輸電耐張塔上繞式跳線的應(yīng)用

聶 峰

（平行空間電力設(shè)計(jì)有限公司，湖南 長沙 410000)

0 引 言

目前，國內(nèi)輸電線路單回路耐張塔一般采用干字型塔，干字型耐張塔的技術(shù)指標(biāo)主要以前后側(cè)檔距、轉(zhuǎn)角度數(shù)、導(dǎo)線型號、氣象條件、跳線方式以及根開等因素有關(guān)，干字塔型耐張塔邊相導(dǎo)線一般采用向下直跳的方式引流，中相導(dǎo)線采用斜向上繞跳的方式引流。由于220 kV線路鐵塔導(dǎo)線橫擔(dān)寬度較大，絕緣子長度也較長，導(dǎo)致跳線弧垂也較大，向下直跳弧垂最低點(diǎn)比導(dǎo)線橫擔(dān)底面低2.5 m左右，特別在塔位地形較陡的林區(qū),可能因跳線對樹木間隙不夠而造成砍伐樹木或者升高鐵塔。因此，對耐張塔跳線方式的設(shè)計(jì)和規(guī)劃對桿塔技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)至關(guān)重要。

1 工程概述

某220 kV線路工程，線路全長為68.4 km，其中10 mm冰區(qū)路徑長度19.2 km，15 mm冰區(qū)路徑長度32.3 km，20 mm冰區(qū)路徑長度16.9 km，全線單回路架設(shè)。導(dǎo)線采用2XLGJ-300/40，地線1根為JLB-100，1根為光纖復(fù)合架空地線（Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire，OPGW）。本工程沿線地形為平地占8.1%，丘陵占38.8%，山地占53.1%，全線海拔高度在850 m以下，沿線交通條件較好，山地交通條件一般。

2 桿塔規(guī)劃

干字型耐張塔是目前輸電線路中最常用的單回路耐張塔形式，干字型耐張塔與貓頭、酒杯直線塔整體協(xié)調(diào)性好，加工工藝成熟、安裝方便、塔頭布置簡單，電氣間隙控制點(diǎn)簡潔明了，塔頭、塔身可采用1～2個變坡點(diǎn)合理布置其變坡。優(yōu)化鐵塔主材和叉材的受力，對控制塔重有著重要的意義。

本工程10 mm冰區(qū)直線塔采用貓頭型塔，導(dǎo)線水平排列，為了與貓頭塔相配合，對轉(zhuǎn)角度數(shù)不大的單回路耐張塔位，擬采用貓頭型耐張塔，跳線上繞式布置。與干字型耐張塔相比，貓頭型耐張塔有塔重較輕、導(dǎo)線排列方式與直線塔配合更為合理、根開比干字型耐張塔根開小、塔頭高度降低等優(yōu)點(diǎn)[1]。

3 塔頭跳線布置

耐張塔的塔頭間隙規(guī)劃主要考慮導(dǎo)線的線間距離、導(dǎo)線的排列方式、導(dǎo)線的保護(hù)角以及地線之間的距離，并考慮工頻電壓、操作過電壓以及雷電過電壓等塔頭間隙，并計(jì)算跳線的風(fēng)偏角、擺動來確定跳線弧垂、線長等因素確定塔頭尺寸[2]。

貓頭型跳線上繞式耐張塔擬采用防風(fēng)偏合成絕緣子上繞式跳線方式，采用掛板固定于地線橫擔(dān)上，在橫向荷載作用下與嵌套的金具解決應(yīng)力集中的問題[3]。貓頭型跳線上繞式耐張塔跳線方式示意如圖1所示。

圖1 貓頭型跳線上繞式耐張塔跳線方式

4 脫冰跳躍對導(dǎo)地線間距離的影響

在滿足電氣間隙的情況下，塔頭越小越緊湊，鐵塔重量就越輕，經(jīng)濟(jì)性越好。對于跳線上繞式耐張塔，其導(dǎo)地線之間的垂直距離小到一定程度之后，在導(dǎo)線脫冰跳躍和舞動等情況下，會由于間距過小而發(fā)生閃絡(luò)。本工程根據(jù)不同檔距對不均勻脫冰和脫冰跳躍計(jì)算得到導(dǎo)地線間垂直距離如表1所示。

表1 滿足脫冰跳躍最小導(dǎo)地線間垂直距離 單位：m

根據(jù)以上計(jì)算分析，本次規(guī)劃的貓頭型跳線上繞式耐張塔，受塔頭電氣間隙制約導(dǎo)地線之間垂直距離取5.2 m，大于表1中的計(jì)算數(shù)值，即脫冰跳躍不對導(dǎo)地線間距造成控制因素。

5 絕緣子和金具

本線路工程10 mm冰區(qū)，設(shè)計(jì)氣象條件為基本風(fēng)速25 m/s，最高氣溫40°，最低氣溫-5°。目前國內(nèi)使用成熟的耐張絕緣子串已有多年設(shè)計(jì)、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，絕緣子技術(shù)指標(biāo)都必須滿足規(guī)程規(guī)范規(guī)定的受力強(qiáng)度和電氣的相關(guān)參數(shù)。正常運(yùn)行情況下，耐張串金具應(yīng)不產(chǎn)生明顯的放電且滿足電線在大風(fēng)、覆冰、安裝等各種工況下各個方向的受力情況。

本工程10 mm冰區(qū)采用的貓頭型跳線上繞式耐張塔，為限制上繞式跳線搖擺角，絕緣子串采用防風(fēng)偏硬跳合成絕緣子，防風(fēng)偏硬跳絕緣子材質(zhì)為聚合物絕緣采用制作；主要的受力部位棒芯材質(zhì)采用環(huán)氧樹脂玻璃纖維；傘裙護(hù)套由高溫硫化硅橡膠制作，附著在芯棒外,保護(hù)內(nèi)絕緣并提供滿足要求的爬電距離。跳線串的第一聯(lián)塔金具，運(yùn)行時承受著拉力、剪力、彎矩、扭力等荷載，且荷載的方向受風(fēng)荷載的方向、轉(zhuǎn)角度數(shù)等條件的不同而變化。因此，對第一聯(lián)接金具提出更高要求，其結(jié)構(gòu)受力應(yīng)簡單，受力合理，安裝維護(hù)方便、轉(zhuǎn)動靈活，可靠性高和造價合理等。根據(jù)本工程特點(diǎn)，耳軸掛板受力、轉(zhuǎn)動、運(yùn)維、安裝及可靠性高都滿足本工程要求，因此貓頭型跳線上繞式耐張塔聯(lián)塔第一金具采用耳軸GD掛板，這樣在各種荷載作用下上繞式硬跳跳線絕緣子串可滿足受應(yīng)力的問題。減小貓頭型跳線上繞式耐張塔塔頭尺寸，提高技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)[4]。

6 導(dǎo)線表面電場強(qiáng)度

在電力輸電線路附近存在工頻電壓和電磁場，由此引起的電磁效應(yīng)和靜電影響。導(dǎo)線選型主要以載流量、表面電場強(qiáng)度、機(jī)械性能等為基本條件。電暈會導(dǎo)致電線發(fā)熱、損耗增加、導(dǎo)線機(jī)械性能加速破壞等問題，因此導(dǎo)線應(yīng)嚴(yán)格孔子電暈的發(fā)生。在線路工程中應(yīng)計(jì)算送電線路導(dǎo)線的載流量、表面電場強(qiáng)度、機(jī)械性能等技術(shù)參數(shù)。架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范條文說明中對電暈損失和對環(huán)境的無線電干擾進(jìn)行了詳細(xì)說明和規(guī)定。

7 走廊寬度和鐵塔占地

輸電線路走廊寬度主要由邊導(dǎo)線橫擔(dān)長度和風(fēng)偏控制。在導(dǎo)線對地高度較小時，邊導(dǎo)線場強(qiáng)限值對線路走廊寬度也有影響。根據(jù)電磁環(huán)境計(jì)算，本工程轉(zhuǎn)角度數(shù)小于45°時貓頭跳線上繞式耐張塔和干字型耐張塔走廊寬度相差不大，當(dāng)轉(zhuǎn)角度數(shù)大于45°時，貓頭型跳線上繞式耐張塔走廊寬度比干字型耐張塔窄，以60°轉(zhuǎn)角塔為例，跳線上繞式耐張塔的走廊寬度比干字型塔減少10%左右。從送電線路走廊和占地角面積分析，貓頭型耐張塔與干字型塔線路走廊寬度相差不大，但貓頭型耐張塔比干字型塔占地面積要小27%左右。貓頭型跳線上繞式耐張塔線路走廊范圍如圖2所示。

圖2 由場強(qiáng)決定的線路走廊范圍

8 防雷設(shè)計(jì)

輸電線路防雷設(shè)計(jì)是線路防雷、電網(wǎng)系統(tǒng)防雷工作的重要組成部分，由于高壓線路一般地山處地、丘陵等地區(qū)，輸電線路所經(jīng)過的地形復(fù)雜、植被茂密，線路涉及范圍較大，很容易遭受雷擊。因此，高壓輸電線路由雷擊引起的跳閘、電網(wǎng)事故比較多，嚴(yán)重影響到電網(wǎng)的安全[5]。雷擊不僅造成線路導(dǎo)線、絕緣子、金具等帶電設(shè)備的老損，而且給電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行來很大的安全隱患。雷閃后的沖擊電壓波以及重合閘時的操作過電壓都將沿著導(dǎo)線進(jìn)入變電站，增加設(shè)備的故障率。

8.1 反擊跳閘率

本工程采用架設(shè)2根地線，提高線路絕緣水平等措施提高線路的反擊耐雷水平。在檔距為350m，沖擊接地電阻為10 Ω，保護(hù)角分別取0°、10°和15°對貓頭型跳線上繞式耐張塔和干字型耐張塔不同桿塔呼高，桿塔的反擊耐雷性能進(jìn)行分析，結(jié)果如表2所示。

表2 不同耐張塔反擊跳閘率

根據(jù)表2可知，同呼高的貓頭型跳線上繞式耐張塔比干字型耐張塔的反擊跳閘率下降了40%左右。

8.2 繞擊跳閘率

高壓單回路由于鐵塔高度高，導(dǎo)線上工作電壓幅值大，比較容易由導(dǎo)線上產(chǎn)生向上先導(dǎo)，使得避雷線屏蔽性能變差而發(fā)生繞擊。國內(nèi)外的研究成果表明，線路繞擊率主要與地線保護(hù)角、桿塔高度、地面傾角、接地電阻等相關(guān)，其中地線對導(dǎo)線的保護(hù)角越小，繞擊率越小。跳線上繞式耐張塔與普通耐張塔的不同呼高，桿塔的繞擊跳閘率計(jì)算，結(jié)果如表3所示。

表3 不同耐張塔繞擊跳閘率

根據(jù)表3可知，同呼高的貓頭型跳線上繞式耐張塔比干字型耐張塔繞擊跳閘率下降了20%～44%。

8.3 防雷設(shè)計(jì)方案

本工程10 mm冰區(qū)大部分位于植被茂盛的林區(qū)，主要以山地、丘陵為主。從沿線運(yùn)行單位的收資情況及調(diào)查結(jié)果反應(yīng)，林區(qū)線路的防雷需重點(diǎn)考慮，并采取針對性的措施。

根據(jù)運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)，220 kV架空送電線路其反擊跳閘事故發(fā)生的現(xiàn)象比繞擊跳閘事故多，故提高線路耐雷水平，降低反擊跳閘率是防雷設(shè)計(jì)的主要工作。

8.3.1 架設(shè)避雷線

桿塔架設(shè)地線和也稱光纖復(fù)合架空地線（Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire，OPGW）是高壓線路防雷電的基本措施。目前國內(nèi)除35 kV線路不架設(shè)地線外，其他電壓等級的線路基本都架設(shè)有2根地線或者OPGW。其主要作用是對導(dǎo)線有保護(hù)作用，防止雷電直接擊于導(dǎo)線。

8.3.2 降低桿塔沖擊接地電阻

降低桿塔接地電阻可明顯提高架空送電線路的耐雷水平和反擊跳閘事故。架空線路規(guī)范中，對不同電壓等級的接地電阻有嚴(yán)格的要求，在土壤電阻率低的塔位，一般采用敷設(shè)圓鋼射線接地；在高土壤電阻率的地區(qū)，可采用多根放射形接地體、加長接地體、降阻劑、接地模塊以及石墨接地等新型產(chǎn)品降低桿塔的沖擊接地電阻值。

8.3.3 加強(qiáng)絕緣

輸電線路工程中，對于大檔距、高呼高桿塔或塔位地形較高的塔位，落雷機(jī)率會大大增加；電位和感應(yīng)過電壓會加大繞擊事故的發(fā)生。為降低跳閘率，可在大檔距、高桿塔、地形較高的塔位上增加絕緣子的片數(shù)，加大導(dǎo)、地線之間的距離，以加強(qiáng)線路絕緣水平，減少線路跳閘事故。

8.3.4 安裝線路避雷器

為了提高線路耐雷水平、限制線路雷電過電壓和降低系統(tǒng)因雷擊故障引起的跳閘率，增強(qiáng)輸電線路的可靠性，本工程采用安裝線路避雷器來滿足輸電線路要求。

9 結(jié) 論

本工程根據(jù)計(jì)算分析，最終推薦10 mm冰區(qū)采用貓頭型跳線上繞式耐張塔。在相同呼高情況下，上繞式貓頭耐張塔比干字型塔經(jīng)濟(jì)指標(biāo)降低10%左右；塔位占地面積節(jié)約27%；跳閘事故平均下降了40%左右；反擊跳閘事故下降了42%左右；邊導(dǎo)線的跳線高度提高了1.5～2.0 m。