110 kV架空輸電線路相關安全距離計算

謝煥鋒

(廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司,廣州 510635)

1 概述

架空輸電線路是指在金屬鋼架上合理搭設輸電導線，用來運輸電流的一種電力設施，架空輸電線路的建設中其導線一般和地面保持一定的距離。由于在架空輸電線路系統的建設中具有：成本投資少、施工速度快、施工方便、易于維修、電流輸送容量大、輸送距離超長等特點，所以，現今已成為主要的輸電形式[1]。但是，架空輸電線路在實際的運行中也有一些不足，由于架空輸電線路一般在戶外建設，周圍環境對其影響很大(見圖1)。

圖1 110 kV雙回輸電線路示意

近年來，隨著城市的發展，建筑物與線路保護區的矛盾越來越多，由于歷史原因，有很多高壓架空線路貫穿于城市，新建建筑物已經嚴重危及電力線路安全運行，同時過近的距離也會對人身安全造成極大地威脅，城市空間緊張，可以將高壓線路改造成地下電纜線路，但將原有的高壓線路都改造成地下電纜線路造價太高。如果新建建筑物與線路之間可以安全建設及運行，可以減少遷改工作從而減少建設投資，精確計算現有輸電線路導線在各種工況下的安全距離，對城市規劃建設非常重要。

2 110 kV架空線路安全距離簡介

控制與輸電線路導線最小安全距離的一個主要原因是絕緣水平，太近會擊穿空氣絕緣，造成放電危害，另一個原因是對地面電場磁場的控制，距離太近會電磁場危害[2-4]。如110 kV線路對地距離是以不發生危險的電氣間隙放電事故，即考慮正常絕緣水平決定，在非居民區按城鄉郊區在夏收季節若用汽車運輸時，按交通部門規定載高以4.0 m計算，操作過電壓等效間隙取0.70 m，裕度取0.5 m，則導線對地距離為4.0+0.70+0.5=5.2 m，此外還參考日本、前蘇聯等其他國家標準，最終取6.0 m[5]。

《110 kV～750 kV架空輸電線路設計規范》(GB 50545—2010)中對110 kV線路各項內容規定數值見表1所示。

表1 導線對地距離及交叉跨越距離

3 案例分析

3.1 案例背景

東莞市鳳崗某數碼城三組團項目位于東莞市鳳崗鎮雁田村，怡安東路北側。場地紅線南側緊鄰東深二路，東側為園區內道路，南側為怡安東路。110 kV輸電線路馬東線為東深供水專用架空輸電線路，接入上埔站，該輸電線路位于數碼城三組團項目用地紅線與東深供水箱涵之間，數碼城三組團項目用地紅線距離輸電線路邊導線最近處不足10 m，110 kV輸電線路馬東線與數碼城征地紅線平行，受影響范圍為距N11塔至N12塔大號側45 m處[6]。

本節將對該范圍輸電線路與建筑物之間安全距離進行分析計算，校驗數碼城三組團項目新建建構筑物對線路帶電導線是否滿足電氣安全距離。根據工程情況，本次校核包括：

1) 在最大計算導線弧垂情況下，導線對地面的最小垂直距離(圖2中距離A)，取居民區最小距離7 m。

2) 在計算風偏影響情況下，邊導線與規劃建筑物之間的最小5 m凈空距離(圖2中距離B、C)。

圖2 線路導線距離斷面示意

3.2 基礎數據的選取

輸電線路導線受氣溫、風力等外界因素影響，導線不是處于靜止狀態，會有導線弧垂變化及擺動，需要考慮在極限條件下，導線發生偏移后是否還滿足導線與建筑物的電氣安全距離，這時需取得輸電線路運行所處地區的氣象條件、導線設計安全系數等基礎資料，由于線路施工過程可能產生測繪誤差、定位誤差和施工誤差等，與圖紙資料產生差距，所以,進行精確距離計算時，需要現場測量復核輸電線路工程竣工現場與圖紙資料是否存在誤差，如桿塔安裝定位建議以現場測量為準[7]。

根據110 kV馬東線竣工資料(以下簡稱馬東線竣工圖)、數碼城三組團項目施工圖及現地測量復核，所收集需要的資料如下。

① 輸電線路路徑：110 kV輸電線路馬東線位于數碼城三組團已建項目西側，與征地紅線平行，受影響范圍處于N11塔～N18塔耐張段之間，該耐張段長為1 186 m，代表檔距為170 m。

② 氣象條件：本工程110 kV馬東線線位于東莞市鳳崗鎮，根據其竣工圖資料，線路所在地氣象組合見表2所示。

表2 氣象條件

③ 導線結構及其物理特性：110 kV馬東線導線型號采用LGJX-185/25，導線特性參數資料見表3。

表3 導線特性

④ 由于該地無覆冰情況，依據《電力工程高壓送電線路設計手冊》(以下簡稱線路手冊)計算方法，分別計算得到導線在自重力荷載、無冰時風荷載及無冰時綜合荷載時的比載[8]，計算結果見表4。

表4 導線荷載及比載

⑤ 絕緣子串：110 kV馬東線直線塔采用單聯絕緣子串，絕緣子采用復合絕緣子，復合絕緣子型號為FXBW3-110/70-B，絕緣子串整串長為1 639 mm，重量合計為12.50 kg，受風面積取Af=0.22 m2。

⑥ 桿塔形式：110 kV馬東線N11為鋼管耐張塔JG1-18，下橫擔長為2.4 m，N12～N14均為直線鋼管塔ZG1-24，下橫擔長為2.5 m。

⑦ 新建建筑物資料：三組團項目除新建樓房外，還對地面進行平整，在離輸電線路比較近的地方抬高了原有地面高程，除了校核輸電線路導線與高層建筑物水平距離外，還需要校核輸電線路導線與地面距離。各關鍵點與線路相對位置、高程等數據見本文計算過程。

3.3 計算在最大計算導線弧垂情況下，導線對地面的最小距離

據現場測量復核結果，110 kV馬東線N11、N12及N13塔安裝高程(混凝土基礎頂面)為37.66 m、37.54 m及37.73 m，N11塔至N12塔檔距l1=122 m，N12塔至N13塔檔距l2=165 m，由于N12～N13塔為直線鋼管塔，采用懸垂絕緣子串掛導線，計算導線懸掛點高程時需要考慮懸垂絕緣子串的長度，故N11與N12導線懸掛點高差、N12與N13塔導線懸掛點高差分別為h1=(37.54+24-1.64)-(37.66+18)=4.24 m；h2=(37.73+24-1.64)-(37.54+24-1.64)=0.19 m。

兩檔高差與檔距比值分別為h1/l1=0.0348、h1/l1=0.0012，根據《線路手冊》的描述，可采用平拋物線公式計算，以下計算均采用平拋物線公式計算。

由于該新建項目回填地面，抬高了原有地面高程，新地面Z型平臺與輸電線路鐵塔較近，且行人可至，故均需復核導線至新地面高程安全距離(圖2距離A)。

1) 110 kV馬東線N11～N12塔段

此塔段整段均受新建建筑物影響，受影響范圍地面比較平坦，保守計算可取N11～N12塔段范圍內的地面最高點校驗，該處最高點高程為45.70 m。

該區域無覆冰工況，最大導線弧垂發生于最高溫度時，查詢110 kV馬東線竣工圖《導線力學特性表》，得到代表檔距為170 m的耐張段，在最高氣溫時導線張力F=7.65 kN，則最高溫度條件下N11塔導線懸掛點到導線最低點垂直距離為：

(1)

(2)

所以導線最低點與地面離為Δh=37.44+18-0.63-45.70=9.11 m。

2) 110 kV馬東線N12～N13塔段

該段受影響范圍為N12塔至N12塔大號側約45 m處，受影響范圍地面平坦，故導線與地面最近點在N12塔大號側約45 m處，同理取最高溫時導線張力F=7.65 kN計算。N12塔大號側45 m導線與N12塔導線掛點垂直距離為

(3)

取地面高程為47.70 m校驗，該點導線距地面高程為Δh=37.54+24-1.64-2.39-45.70=11.81 m

可見以上位置距地面均符合規范居民區導線計算最大弧垂時距離地面大于7 m(居民區)的要求。

3.4 計算在最大計算風偏情況下，邊導線于建筑物之間的最小凈空距離

導線及絕緣子串受風力的作用有一定偏移[9-10]，除了計算導線受風力產生偏移，還需要考慮絕緣子串的風偏，最大偏移距離如圖3所示。

圖3 導線最大風偏距離示意

導線風偏角為導線風荷載比載及導線自重比載之比正切反函數值：

(4)

懸垂絕緣子串除自身風荷載影響，還受導線影響，N12絕緣子串風偏角為：

(5)

式中：

P1——懸垂絕緣子串風壓，N；

G1——懸垂絕緣子串重力，N；

P——導線風荷載，N/m；

W——導線自重力，N/m；

lh及lv分別為垂絕緣子串風偏角計算用杅塔水平、垂直檔距，可由水平檔距及垂直檔距計算公式：

(6)

(7)

分別求得N12、N13塔水平、垂直檔距為lh12=143.5 m，lv12=211.9 m，lh13=184 m，lv13=187.8 m。

同樣可求得N13、N14風偏角分別為56.00°、60.62°。

1) 110 kV馬東線N11～N12塔段

導線與地面建筑物最近距離在N11塔至N12塔中間位置，保守計算，取最大風偏及此時最大弧垂，查馬東線竣工圖《導線力學特性表》取最大風時導線張力F=14.10 kN，可求得最大風條件下導線最大弧垂為：

(8)

由于N11塔為耐張塔，采用耐張絕緣子串，忽略絕緣子引起的偏移，最大風偏點絕緣子風偏角為(0+45.88)/2=22.94°，則N11～N12塔段導線最大的水平風偏距離為：1.71×sin57.64°+0.5×1.64×sin22.94°=1.76 m。

此處線路路徑中心線距高層建筑物最近距離為23.56 m，最大風偏時距建筑物水平距離為(圖2距離B):D=23.56-(2.4+2.5)/2-1.76=19.35m。

2) 110 kV馬東線N12～N13塔段

該段與高層建筑物最近點在N13塔28.5 m處，距離為17.36 m，距地面欄桿最近點在N13塔大號側 45 m處，取最大風時張力F=14.10 kN計算。

由公式：

(9)

可計算N13塔大號側28.5 m處、45 m處弧垂分別為f28.5=1.78 m，f45=2.48 m。

該塔段最大風偏時距建筑物水平最近距離(圖2距離B)為D=17.36-2.5-1.12-1.78sin(57.64°)=12.54 m。

2個塔段導線與高層建筑物距離符合規范導線計算風偏情況下與建筑物之間最小凈空距離5 m的要求。

4 結語

本文通過工程實例，分析輸電線路導線與建筑物距離最近時所處的不同工況，并計算對應工況導線與建筑物距離。

由于該實例中導線懸掛點高差與檔距比較小，采用了平拋物線公式計算，由計算結果所見，該處輸電線路導線與建筑物安全距離裕度較大，如果建筑物與輸電線路距離緊張，應采用更加準確的平拋物線公式、懸鏈線公式進行計算，甚至采用更加直觀、精確的三維模擬進行安全距離校驗[11]。假如導線與建筑物不滿足安全距離要求，則需要對輸電線路進行遷改，如調整輸電線路路徑方案或改為入地電纜，對于雙回同塔難以同時停電的輸電線路，經過合理分析，也可采用輸電塔原位帶電頂升等方案[12]。