问题；在2010年前后，随着特高压线路技术不断地成熟，特高压大跨越线路采用了铝管式跳线结构型式完成跳线四变六。

由于在运500 kV输电线路大跨越耐张塔受结构尺寸的限制，无法采用硬铝管式跳线结构型式，因此亟需结合在运500 kV输电线路大跨越杆塔实际情况，设计一种新型大跨越跳线三变四结构，解决国内最早的导线三变四型式开裂问题。

3.1.2 新型结构理论设计

大跨越跳线新型三变四结构由SSY压缩型单变双设备线夹（3个）［9］、TLY型线夹［9］（2个）及小引流线组成，其中SSY压缩型单变双设备线夹一端与大跨越耐张线夹引流板通过螺栓连接，一端与跳线及小引流线液压连接；TLY型线夹一端与跳线通过螺栓连接，一端与小引流线液压连接；小引流线一端与SSY压缩型单变双设备线夹液压连接，一端与TIY型线夹液压连接。

3个SSY压缩型单变双设备线夹，其中2个单变双线夹各引出1根子跳线与小引流线，1个单变双线夹引出2根子跳线，4根子跳线起引流作用，两个“TLY型线夹+小引流线”用以解决4根子跳线的电流均匀分布作用。新型导线三变四型式详图如图3所示。

图3 新型导线三变四型式详图Fig.3 Detail drawing of new Type three-change-four-type conductor

上述大跨越跳线新型三变四结构已实验运行，经运检单位反馈，新型三变四结构运行情况良好，无电晕现象。

3.1.3 葛南线大跨导线三变四设计运用

1）跳线、小引流线选型：±500 kV葛南线非跨越侧导线为4×LGJQ-300轻型钢芯铝绞线，由于该轻型导线在国内早已停产，查阅文献［10］数据，本次跳线及小引流线选用各技术参数与之接近的JL/G1A-300/40钢芯铝绞线，导线的输送容量满足要求；

2）单变双线夹及TLY线夹选型：根据大跨越LHGJT-440压-浇式耐张线夹引流板特性及新跳线技术参数，本次选用SSY-300/40A-200（110×85）型单变双线夹，并选用配套的TLY-300/40型线夹；

3）小引流线长度确定：小引流线过短易碰撞，过长则不在耐张均压屏蔽环内，所处电磁环境较差，噪声较大，从力学角度、屏蔽角度、可听噪声方面考虑，并通过尺寸模拟，最终将小引流线定为1.5m，满足相应规范规程要求［11-12］。±500 kV葛南线大跨越新设计的导线三变四型式安装位置如图4所示。

通过上述500 kV超高压输电线路大跨越三变四结构后，葛南线大跨越跳线串可采取常规的4分裂上抗下垂线夹式悬垂线夹，与跳线连接部分均为液压型式，很好地解决了设备线夹在三变四联板连接处，长期受导线振动的影响，产生应力集中导致设备线夹疲劳开裂现象。

3.2 大跨越耐张金具串优化设计

±500 kV葛南线沱盘溪长江大跨段导线耐张线夹为铝合金制的压-浇式耐张线夹，不仅对导线有足够的握着力，而且铝合金制材质锈蚀程度较小，由于现无法找到原大跨越导线进行耐张线夹压接实验，故本次建议保留原大跨越导线耐张线夹、不更换旧导线的情况下，仅对大跨越耐张金具串按新规程、新材料进行重新设计，既满足运行安全要求，又节省了技改费。

以下分别从金具串联数及吨位选择、绝缘子型号及片数选择、金具串详细设计进行阐述，具体如下：

1）金具串联数及吨位选择［13-18］

回顾80年代初期，我国在大跨越金具方面研究工作欠缺，致使±500 kV葛南线沱盘溪长江大跨导线耐张串单个金具吨位较小，整串联数较多，且大部分金具都为非标、特制产品。随着特高压的建设以及金具市场发展，电力金具材质及工艺有很大改进与提高，随着导线强度、截面的增大和分裂数的增多，金具强度随之增大，国内生产的球头挂环、碗头挂板强度可达到760 kN，连塔金具、挂环、挂板极限荷载可达到1 200 kN。鉴于锦屏-苏南±800 kV特高压直流输电线路导线耐张串成功运用的3×550 kN结构型式，本次将原6×210 kN金具串结构型式优化为3×420 kN的结构型式，在机械强度满足要求的情况下将联数减少，便于日后运行维护。

2）绝缘子型号及片数选择［19-21］

根据最新国网直流绝缘子标准化产品目录，本次选用单片泄露距离为650 mm的U420BP/205T直流瓷式绝缘子。

原大跨越耐张串采用6×34×CA745EZ，串爬电比距为3.74 cm/kV，根据《湖北省电力系统污区分布图》（HB-2019），本次大跨越段污秽等级为c级（对应高压架空线路污秽分级标准中的Ⅱ级），根据文献［20］规定：“当选用爬电比距法选择绝缘子片数时，直流线路的爬电比距不宜小于同地区交流线路爬电比距的2.0倍”，本次治理在不低于原线路绝缘配置的情况下，按规范［21］Ⅱ级中值（4.5 cm/kV）考虑，本次大跨越耐张绝缘子串采用3×36×U420BP/205T直流瓷式绝缘子串，串爬电比距为4.68 cm/kV，满足规范设计要求。

3）金具串详细设计［13-26］

本次是对在运的大跨越导线耐张绝缘子金具串进行更换，在特定的环境下，新设计过程中需考虑的因素较多，主要为：①新绝缘子金具串总长应与原绝缘子金具串长度保持一致，以保证大跨越侧张力及弧垂不发生改变；②绝缘子金具串联数发生变化，新设计应合理优化联与联之间的连接位置及连接方式，以保证绝缘子金具串受力均匀且不易碰撞；③均压环设计应充分考虑绝缘子串高度的变化；屏蔽环设计应考虑连接金具的变化；④配置连接金具时，应考虑改造前后绝缘子长度发生的变化；⑤应尽量选用标准化金具，减少特制金具。

结合上述因素，±500 kV葛南线沱盘溪长江大跨段新设计的大跨越导线耐张金具串如图4所示。

图4 新大跨越导线耐张串图Fig.4 Tensile string diagram of new large span conductor

3.3 大跨越导线耐张串更换施工方案

3.3.1 施工总体方案

考虑大跨越导线耐张串施工跑线、掉线的安全风险，本次在3层安全保护措施情况下，对导线新耐张串采用一联一联的进行更换，即1号、2号、3号子导线分别对应的联数进行一一更换［27-28］。3层安全保护措施具体为，1套由导线夹头、滑轮组、手扳葫芦、施工孔、地面绞磨组成的换串兼锚固系统，1套防跑线地锚系统，1套由另两根子导线、子导线金具串子导线间隔棒受力做防掉线措施，以此确保大跨越导线耐张串的更换安全。以下从施工前期工作、施工具体方案对大跨越导线耐张串更换工作进行介绍。

3.3.2 施工前期工作

1）附件拆除：第一步将大跨越跳线部分拆除，第二步将导线侧均压环、屏蔽环及子串中连接的三联板拆除，第三步从金具端向跨江侧依次拆除导线上的阻尼线，为专用夹头的安装作准备。

2）锚固：利用导线挂点外侧的辅助施工孔做锚线系统。本次按在大跨越导线上布置2套10 t级滑轮组，1套通过塔身转向与地面绞磨连接，1套配置9 t手板葫芦后，通过耐张串与施工孔连接［29-30］；同时配置1套锚固系统在地面，对导线做防跑线锚固措施，其示意图如图5所示。

图5 锚线示意图Fig.5 Anchor diagram

3.3.3 施工具体方案

1）准备钢丝绳、滑车及1号、2号两台机动绞磨，做松旧耐张串的准备。将绞磨锚线的一端采用大跨越导线专用夹头安装于1号子导线上，另一端安装在1号子导线对应的联金具串前端调整板上。1号机动绞磨负责铁塔侧对应的联金具串，2号机动绞磨负责1号子导线侧金具串。

2）启动2号机动绞磨的牵引系统，同时将9 t手扳葫芦和地面锚绳随绞磨收紧，使得1号子导线两串金具串应力放松，锚线系统充分起到锚线的作用。

3）1号子导线侧金具挂环完全松弛后将其摘除，缓慢松出2号机动绞磨，至1号子导线对应的金具串成松弛状态，如图6所示。

图6 拆除耐张串示意图Fig.6 Schematic diagram of tensile string removal

4）1号机动绞磨处，用U型环与调整板连接并挂好滑车，收紧绞磨磨绳，松开铁塔挂点螺栓后缓慢将瓷瓶及连接金具放下至地面。

5）在地面将1号子导线的新绝缘子金具串组装，用1号号磨绳系于铁塔侧1号子导线金具串，2号磨绳系于1号子导线侧金具串。

6）使用1号绞磨负责吊起铁塔侧1号子导线金具串至挂点处将其挂好，再将导线侧绞磨磨绳收紧，启动2号绞磨将导线侧金具串提升至耐张线夹处连接，放松收紧系统使绝缘子金具串恢复受力。

7）按照上述7个过程分别对2号、3号子导线对应的绝缘子金具串进行更换，再通过第3个步骤，使三联在相对松弛的情况下，安装三联板连接装置，使三联成为一个整体，安装配套的均压环、屏蔽环，再恢复三联绝缘子串受力。

8）拆除所有工具，对导线阻尼线进行恢复安装。

4 治理方案优化特点

在大跨越三变四结构设计方面，新型的大跨越三变四结构大大改善了国内最早结构的缺陷，从结构型式上，该结构在大跨越耐张线夹出口处通过常规电力金具解决了导线三变四问题，跳线串采用500 kV电力线路常规的4分裂上抗下垂式跳线串，较最早方式的跳线串底部特制四联板引流板过渡部分结构型式更简单，也使三变四技术常规化、通用化；从力学性能方面，新设计的三变四结构中的单变双线夹一端采用液压型式与跳线连接，一端与大跨越耐张线夹通过螺栓连接，力学性能较好，且具备较好的抗舞性能，大大改善了最早结构中设备线夹在三变四联板连接处，长期受导线振动的影响产生应力集中，导致的设备线夹疲劳开裂现象，避免了跳线从引流板上脱落的安全事故；从电气性能方面，新设计的三变四结构，连接导线的单变双设备线夹、TLY型线夹均采用铝制、铝合金材质，导电性能、耐热性能较最早的三变四结构中过渡部分特制联板好；从运行检修方面，新设计的三变四结构跳线串为悬垂线夹结构型式，结构简单，维护方便，无需关注联板位置开裂情况。

在大跨越耐张金具串更换设计方面，新导线耐张串采用了3×420 kN结构型式，不仅联数减半，使繁杂的绝缘子金具串简单化，而且大部分金具为标准化金具，便于后期运行检修。

在大跨越导线耐张串施工方面，采用了1套换串兼锚固系统，1套防跑线地锚系统，1套由另两根子导线、子导线金具串子导线间隔棒受力做防掉线措施，以避免大跨越导线耐张串在更换过程中跑线、掉线的安全风险。

在经济效益方面，本工程对大跨越耐张金具串按新规程、新材料进行优化设计，既满足运行安全要求，又节省了运维检修费。

5 结语

本文介绍的500 kV输电线路大跨越耐张塔金具串安全隐患治理方案优化及措施，可适用于在于二十世纪初期及以前设计的500 kV交直流大跨越线路，其中新型大跨越三变四结构可用于解决早期三变四结构长期受导线振动而导致的设备线夹疲劳开裂问题，大跨越耐张金具串更换设计方案以及大跨越导线耐张串更换施工方案，可用于解决耐张金具串严重锈蚀安全隐患，从而避免500 kV大跨越线路因金具断裂造成的掉线风险，以此提高在运500 kV大跨越段线路的安全性，从而保障了电网的安全可靠性，提升了供电质量。