新型半V串懸垂塔在1 000 kV輸電線路工程中的應用研究

鄢秀慶，王 飛，劉翔云，羅 鳴，付曉旭

(1.中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司，四川 成都 610000；2.中國電力技術裝備有限公司，北京 100052)

0 引言

懸垂直線塔導線掛線方式一般有I串型式和V串型式兩種[1-2]。I串掛線方式的導線在水平方向不受約束，受風荷載作用后會產生較大的風偏，加大了導線間的水平間距，走廊寬度較寬，房屋拆遷量大；采用V串掛線方式掛線，導線水平方向受約束，可有效節約走廊寬度，但在同等呼高下，由于V串橫擔長度較I串長7～8 m，塔頭風荷載較大，導致V串掛線的塔重比I串大13%～14%。可見，I串及V串掛線方式各有優缺點。

本文在借鑒I串與V串掛線方式優缺點的基礎上，結合當前支柱絕緣子研究應用水平，以1 000 kV山東環網工程為依托，提出了半V串新型懸垂直線塔方案。該方案由普通懸垂串和受壓支柱絕緣子組成，如圖1所示。通過支柱絕緣子的受壓作用，減少懸垂串的擺動，降低了相間距離；同時避免了V串需要增加橫擔長度弊端，經技術經濟比較，該方案具有良好的經濟效益。本文的研究成果可為該方案的應用提供一定的參考。

1 半V串組裝設計

實現半V串的組裝設計，主要有三個難點。其一為由支柱絕緣子和懸垂串組成的V面可實現順線路自由擺動，要求絕緣支柱與塔身的連接具有前后自由轉動功能；其二為懸垂串與支柱絕緣子的連接要使得導線荷載在二者間合理傳遞，即垂直荷載由懸垂串傳遞至橫擔，水平荷載主要由支柱絕緣子傳遞至橫擔根部；最后由于半V串為非對稱串，需研制特殊均壓環以實現對絕緣子的屏蔽作用。

懸垂串和支柱絕緣子形成直角三角形,前后擺動時旋轉軸為橫擔下平面，懸垂I串采用EB掛板的方式與橫擔連接即可實現前后轉動，如圖2所示。支柱絕緣子與橫擔根部的連接需要設計特殊裝置。如圖3所示，該裝置主要由套筒和螺桿組成，螺桿與塔身相連，套筒與螺桿相連且可自由轉動，支柱絕緣子通過端頭的鐵件與套筒上的連板用銷軸進行連接。當存在不平衡張力時，銷軸帶動連板和套筒，繞螺桿可自由轉動。該種連接方式在靈州—紹興±800 kV特高壓直流輸電線路工程已成功運用，并運行多年，具有一定的應用經驗[3]。

圖2 懸垂串與鐵塔的聯結方式

圖3 支柱絕緣子與鐵塔的聯結方式

為實現兩串間合理傳力，懸垂串可采用三角形聯板與支柱絕緣子進行連接，如圖4所示，三角形聯板與組合聯板采用U形環連接。當出現水平荷載時，可通過三角形聯板實現力 的分配，該種傳力模式類似三角形桁架，懸垂串承擔拉力，支柱絕緣子承當壓力，傳力直接，實現了懸垂串和支柱絕緣子協同受力的功能。此外，由于串型不對稱，可根據絕緣子串電壓分布情況采用特制均壓環。

圖4 半V型絕緣子串型示意圖

支柱絕緣子與懸垂串夾角主要受間隙作用下的橫擔長度和懸垂絕緣子串的高度影響，可忽略塔型規劃時搖擺角的影響，一般情況下，其夾角近似等于V串夾角的一半。此外，為方便三角形聯板的加工，不同塔型間的夾角宜盡量保持一致。

2 塔頭設計

相對于常規I串、V串懸垂直線塔，新型懸垂直線塔增加支柱絕緣子后，橫擔尺寸大幅減少，以SZ27103為例進行對比分析，各種串型塔頭布置如圖5所示。

圖5 SZ27103懸垂直線塔不同掛線方案單線圖

橫擔長度方面：常規I串布置時，橫擔長度最大為14.7 m，V串布置時，為22.13 m，而半V串新型懸垂直線塔僅為11.8 m，較I串和V串分別縮短19.7%，46.7%。

橫擔層高方面：對于層高受上相導線間隙控制的鐵塔，半V串懸垂直線塔導線更靠近塔身，間隙控制點處橫擔高度更高，因此新型懸垂直線塔相對于常規I串懸垂直線塔層高略高，常規I串懸垂直線塔層高為19.2 m，V串懸垂直線塔為20.1 m，半V串型新型懸垂直線塔為19.5 m，較I串增加1.6%，較V串減少3%。

走廊寬度方面：常規I串布置時為43.4 m，半V串與V串布置基本相當，分別為37.6 m、39.6 m，走廊寬度為I串布置時的86.6%、91.2%，節約13.4%、8.8%。采用半V串在房屋分布密集區域具有明顯優勢。

3 電氣特性分析

受不同串型間隙、布置等影響，雙回路鐵塔的層高、相間距離均不同，因此上述各布置方案的電磁環境也存在差異[4-5]。根據圖5布置方式，500 m海拔條件下半V串懸垂塔導線可聽噪聲和無線電干擾測算見表1所列。

表1 導線可聽噪聲和無線電干擾測算

根據GB 50665—2011《1 000 kV架空輸電線路設計規范》，1 000 kV交流輸電線路的電磁環境指標控制值為：線路可聽噪聲按照距線路邊相導線投影外20 m處，濕導線的可聽噪聲不大于55 dB(A)控制。無線電干擾限值暫按距邊相導線投影20 m處，對地2 m高處，測試頻率為0.5 MHz時的晴天條件下不大于58 dB(μV/m)控制。經校驗，按半V串布置的雙回路鐵塔滿足規范電磁環境限值的要求。

4 力學特性分析

新型懸垂直線塔增加了支柱絕緣子的約束作用，導致導線荷載傳遞至塔身的方式發生變化。下面對塔型荷載傳導方式進行對比，如圖6所示。

圖6 荷載作用示意圖

由圖6可看出，常規I串懸垂直線塔導線荷載可直接由絕緣子串傳遞至掛點，即導線三個方向的荷載完全作用于橫擔端頭。半V串型新型懸垂直線塔導線受支柱絕緣子的約束作用，導線平行橫擔方向(X方向)荷載FX對支柱絕緣子產生壓力F支，F支＝FX/cosθ。F支的豎向分力FZ1與導線垂荷FZ疊加作用于絕緣子串并傳遞至橫擔端部，即絕緣子串軸力在豎向分力FZ2＝FZ＋FZ1＝FZ＋FXtanθ，導線荷載FX全部由支柱承受。導線順線路方向(Y方向)荷載則完全由絕緣子串承擔，即絕緣子串軸力在Y方向分力FY2＝FY。與常規I串新型方案相比，本方案橫擔端頭不再承受X方向荷載，但在Z方向的荷載增加，橫擔根部需承受導線荷載在X方向分力及產生的Z方向分力。

以90°風為例進行計算，V串按90°，半V串按45°考慮，結果見表2～表3所列。

表2 不同串型受力分配計算(左側橫擔)kN

表3 不同串型受力分配計算(右側橫擔)kN

90°大風工況計算得出，支柱絕緣子左側橫擔受壓226 kN，右側橫擔受拉226 kN。采用E-玻璃纖維+環氧樹脂，經纏繞成型或拉擠成型的復合支柱絕緣子[6-7]具有良好的機械及絕緣性能，可滿足輸電線路的應用要求。根據文獻[7]的算法，采用φ60 mm×20mm，套管選用φ80 mm×10 mm×460 mm可滿足受力及構造要求。

5 經濟性分析

仍以典型懸垂直線塔SZ27103為例，對比分析常規I串掛線方式、常規V串掛線方式、新型半V串型的經濟性。根據前述結構設計及串型布置，綜合考慮塔材、基礎、絕緣子、金具投資后，單基懸垂直線塔的本體投資對比見表4所列。

表4 SZ27103懸垂直線塔三種型式本體投資對比表

半V串與常規I串及常規V串相比，由于增加了支柱絕緣子，導致絕緣子金具串配合投資增加，但半V串橫擔長度遠小于I串方案，僅為V串方案的一半左右，因此半V串在單基投資低于I串型，更低于V串型。

結合房屋拆遷量(表5)，由于半V串走廊寬度基本與V串相當，房屋拆遷費用基本相當，但其本體投資遠低于V串，因此總投資半V串低于V串；與I串相比，其本體投資略低，但由于走廊寬度遠小于I串，因此房屋拆遷量越多，半V串優勢越明顯。

表5 常規I串、常規V串及新型半V串綜合投資對比表

6 結論

本次研究在結合當前支柱絕緣子研究應用水平基礎上，提出了半V串新型懸垂直線塔方案，并對新型懸垂塔的技術經濟性進行分析，主要得出以下結論：

1)新型半V串掛線集合了I串與V串掛線方式的優點，可以大幅度優化塔頭，同時縮小相間距離，節約走廊寬度。

2)串型組裝方面：支柱絕緣子采用套筒與塔身相連，采用三角形聯板與懸垂串相連，可實現前后自由擺動的功能，同時達到合理分配導線荷載的作用。此外，采用特制異形均壓環可實現對不對稱絕緣子串屏蔽的作用。

3)塔頭尺寸方面：新型半V串型橫擔長度最小，較常規I串型縮短了19.7%，較常規V串縮短了46.7%；橫擔層高方面，三種方案基本相當。

4)電氣特性方面：新型半V串雖然縮短了橫擔長度，但仍然可滿足規范對于可聽噪聲及無線電干擾的要求。

5)鐵塔受力方面：新型半V串型橫擔端頭不再承受垂直線路的水平方向(X方向)荷載，但橫檔端部豎向(Z方向)荷載增加，順線路方向(Y方向)荷載不變；同時橫擔根部需承擔水平方向(X方向)及豎向(Z方向)荷載。

6)經濟性方面：新型半V串懸垂直線塔雖絕緣子金具串造價略高，但其鐵塔及基礎節省較多，單基總投資較常規I串及V串更為經濟。由于新型半V串在縮小走廊寬度上的顯著優勢，因此，當綜合考慮房屋拆遷費用時，新型半V串的工程投資更具優勢。

因此，工程應用中可推薦采用半V串新型懸垂直線塔。