500 kV重冰區同塔雙回路垂直線間距離設計探討

，海平

(四川電力設計咨詢有限責任公司，四川 成都 610016)

0 引 言

西部川、滇、藏地區蘊藏著豐富的水電資源，但這些地區自然環境惡劣、人文社會環境復雜。隨著水電送出線路的增多，線路走廊資源日漸稀缺，以致于傳統上采用單回路架設的高海拔、重覆冰線路也有了采用同塔雙回架設的要求。

目前，500 kV重冰區同塔雙回線路在國內尚無應用實例，其瓶頸問題主要是無法準確把握不同工況下導地線脫冰跳躍高度和橫擺距離規律，因而缺乏重冰區同塔雙回線路鐵塔外形尺寸設計的指導原則。近年來，國內外學者通過模擬試驗和數值分析等方法對導地線脫冰響應進行了大量研究[1-13]，得出了很多具有工程實用價值的結論。文獻[13]采用有限元方法對各種脫冰工況下導線脫冰動力響應進行研究，得出了導線冰跳高度工程實用簡化計算公式(H=1.85Δf，Δf是導線脫冰前后靜止狀態下的弧垂之差)。據上述公式計算等檔距500 m的典型7檔耐張段在脫冰率為80%的情況下，任意單檔導線冰跳高度都將達到25 m以上[12]。鑒于冰跳高度很大，垂直排列的導地線為避免在檔距中央瞬間動態接近閃絡，在塔頭布置時主要靠足夠的水平位移來保證脫冰動態接近安全[14]。

按照《重覆冰架空送電線路設計技術規程》(以下簡稱重冰規程)10.0.4條規定，“重覆冰線路導線和地線在檔距中央的距離除滿足過電壓保護要求外，還要校驗導線和地線不同期脫冰時的靜態接近距離，此距離不應小于線路操作電壓的間隙值”。因此，垂直排列的重冰區雙回路塔上下層導地線之間還需留有足夠的垂直線間距離以保證靜態接近安全。針對上述校驗，規程中僅對下層導線給出了校核條件，而未對上層導地線的覆冰狀態進行規定，計算發現上層導地線覆冰狀態對導地線垂直線間距離的影響與下層導線相當，因此，有必要對上層導地線不同覆冰工況下所要求的垂直線間安全距離進行討論，從而確定不同期脫冰時上層導地線覆冰狀態，為500 kV重冰區同塔雙回線路塔頭設計提供參考。

1 不均勻冰導線應力和懸垂絕緣子串偏移計算

計算不均勻冰時上下層導地線之間靜態接近安全距離需先計算可不均勻冰情況下耐張段內各檔靜態弧垂，而靜態弧垂計算實質即為不均勻冰導地線應力和懸垂絕緣子串偏移值計算。

耐張段架線時，各檔導地線水平應力相等，直線塔的懸垂絕緣子串垂直。當外界氣象條件變化時(非架線工況)，由于檔距及高差不等或者外力(冰、風等)荷載在各檔的不均勻分布，造成耐張段內各檔應力有差別，進而使導線上出現縱向不平衡張力，致使懸垂絕緣子串出現偏移或導線在線夾內滑動現象[15]。重冰區線路不均勻覆脫冰是引起不平衡張力的主要原因。不均勻冰導地線應力和懸垂絕緣子串偏移值可通過以下公式進行精確迭代計算[16]

(1)

(2)

(3)

式中，li為檔距(m)；βi為高差角(°)；α為膨脹系數(1/℃)；E為彈性系數；tm為架線時氣溫(℃)；σm為應力(N/mm2)；Δtm為考慮初伸長降溫等效溫度(℃)；γm為比載(N/cm·mm2)；t為不均勻冰時氣溫(℃)；σi為應力(N/mm2)；γi為比載(N/cm·mm2)；Δli為檔距增量(m)；A為導地線截面，mm2；hi為高差，m；λi為懸垂絕緣子串長，m；Gi為荷載，N。

2 重冰區同塔雙回典型5檔線路不均勻冰計算模型

按重冰規程5.0.2條，重冰區耐張段不宜超過3 km。因此本次研究以5個等檔距連續檔(檔距分別為300 m、400 m、500 m、600 m)覆冰為模型，中間檔脫冰弧垂變化最大，因此以中間檔(第3檔)為校核檔對直線塔垂直線間距離進行研究。

外部邊界條件：導線為4×LGJ-500/45，地線為2根OPGW-150。導線采用“VVV”垂直排列方式，V串垂直方向串長5.7 m，串重為1 100 kg。考慮海拔高度為2 500 m，相間工頻電壓間隙值2.6 m，相間操作過電壓間隙值5.5 m。

對上下層導地線的覆冰狀態主要考慮如下3種工況。

工況1：考慮上層導(地)線弧垂為所有檔100%均勻覆冰弧垂，下層導線脫冰弧垂取值為：校核檔分別脫冰100%或脫冰80%，其余檔均100%覆冰。其示意圖如圖1。

圖1 工況1上下層導地線的覆冰狀態

工況2：考慮上層導(地)線弧垂為校核檔80%均勻覆冰，其余檔均100%脫冰時弧垂；下層導線脫冰弧垂取值為校核檔分別脫冰100%或脫冰80%，其余檔均100%覆冰。其示意圖如圖2。

圖2 工況2上下層導地線的覆冰狀態

工況3：考慮上層導(地)線弧垂為校核檔100%均勻覆冰，其余檔均100%脫冰時弧垂；下層導線脫冰弧垂取值為校核檔分別脫冰100%或脫冰80%，其余檔均100%覆冰。其示意圖如圖3。

圖3 工況3上下層導地線的覆冰狀態

3 重冰區同塔雙回典型5檔線路直線塔垂直線間距離計算

工況1：考慮上層導(地)線弧垂為所有檔100%均勻覆冰弧垂，下層導線脫冰弧垂取值為校核檔分別脫冰100%或脫冰80%，其余檔均100%覆冰。經上述工況計算，其垂直線間距離要求如表1。

工況2：考慮上層導(地)線弧垂為校核檔80%均勻覆冰，其余檔均100%脫冰時弧垂；下層導線脫冰弧垂取值為校核檔分別脫冰100%或脫冰80%，其余檔均100%覆冰。經上述工況計算，其垂直線間距離要求如表2。

表1 工況1垂直線間距離要求值

注：以上弧垂包括串長。

表2 工況2垂直線間距離要求值

注：以上弧垂包括串長。

工況3：考慮上層導(地)線弧垂為校核檔100%均勻覆冰，其余檔均100%脫冰時弧垂；下層導線脫冰弧垂取值為校核檔分別脫冰100%或脫冰80%，其余檔均100%覆冰。經上述工況計算，其垂直線間距離要求如表3。

表3 工況3垂直線間距離要求值

注：以上弧垂包括串長。

按重冰規程，下層導線校核條件為校核檔脫冰率不低于設計冰重的80%，為避免極端條件控制塔頭，同時滿足規程要求，則層間距取下層導線脫冰100%和80%時計算值的平均。此外，由于重冰區線路鐵塔呼稱高都較高，地線所處環境最為惡劣，為保證地線冰凌過載情況下與上相導線之間的電氣安全距離，地線支架高度取下層導線脫冰100%計算值。根據上述3種工況計算結果如下。

檔距為300 m時，直線塔導線垂直線間距離在3種工況下分別應取10.9 m、16 m、16.9 m；地線支架高度分別應取2.05 m、4.25 m、4.95 m。工況1不同期脫冰靜態接近要求導線間垂直距離僅10.9 m，地線支架高度僅2.05 m。按此條件布置塔頭，則層高完全由間隙圓控制，則中相導線和地線、上下相導線之間由于冰跳高度的不確定性仍然存在電氣安全風險。同時考慮到重冰區線路一般在高海拔山區走線，連續檔檔距僅300 m的概率很小，因此300 m左右檔距的連續檔直線塔層高和地線支架高度不應按工況1計算取值，建議直線塔層高按工況2計算取值，地線支架高度按工況 3計算取值。

檔距為400 m時，直線塔導線垂直線間距離在3種工況下分別應取15.15 m、21.2 m、25.45 m；地線支架高度分別應取4.75 m、7.95 m、8.35 m。若按單獨考慮工況2或者工況3計算取值，則塔頭尺寸完全由不同期脫冰靜態接近要求值控制，此時塔頭尺寸過大，鐵塔結構安全性得不到保證。若按工況1計算取值，該值比300 m檔距要求值還略小。因此400 m左右檔距的連續檔直線塔層高和地線支架高度建議按工況1和工況2統一考慮計算取值。

檔距500 m為時，直線塔導線垂直線間距離在3種工況下分別應取19.3 m、30.1 m、31.5 m；地線支架高度分別應取5.85 m、9.75 m、10.05 m。若按單獨考慮工況2或者工況3計算取值，則塔頭尺寸過大，鐵塔結構安全性得不到保證。因此500 m左右檔距的連續檔直線塔層高建議按工況1計算取值。建議地線支架高度按工況1和工況2統一考慮計算取值。同理，檔距為600 m時若按單獨考慮工況2或者工況3計算取值，則塔頭尺寸過大，鐵塔結構安全性得不到保證。因此600 m左右檔距的連續檔直線塔層高建議按工況1計算取值；地線支架高度按工況1和工況2統一考慮計算取值。

綜上所述，在文中典型5檔線路不均勻冰計算模型和研究邊界條件下，各檔距的不同期脫冰上層導地線覆冰狀態校核條件和塔頭控制尺寸推薦如表4。

表4 各檔距條件下塔頭控制尺寸推薦值

4 結 論

(1)通過建立典型5檔線路不均勻冰計算模型，計算得出等檔距300 m、400 m、500 m和600 m在導地線3種不同覆冰工況下所要求的垂直線間距離(見表1～表3)。

(2)綜合考慮重冰區工程應用情況和鐵塔結構安全性，同時結合不同工況下垂直線間距離計算值，推薦了實際工程中不同檔距下上層導線或地線覆冰狀態校驗條件(見表4)。

(3)給出了300 m、400 m、500 m和600 m檔距下導線間垂直線間距離和地線支架高度推薦值(見表4)，為500 kV重冰區同塔雙回線路塔頭設計提供參考。

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