大開距巨型間隔棒與雙柱懸索拉線塔的配合應用

王曉春

（國網國際發展有限公司，北京 100031）

0 引言

巴西電網建設允許私有企業參與投資，其投資政策是由巴西國家電監會通過公開招標的模式，在開標大廳上公開宣布每個投標商的報價，以招標文件中規定的年收入（RAP）為基礎，打折最多者中標，即獲得該項目30年的特許經營權。

500 kV巴拉那伊巴輸電項目是國家電網（股比51%）與巴電弗納斯電力公司（股比24.5%）、巴拉那州電力公司 （股比24.5%）聯營體成功中標007／2012號G標段。

由于工程造價決定回報率，所以在滿足招標公告規定的環境要求和技術要求的前提下，降低投資成本是投資商提高競爭力獲取高投資回報率的必要手段［1］。

由于招標文件規定了500 kV巴拉那伊巴輸電線的自然功率為1 670 MW的高要求，所以本項目在單回線路上采用了大開距巨型間隔棒的分裂組合導線與雙柱懸索拉線塔配合應用的技術［2-3］，使傳輸容量比同類常規輸電線路增加60%以上，性價比高，競爭力強。

1 導線的選擇與配合

1.1 基本電氣參數

根據系統要求，輸電線路最高工作電壓550 kV；額定短路耐受電流50 kA；額定工作電流4 780 A；最大工作電流6 020 A。電氣參數見表1。

表1 500 kV線路電氣參數

1.2 導線選擇與配合

為了能夠使本線路達到自然功率1 670 MW，對4~6分裂及不同規格的導線配合做了分析比較，如表2所示。

表2 不同規格導線的自然功率

通過分析比較，選用了6分裂、導線截面795 kcmil、子導線最大間距2.58 m組合導線配置方案。該方案的采用減少了自阻抗，通過減少相間距離又增大了互阻抗，從而降低了線路的正序阻抗，有效地提高了線路的自然功率。

2 導線的布置與絕緣配合

2.1 導線布置

從電氣角度來說，水平布置和倒三角布置在功率、地面電場和導線表面電場方面區別不大，因此方案優化更多地取決于鐵塔結構方案。在優化研究中，影響鐵塔結構方案的重要因素是鋼材重量。為了評估三相導線水平和倒三角兩種排列方式對鐵塔鋼材重量的影響，按相同的自然條件（地形與氣象條件等）和設計規劃條件（對地高度、導線、地線、使用檔距等），在經驗基礎上進行了兩種塔重估算：第一步是估算滿足安全距離要求的鐵塔呼稱高度和全高；第二步是結合不同荷載組合條件進行力學分析，計算鐵塔上下各主要部件重量；第三步結合經驗公式估算輔助部件重量。計算結果和工程經驗均表明，直線鐵塔鋼材重量主要和導線水平風荷載與張力引起的扭矩有正相關性，而導線水平風荷載和張力引起的扭矩與其懸掛高度有明顯的正相關性。3相導線倒三角排列相對于水平排列，有2相導線要抬高5 m左右，其水平風荷載與張力引起的扭矩明顯增大，故直線鐵塔重量明顯增加。由于本工程線路的鐵塔有88%是直線塔，所以本設計直線塔采用了導線水平布置的雙柱懸索拉線塔經濟性更好。

2.2 導線絕緣配合

根據IEC-60815污染條件下高壓絕緣子的選擇規范［4］，通過對每相組合導線的子導線表面電位梯度的計算，獲得配置的平均梯度值為18.17 kV／cm2，最大梯度值為19.27 kV／cm2。

考慮線路沿線區域的污穢程度要滿足IEC—60815［4］表 II的類型“輕”（I級），故選擇相間的特定爬電比距為14 mm／kV。所以按照當地的設計標準，采用懸式玻璃絕緣子串，如表3所示。在最大工作電壓情況下，符合懸索最大位移動，確保塔架上任何元件的對地凈距離大于1.10 m。

表3 絕緣子串設計類別

對于線路面臨雷擊，根據塔頭、絕緣子和導線的結構，在雷電活動水平為70區域，平均接地電阻R=20 Ω，故障指標為每年 0.83次／100 km，滿足了項目招標文件規定的最多故障每年1次／100 km的要求。

3 間隔棒的設計及試驗

關于子導線分裂間距的設計，巴西弗納斯電力公司聯合其他研究中心，如巴西電能研究中心、南大河州聯邦大學，弗盧米嫩納聯邦大學以及意大利防震系統及間隔棒制造公司、奧地利的防震系統、拉線、光纜及金具制造公司、絕緣子和導線制造公司、設計院等，米蘭理工大學也作為防震系統及間隔棒的研發顧問參與了這次研究；同時還邀請巴西國內有關規劃，設計，環境，資產和建設部門，深入研究了該問題。對子導線分裂的非常規布置在初步可行性研究中做了設定，并在后期經濟技術優化方案制定中不斷調整，使得其在電壓等級為500 kV線路的自然功率大2～3倍（約2 200 MW）。六分裂組合導線是按照“倒三角形”布置配置金具和絕緣子，并在巴西電能研究中心實驗室進行了試驗，試驗結果令人滿意。由于維護需要在兩相中進行，因此間隔棒的設計考慮了線路帶電情況下維修的便利性。間隔棒的大小和結構還考慮了外力因素的影響。

通過從制造廠和輸電安裝的實踐和驗證得知，這類子導線間隔棒的不對稱形狀和尺寸的變化會加大生產和長距離線路建設的難度。因此，綜合考慮了線路輸送能力、制造成本以及線路安裝方便等因素，得出了最簡單的能實現線路自然功率1 670 MW的所用間隔棒比較理想的設計，即把間隔棒的幾何形狀按照六分裂導線設計成六角形，子導線分上、中、下3層布置，兩個邊相（A、C相）間隔棒尺寸：上下高度層子導線的間距為2 580 mm；中心處間角子導線之間的水平寬度間距為2 100 mm；上層和下層處子導線的間距寬度均為1 050 mm。對于中心相（B相）間隔棒尺寸：上下層子導線的間距高度為1 390 mm；中間角子導線之間的水平間距為中心處寬度為960 mm；上層和下層子導線的間距均為490 mm，兩者在垂直和水平軸上對稱，如圖1所示。

懸垂絕緣子串根據輕型和重型結構分別使用“III”排列（雙柱懸索拉線塔）和“IVI”排列（自立塔），力分別為160 kN、180 kN和210 kN。在圖1中，可以看到各絕緣子串的懸掛和電氣測試情況［5］。

圖1 懸垂絕緣子串及間隔棒試驗

4 懸索拉線塔

根據巴西輸電設計規范［6］，結合巴西當地典型的線路直線塔結構，經過多年的研究試驗，找到了線路的最佳解決方案，是直線塔采用雙柱懸索拉線塔 ，其幾何形狀，橫擔和導線的布置如圖2所示。該方案滿足了500 kV線路采用大開距六分裂組合導線懸掛的各項要求，符合巴西國家電監會2010年3月23日發布的398號標準《關于電場和磁場的極限要求的規定》。與此同時還結合了經濟優化，獲得了項目良好的性價比。

圖2 雙柱懸索拉線塔絕緣子串示意圖

懸索拉線塔、組合導線及間隔棒配置如圖3所示，使用懸索拉線塔的優點為：與使用常規“倒三角布置”鐵塔相比較能節省50%的成本；有利于實現緊湊型布置，即壓縮相間距離、擴大子導線間距，從而實現降低線路阻抗，提高線路輸送能力；雙柱懸索拉線塔自我調整能力強，耐抗壓力和抗扭力，可大大降低故障率；與傳統塔相比，高壓脈沖測試證明雙柱懸索拉線塔抗擊短路電流的能力更強；杜絕鳥類在橫擔上續巢，防止污閃；雷電防護極好，防雷擊保護可靠；6個接地極和大接地面積有效降低了接地電阻，提高了大地導電率；該塔型重量輕、組裝快、安裝方便。該設計滿足IEC架空線路設計標準［7］、鋼結構設計標準［8］和網狀結構設計程序［9］。

機械和結構方面為了確定機械負載并建立可靠性的研究，參考了 IEC-60826［7］可靠性 ／失敗概率建議、該區域風力數據以及國家電監會招標文件上最低滿足 250 年一遇的要求［10］。

風力統計研究已經表明23.61 m／s為風速參照值（VR），風速在離地高度10 m，地域開闊平整、極少障礙（地表粗糙度B），時距10 min和50年一遇。對應250年一遇要求的可靠性等級，取得基準風速為27.77 m ／s。

圖3 懸索拉線塔、組合導線及間隔棒配置

根據招標文件要求，需考慮在風暴強風發生的假設，如小范圍內的雷暴（TS）。對于250年一遇，研究表明在3 s瞬時為44.44 m／s的風速。由于風的范圍小，這種極端風的特征不會因高度產生較大變化，這種類型的風通常被認為整體作用于結構上大約25%風力作用。表4顯示了該項目最終風壓取值。

表4 項目風壓取值

該配置必須滿足電場和磁場的限制規定，即線路在最大工作電壓運行時，符合2010年3月23日巴西電監會發布的第398號規定的限度內。本工程的線路走廊寬60 m，鐵塔處75 m，走廊內外均滿足環保要求。本線路的電磁曲線如圖4所示，圖4中橫軸表示測量點與線路走廊中心線的距離。

圖4 線路走廊內電場、磁場曲線

按照以下標準計算導線和避雷線的張力：

1）極端風作用時（T=200年），軸向張力控制在70%導線斷裂負荷，相關溫度17℃；

2）常規風作用時（T=50年），軸向張力控制在50%導線斷裂負荷，相關溫度17℃；

3）在無風條件下（考慮導線10年蠕變后）軸向張力控制在20%導線斷裂負荷，相關溫度22℃；

4）在最低溫條件下（1℃），軸向張力控制在33%導線斷裂負荷。

遵守導線設計規范，避雷線的張力是在22℃無風條件下、弧垂大致相等并控制在導線弧垂的90%。

5 經濟比較

為了滿足高環保要求和1 670 MW的輸送能力，500 kV線路通常采用同塔雙回線路結構。而本工程在單回路結構下，采用了大開距巨型間隔棒的分裂組合導線與雙柱懸索拉線塔配合應用的技術同樣解決了上述問題，兩個方案的主要經濟指標比較見表5。

表5 主要指標比較表

6 結語

500 kV巴拉那伊巴項目是國家電網在巴西投資的第一個全線竣工投產并獲得100%收益的綠地輸電項目。該項目在全球首次采用這種大開距巨型間隔棒的分裂組合導線與雙柱懸索拉線塔配合應用的技術并實現了商業運營，有效解決了環保要求高、線路輸送能力要求高的問題，工程性價比優勢明顯。該項技術的首次成功應用，必將對國家電網進一步拓展巴西輸電綠地項目發揮巨大作用。

［1］ABNT-ASSOCIA??O BRASILEIRA DE NORMAS TéCNICAS.Avalia??o de Bens-Brasil：ABNT-NBR 14653［S］.Rio de Janeiro：ABNT，2004.

［2］GENERAL ELECTRIC CO.Transmission line reference book 345 kV and above［M］.California：Electric Power Research Institute，1982.

［3］GUIMAR?ES FERREIRAS DA SILVA，JO?O，B.R.P.et al-“LT 500kV CS Barreiras II-Rio das éguas-Luziania-Solu??o Eletromecanica Estrutural para SIL de 1 670 MW”-XXIII SNPTEE［C］.Foz do Igua?ú，PR，Brasil，2015.

［4］IEC-INTERNATIONAL ELECTROTECHNICAL COMMISION.Selection and dimensioning of high-voltage insulators for polluted conditions：IEC-60815［S］.2008.

［5］IEC-INTERNATIONAL ELECTROTECHNICAL COMMISION.Overhead lines-requirements and tests for fittings：IEC-61284［S］.1997.

［6］ABNT-ASSOCI??O BRASILEIRA DE NORMAS TéCNICAS.Projeto de Linhas Aéreas de Transmiss?o de Energia Elétrica-Brasil：ABNT-NBR 5422 ［S］.Rio de Janeiro：ABNT，1985.

［7］INTERNATIONAL ELECTROTECHNICAL COMMISION.Design criteria of overhead transmission lines：IEC-60826［S］.Third Edition，2003.

［8］ASCE-AMERICAN SOCIETY OF CIVIL ENGINEERS.Design of lattice steel transmission structures：ASCE 10-97［S］.Edition 2000.

［9］ABNT-ASSOCIA??O BRASILEIRA DE NORMAS TéCNICAS.Execu??o de Suportes Metálicos Treli?ados para Linhas de Transmiss?o：Procedimento：Projeto de Revis?o ABNT NBR 8850-R20［S］.Rio de Janeiro：ABNT，2005.

［10］CIGRé.How overhead lines respond to localized high intensity winds：TF B2.06.09［S］.2008.