新型半V串悬垂塔在1 000 kV输电线路工程中的应用研究

鄢秀庆，王 飞，刘翔云，罗 鸣，付晓旭

(1.中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司，四川 成都 610000；2.中国电力技术装备有限公司，北京 100052)

0 引言

悬垂直线塔导线挂线方式一般有I串型式和V串型式两种[1-2]。I串挂线方式的导线在水平方向不受约束，受风荷载作用后会产生较大的风偏，加大了导线间的水平间距，走廊宽度较宽，房屋拆迁量大；采用V串挂线方式挂线，导线水平方向受约束，可有效节约走廊宽度，但在同等呼高下，由于V串横担长度较I串长7～8 m，塔头风荷载较大，导致V串挂线的塔重比I串大13%～14%。可见，I串及V串挂线方式各有优缺点。

本文在借鉴I串与V串挂线方式优缺点的基础上，结合当前支柱绝缘子研究应用水平，以1 000 kV山东环网工程为依托，提出了半V串新型悬垂直线塔方案。该方案由普通悬垂串和受压支柱绝缘子组成，如图1所示。通过支柱绝缘子的受压作用，减少悬垂串的摆动，降低了相间距离；同时避免了V串需要增加横担长度弊端，经技术经济比较，该方案具有良好的经济效益。本文的研究成果可为该方案的应用提供一定的参考。

1 半V串组装设计

实现半V串的组装设计，主要有三个难点。其一为由支柱绝缘子和悬垂串组成的V面可实现顺线路自由摆动，要求绝缘支柱与塔身的连接具有前后自由转动功能；其二为悬垂串与支柱绝缘子的连接要使得导线荷载在二者间合理传递，即垂直荷载由悬垂串传递至横担，水平荷载主要由支柱绝缘子传递至横担根部；最后由于半V串为非对称串，需研制特殊均压环以实现对绝缘子的屏蔽作用。

悬垂串和支柱绝缘子形成直角三角形,前后摆动时旋转轴为横担下平面，悬垂I串采用EB挂板的方式与横担连接即可实现前后转动，如图2所示。支柱绝缘子与横担根部的连接需要设计特殊装置。如图3所示，该装置主要由套筒和螺杆组成，螺杆与塔身相连，套筒与螺杆相连且可自由转动，支柱绝缘子通过端头的铁件与套筒上的连板用销轴进行连接。当存在不平衡张力时，销轴带动连板和套筒，绕螺杆可自由转动。该种连接方式在灵州—绍兴±800 kV特高压直流输电线路工程已成功运用，并运行多年，具有一定的应用经验[3]。

图2 悬垂串与铁塔的联结方式

图3 支柱绝缘子与铁塔的联结方式

为实现两串间合理传力，悬垂串可采用三角形联板与支柱绝缘子进行连接，如图4所示，三角形联板与组合联板采用U形环连接。当出现水平荷载时，可通过三角形联板实现力 的分配，该种传力模式类似三角形桁架，悬垂串承担拉力，支柱绝缘子承当压力，传力直接，实现了悬垂串和支柱绝缘子协同受力的功能。此外，由于串型不对称，可根据绝缘子串电压分布情况采用特制均压环。

图4 半V型绝缘子串型示意图

支柱绝缘子与悬垂串夹角主要受间隙作用下的横担长度和悬垂绝缘子串的高度影响，可忽略塔型规划时摇摆角的影响，一般情况下，其夹角近似等于V串夹角的一半。此外，为方便三角形联板的加工，不同塔型间的夹角宜尽量保持一致。

2 塔头设计

相对于常规I串、V串悬垂直线塔，新型悬垂直线塔增加支柱绝缘子后，横担尺寸大幅减少，以SZ27103为例进行对比分析，各种串型塔头布置如图5所示。

图5 SZ27103悬垂直线塔不同挂线方案单线图

横担长度方面：常规I串布置时，横担长度最大为14.7 m，V串布置时，为22.13 m，而半V串新型悬垂直线塔仅为11.8 m，较I串和V串分别缩短19.7%，46.7%。

横担层高方面：对于层高受上相导线间隙控制的铁塔，半V串悬垂直线塔导线更靠近塔身，间隙控制点处横担高度更高，因此新型悬垂直线塔相对于常规I串悬垂直线塔层高略高，常规I串悬垂直线塔层高为19.2 m，V串悬垂直线塔为20.1 m，半V串型新型悬垂直线塔为19.5 m，较I串增加1.6%，较V串减少3%。

走廊宽度方面：常规I串布置时为43.4 m，半V串与V串布置基本相当，分别为37.6 m、39.6 m，走廊宽度为I串布置时的86.6%、91.2%，节约13.4%、8.8%。采用半V串在房屋分布密集区域具有明显优势。

3 电气特性分析

受不同串型间隙、布置等影响，双回路铁塔的层高、相间距离均不同，因此上述各布置方案的电磁环境也存在差异[4-5]。根据图5布置方式，500 m海拔条件下半V串悬垂塔导线可听噪声和无线电干扰测算见表1所列。

表1 导线可听噪声和无线电干扰测算

根据GB 50665—2011《1 000 kV架空输电线路设计规范》，1 000 kV交流输电线路的电磁环境指标控制值为：线路可听噪声按照距线路边相导线投影外20 m处，湿导线的可听噪声不大于55 dB(A)控制。无线电干扰限值暂按距边相导线投影20 m处，对地2 m高处，测试频率为0.5 MHz时的晴天条件下不大于58 dB(μV/m)控制。经校验，按半V串布置的双回路铁塔满足规范电磁环境限值的要求。

4 力学特性分析

新型悬垂直线塔增加了支柱绝缘子的约束作用，导致导线荷载传递至塔身的方式发生变化。下面对塔型荷载传导方式进行对比，如图6所示。

图6 荷载作用示意图

由图6可看出，常规I串悬垂直线塔导线荷载可直接由绝缘子串传递至挂点，即导线三个方向的荷载完全作用于横担端头。半V串型新型悬垂直线塔导线受支柱绝缘子的约束作用，导线平行横担方向(X方向)荷载FX对支柱绝缘子产生压力F支，F支＝FX/cosθ。F支的竖向分力FZ1与导线垂荷FZ叠加作用于绝缘子串并传递至横担端部，即绝缘子串轴力在竖向分力FZ2＝FZ＋FZ1＝FZ＋FXtanθ，导线荷载FX全部由支柱承受。导线顺线路方向(Y方向)荷载则完全由绝缘子串承担，即绝缘子串轴力在Y方向分力FY2＝FY。与常规I串新型方案相比，本方案横担端头不再承受X方向荷载，但在Z方向的荷载增加，横担根部需承受导线荷载在X方向分力及产生的Z方向分力。

以90°风为例进行计算，V串按90°，半V串按45°考虑，结果见表2～表3所列。

表2 不同串型受力分配计算(左侧横担)kN

表3 不同串型受力分配计算(右侧横担)kN

90°大风工况计算得出，支柱绝缘子左侧横担受压226 kN，右侧横担受拉226 kN。采用E-玻璃纤维+环氧树脂，经缠绕成型或拉挤成型的复合支柱绝缘子[6-7]具有良好的机械及绝缘性能，可满足输电线路的应用要求。根据文献[7]的算法，采用φ60 mm×20mm，套管选用φ80 mm×10 mm×460 mm可满足受力及构造要求。

5 经济性分析

仍以典型悬垂直线塔SZ27103为例，对比分析常规I串挂线方式、常规V串挂线方式、新型半V串型的经济性。根据前述结构设计及串型布置，综合考虑塔材、基础、绝缘子、金具投资后，单基悬垂直线塔的本体投资对比见表4所列。

表4 SZ27103悬垂直线塔三种型式本体投资对比表

半V串与常规I串及常规V串相比，由于增加了支柱绝缘子，导致绝缘子金具串配合投资增加，但半V串横担长度远小于I串方案，仅为V串方案的一半左右，因此半V串在单基投资低于I串型，更低于V串型。

结合房屋拆迁量(表5)，由于半V串走廊宽度基本与V串相当，房屋拆迁费用基本相当，但其本体投资远低于V串，因此总投资半V串低于V串；与I串相比，其本体投资略低，但由于走廊宽度远小于I串，因此房屋拆迁量越多，半V串优势越明显。

表5 常规I串、常规V串及新型半V串综合投资对比表

6 结论

本次研究在结合当前支柱绝缘子研究应用水平基础上，提出了半V串新型悬垂直线塔方案，并对新型悬垂塔的技术经济性进行分析，主要得出以下结论：

1)新型半V串挂线集合了I串与V串挂线方式的优点，可以大幅度优化塔头，同时缩小相间距离，节约走廊宽度。

2)串型组装方面：支柱绝缘子采用套筒与塔身相连，采用三角形联板与悬垂串相连，可实现前后自由摆动的功能，同时达到合理分配导线荷载的作用。此外，采用特制异形均压环可实现对不对称绝缘子串屏蔽的作用。

3)塔头尺寸方面：新型半V串型横担长度最小，较常规I串型缩短了19.7%，较常规V串缩短了46.7%；横担层高方面，三种方案基本相当。

4)电气特性方面：新型半V串虽然缩短了横担长度，但仍然可满足规范对于可听噪声及无线电干扰的要求。

5)铁塔受力方面：新型半V串型横担端头不再承受垂直线路的水平方向(X方向)荷载，但横档端部竖向(Z方向)荷载增加，顺线路方向(Y方向)荷载不变；同时横担根部需承担水平方向(X方向)及竖向(Z方向)荷载。

6)经济性方面：新型半V串悬垂直线塔虽绝缘子金具串造价略高，但其铁塔及基础节省较多，单基总投资较常规I串及V串更为经济。由于新型半V串在缩小走廊宽度上的显著优势，因此，当综合考虑房屋拆迁费用时，新型半V串的工程投资更具优势。

因此，工程应用中可推荐采用半V串新型悬垂直线塔。