高壓輸電線路鋼管桿“L”形懸垂絕緣子串研究

林泳

（福建博電工程設(shè)計(jì)有限公司，福建福州 350003）

0 引言

懸垂絕緣子串的安裝方式有垂直安裝、傾斜安裝及多串并聯(lián)安裝等，不同安裝方式的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)也有所差別，其中較為常用的是“I”形串和“V”形串［1］。本文研究一種鋼管桿采用“L”形懸垂絕緣子串布置方式，能夠在滿足輸電線路輸入容量的前提下，節(jié)約走廊資源，同時(shí)能防止污閃、冰閃、雨閃等事故的發(fā)生，促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)良性發(fā)展。關(guān)于高壓輸電線路懸垂絕緣子串的研究，王欣欣等［1］以跨越高速鐵路輸電線路為例，詳細(xì)分析絕緣子串的振顫情況，并提出保證輸電安全性的線路設(shè)計(jì)措施；張志強(qiáng)等［2］研究典型高壓絕緣子串風(fēng)荷載體型系數(shù)的試驗(yàn)情況，為合理計(jì)算絕緣子風(fēng)荷載提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；馬野等［3］以高壓輸電線路運(yùn)檢的實(shí)際情況出發(fā)，針對(duì)輸電線路更換“L”形絕緣子串時(shí)的荷載轉(zhuǎn)移，提出一種新型的更換工具。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，分析“L”形懸垂絕緣子串的受力、電壓分布情況，以及夾角選擇，根據(jù)“L”串結(jié)構(gòu)及串型規(guī)劃的特點(diǎn)提出“L”形串鋼管桿塔頭布置方案，并應(yīng)用在不同鋼管桿中。本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于充分結(jié)合“L”形懸垂絕緣子串的基本特性，將其合理地應(yīng)用在鋼管桿塔頭布置中，突破了過去以“I”形串和“V”形串為主的布置形式，填補(bǔ)高壓輸電線路在該領(lǐng)域的空白，同時(shí)比較分析了典型“I”形串與新型“L”形串的走廊寬度，確認(rèn)該布置方案的可靠性與科學(xué)性。

1 “L”形懸垂絕緣子串的特性分析

1.1 “L”形懸垂絕緣子串的受力分析

“L”形懸垂絕緣子串的荷載較為復(fù)雜，與垂直荷重、水平荷重、縱向荷重和夾角都存在一定的關(guān)聯(lián)性。“L”形懸垂絕緣子串在轉(zhuǎn)角的影響下，其導(dǎo)線連板掛點(diǎn)處的受力呈現(xiàn)出與“V”形絕緣子串存在較大差異的特征。從垂直方向上看，N1是外角側(cè)絕緣子串所受拉力；N2是內(nèi)角側(cè)絕緣子串所受拉力；Gz是絕緣子串所受垂直方向上的荷載，包括導(dǎo)線、防震錘和相關(guān)金具；α是內(nèi)側(cè)絕緣子串的夾角；β是外側(cè)絕緣子串的夾角；Pf是導(dǎo)線受到的橫向風(fēng)力負(fù)載；Pj是導(dǎo)線因出現(xiàn)角度的水平負(fù)載［1］。從水平方向上看，I1、I2是導(dǎo)線水平方向上的拉力；θ是導(dǎo)線轉(zhuǎn)角度的一半；Pj依舊是導(dǎo)線因出現(xiàn)角度的水平負(fù)載。兩種絕緣子串所受拉力有所差別，由外角向內(nèi)角吹時(shí)，線路的外側(cè)絕緣子串受到的拉力N1最大。以圖1 中垂直方向的受力圖可以看出，“L”形懸垂絕緣子串的α 角側(cè)絕緣子串為a 肢，β角側(cè)絕緣子串為b 肢，設(shè)定a 肢的受力值為F1，b肢的受力值為F2，當(dāng)兩種受力值為正值時(shí)，意味著絕緣子串處于受拉狀態(tài)；當(dāng)兩種受力值為負(fù)值時(shí)，絕緣子串處于受壓狀態(tài)。在順風(fēng)情況下，“L”形懸垂絕緣子串的b 肢會(huì)承受較大壓力；在逆風(fēng)情況下，“L”形懸垂絕緣子串的a肢會(huì)承受較大的壓力。

圖1 “L”形懸垂絕緣子串受力分析圖

1.2 “L”形懸垂絕緣子串的電壓分布

“L”形懸垂絕緣子串采取的安裝方式為傾斜布置，鐵塔橫擔(dān)和塔身對(duì)其影響較大，電壓分布的整體均衡性較差，需要采用均壓環(huán)進(jìn)行改善。關(guān)于絕緣子串中的最末幾片絕緣子，由于對(duì)鐵塔橫擔(dān)和塔身的對(duì)地電容相對(duì)較大，該區(qū)域的電壓分布較均勻［2］。此外，“L”形懸垂絕緣子串也會(huì)對(duì)塔頭空間的電場(chǎng)分布及該絕緣子串的電壓分布產(chǎn)生影響。綜合來說，“L”形懸垂絕緣子串的布置方式有利于絕緣子串的電壓分布。“L”形懸垂絕緣子串工頻電壓統(tǒng)計(jì)配合系數(shù)、操作過電壓統(tǒng)計(jì)配合系數(shù)都較高，因此空氣間隙也相對(duì)較大，但由于“L”形懸垂絕緣子串能夠限制導(dǎo)線風(fēng)偏擺動(dòng)，因此在塔頭尺寸方面仍具備優(yōu)勢(shì)。“L”形懸垂絕緣子串的金具設(shè)計(jì)要保證連接的緊湊性，如果存在下部金具過長(zhǎng)的情況，則需要降低絕緣子串的閃絡(luò)電壓。

1.3 “L”形懸垂絕緣子串的夾角選擇

“L”形懸垂絕緣子串的夾角會(huì)對(duì)塔頭尺寸及絕緣子串的受力產(chǎn)生直接影響。通常，其夾角處于70°～120°的范圍內(nèi)，夾角的大小變化與塔頭中相下部尺寸成正比關(guān)系，當(dāng)夾角較小且風(fēng)荷也較小時(shí)，背風(fēng)肢絕緣子串處于受壓狀態(tài)，但夾角較大時(shí)，絕緣子串的受拉力也隨之增大，背風(fēng)肢絕緣子串在風(fēng)荷較大的情況下受壓。一般來說，“L”形懸垂絕緣子串夾角的1/2 應(yīng)當(dāng)不小于最大風(fēng)偏角，以免其過度受壓而產(chǎn)生脫落、損傷等問題。基于相關(guān)受壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)，迎風(fēng)肢絕緣子最大偏移角為9°～11°時(shí)，夾角為110°對(duì)應(yīng)的鋼腳應(yīng)力值較大，而夾角為70°～90°時(shí)的應(yīng)力值則較小［3］。在受壓出現(xiàn)頻率、沖擊效應(yīng)和電氣間隙等參數(shù)達(dá)標(biāo)的情況下，若導(dǎo)線擺動(dòng)幅度及受壓絕緣子的最大應(yīng)力限制在允許范圍內(nèi)，絕緣子串的夾角可減小7°～10°。

2 “L”形懸垂絕緣子串結(jié)構(gòu)及串型規(guī)劃

2.1 “L”形懸垂絕緣子串鋼管桿塔頭布置

鋼管桿塔頭是桿塔規(guī)劃的重要組成部分，其尺寸與工作電壓、操作過電壓、帶電作業(yè)等氣象條件下的絕緣子串的搖擺角角度有關(guān)［4］。絕緣子串風(fēng)偏的角度平均為60°，塔頭橫擔(dān)長(zhǎng)度主要由導(dǎo)線懸垂絕緣子串風(fēng)擺的水平距離、對(duì)應(yīng)的安全距離及綜合誤差3個(gè)部分組成，其中導(dǎo)線懸垂絕緣子串風(fēng)擺的水平距離占比達(dá)80%，而且安全距離及綜合誤差是設(shè)計(jì)規(guī)范強(qiáng)制要求的值。常規(guī)導(dǎo)線絕緣子串由上端聯(lián)塔金具、中間絕緣子、下端聯(lián)板及金具構(gòu)成，假設(shè)有一種不會(huì)擺動(dòng)的導(dǎo)線懸垂絕緣子串，也就意味著理想情況下，塔頭間隙部分可以扣除因?qū)Ь€懸垂絕緣子串風(fēng)擺的水平距離部分。根據(jù)假定要求重新確定塔頭間隙圓，同時(shí)校核其他相關(guān)部分的間隙要求發(fā)現(xiàn)，塔頭橫擔(dān)長(zhǎng)度明顯縮短，對(duì)于110 kV 橫擔(dān)及220 kV 橫擔(dān)單側(cè)長(zhǎng)度較常規(guī)的塔形分別減少約1 m、2 m。

2.2 新型“L”形串結(jié)構(gòu)

根據(jù)“L”形懸垂絕緣子串桿塔塔頭的布置情況，需選擇一個(gè)垂直串與水平串的連接位置。結(jié)合典型“I”形串的結(jié)構(gòu)，其中大部分是絕緣子，絕緣子需要起到絕緣的作用，同時(shí)它的外部都附帶傘裙，與水平串連接困難［5］，因此選擇在下端元件LJ 聯(lián)板上、下2 個(gè)掛孔中間增加一個(gè)水平串的連接底座，由于LJ 聯(lián)板位于高壓端，其電壓基本與導(dǎo)線相當(dāng)，中間應(yīng)同樣水平布置絕緣子，一端與LJ聯(lián)板上底座相連，另一端固定與塔身預(yù)留的連接端，“L”形懸垂絕緣子串的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 “L”形懸垂絕緣子串的結(jié)構(gòu)示意圖 （單位：mm）

3 “L”形懸垂絕緣子串在高壓輸電線路鋼管桿中的應(yīng)用

3.1 同塔雙回桿塔

以21SSZG1 雙回鋼管桿為例，在使用條件不變的情況下，分別使用典型“I”形串與新型“L”形串進(jìn)行對(duì)比分析，兩者的桿件應(yīng)力數(shù)據(jù)見表1。總體來看，與典型“I”形串相比，采用新型“L”形串時(shí)，鋼管桿主桿桿件應(yīng)力比降低了4%～6%。當(dāng)同塔雙回桿塔的呼稱高度為27 m 時(shí)，典型“I”形串的鋼管桿重量約為18 522.5 kg，新型“L”形串的重量約為17 758.9 kg；當(dāng)呼稱高度為30 m 時(shí)，典型“I”形串的鋼管桿重量約為19 840.4 kg，新型“L”形串的重量約為19 083.6 kg。因此在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，新型“L”形串的鋼管桿重量明顯比典型“I”形串低，能夠減輕3%～5%的重量。

表1 同塔雙回桿塔典型“I”形串與新型“L”形串桿件應(yīng)力數(shù)據(jù)

3.2 同塔四回桿塔

以H24EA22—Z1 四回鋼管桿為例，在使用條件不變的情況下分別使用典型“I”形串與新型“L”形串進(jìn)行對(duì)比分析，兩者的桿件應(yīng)力數(shù)據(jù)見表2。總的來看，與典型“I”形串相比，采用新型“L”形串時(shí)，鋼管桿主桿桿件應(yīng)力比降低5%～7%。當(dāng)同塔四回路鋼管桿的呼稱高度為30 m 時(shí)，典型“I”形串的鋼管桿重量約為32 485.8 kg，新型“L”形串的重量約為30 146.8 kg；當(dāng)呼稱高度為33 m 時(shí)，典型“I”形串的鋼管桿重量約為34 349.8 kg，新型“L”形串的重量約為31 327.0 kg，因此在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，新型“L”形串的鋼管桿重量明顯比典型“I”形串低，能夠減輕7%～9%的重量。

表2 同塔四回桿塔典型“I”形串與新型“L”形串桿件應(yīng)力比表

3.3 對(duì)輸電線路走廊寬度的影響

輸電線路走廊寬度與架空線電壓等級(jí)成正比關(guān)系，也會(huì)受到外部運(yùn)行環(huán)境的影響，需要綜合考慮風(fēng)偏、覆冰弧垂、是否穿越鐵軌公路及與建筑、樹木、經(jīng)濟(jì)作物和山坡的距離等影響因素。在《110 kV～750 kV 架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50545—2010）中對(duì)走廊寬度做出相關(guān)要求，邊線延伸距離必須超出在最大計(jì)算弧垂及最大計(jì)算風(fēng)偏后的水平距離和風(fēng)偏后距建筑物的安全距離之和，計(jì)算時(shí)要考慮桿塔的尺寸、導(dǎo)線及其懸垂絕緣子串風(fēng)偏后的水平位移［6］，走廊寬度的計(jì)算公式如下：

公式（1）中：H為走廊寬度，m；D為桿塔單側(cè)橫擔(dān)寬度，m；λ為導(dǎo)線懸垂絕緣子串的高度，m；a為導(dǎo)線懸垂絕緣子串的風(fēng)偏角度，°；F為導(dǎo)線的最大弧垂；β為導(dǎo)線的風(fēng)偏角，°。

鋼管桿線路檔距一般取值為200 m，導(dǎo)線的最大弧垂為8 m；導(dǎo)線的風(fēng)偏角為59°，對(duì)于常規(guī)“I”形串的風(fēng)偏角的計(jì)算取平均值為60°，對(duì)于“L”形串的風(fēng)偏角為0°。根據(jù)公式（1）計(jì)算2 種串形的走廊寬度，計(jì)算結(jié)果見表3，220 kV 線路采用新型“L”形串可節(jié)約走廊寬度約10 m；110 kV 線路采用新型“L”形可節(jié)約走廊寬度約5 m。折算到每千米架空輸電線路，220 kV線路可減少走廊面積98 000 m2（14.7畝）；110 kV線路可減少走廊面積4 733.57 m2（7.1畝）。

表3 220 kV線路和110 kV線路走廊寬度計(jì)算結(jié)果表

4 結(jié)語

綜上所述，“L”形懸垂絕緣子串對(duì)緩解建設(shè)用地緊張、減少走廊占用面積具有重要作用，本文采用“L”形串的鋼管桿塔頭布置方案，在壓縮塔頭尺寸、減小導(dǎo)線對(duì)桿塔產(chǎn)生的彎矩、節(jié)約鋼材用量等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，同時(shí)能夠減小走廊寬度。通過與典型“I”形串進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)新型“L”形串能夠降低4%～6%的鋼管桿應(yīng)力及減輕3%～5%的重量，符合節(jié)約型社會(huì)發(fā)展的需求。