110 kV 四回路由垂直排列變為水平排列鋼管桿設計研究

張 輝，蔣 鋒，劉正茂，周嘉勛

（國網浙江省電力公司湖州電力設計院有限公司，浙江 湖州 313000）

0 引言

在社會經濟和電網建設高速發展過程中，經常遇到線路通道狹窄的情況，特別是在高壓變電站附近，進出線路多，線路通道會相當緊張。因此須要在線路通道相當緊張的地方使用多回路的架空輸電線路桿塔。目前，湖州地區經濟也在飛速發展，區域內企業眾多，土地資源緊張，地方政府已經對土地作規劃，受地方政府規劃、地方政府用地及現場立塔條件等因素限制，個別塔位被限制在很小的范圍內，其他位置立塔與地方政府規劃相矛盾，影響地方政府土地利用及招商，很難取得地方政府路徑意見，影響電網項目建設，因此也會時常遇到線路通道狹窄的情況。

本文結合某220 kV 變電站110 kV 配套送出工程，該工程處于長興縣經濟技術開發區內，新建線路通道受到當地政府規劃部門制約，須沿建成道路走線，且道路兩側企業建筑控制線已經政府規劃核準，本期配套線路只能在道路綠化帶和企業建筑控制線之間的狹窄通道內通過，其通道寬度為2 m ×11 m，常規鐵塔及鋼管桿已不能滿足線路風偏安全距離的要求，因此，設計推薦在本期配套線路陸匯路段中，采用新開發垂直排列緊縮型四回路鋼管桿以滿足實際需要。新建垂直四回路線路須在下箬變附近接到已建水平排列四回路線路上，因此提出了對110 kV 四回路由垂直排列變為水平排列鋼管桿設計的設計方案。

1 四回路垂直排列轉水平排列的接線方式研究

常規線路四回路垂直排列桿型如圖1 所示，四回路水平排列桿型如圖2 所示。

圖1 常規四回路垂直排列桿型圖

圖2 常規四回路水平排列桿型圖

常規四回路垂直排列轉水平排列接線方式如圖3 所示，該種接線方式下不同回路各相間最小線間距離如表1 所示。

表1 常規四垂直平轉水平接線方式下不同回路各相間最小線間距離表m

圖3 常規四垂直平轉水平接線方式

由表1 可以看出，該種接線方式下，多處相間線間距不足1 m，不能滿足規程要求[1]，故四回路垂直排列轉水平排列，常規接線方式不能滿足要求。

為解決線間距問題，設計考慮把垂直四回路桿型塔頭重新設計，以增加線間距離，重新設計后的垂直轉水平桿型如圖4 所示。

圖4 四回垂直轉水平排列桿型圖

通過新設計桿型與水平排列四回路桿連接，接線方式如圖5 所示。該種接線方式下不同回路各相間最小線間距離如表2 所示。

表2 新設計四垂直平轉水平接線方式不同回路各相間最小線間距離表

圖5 新設計四回垂直轉水平排列桿型接線方式

由表2 可以看出，該種接線方式下各回路相間線間距至少保證3.5 m，均能滿足規程要求。故四回路垂直轉水平排列桿型接線方式可行。

2 電氣部分

2.1 設計條件

氣象條件，采用DL/T 5582—2020《架空輸電線路電氣設計規程》中附錄A 的典型氣象區（Ⅱ）[2]。主要數據：最大風速27 m/s，覆冰厚度5 mm， 最高氣溫40 ℃，最低氣溫-10 ℃。導線、地線分別采用JL/G1A-300/25 鋼芯鋁絞線和JLB20A-100 鋁包鋼絞線，導線綜合應力安全因數取8.0，地線綜合應力安全因數取10.0，導線最大破壞張力考慮0.95 的新線系數，地線最大破壞張力考慮1 的新線系數。導線平均運行張力25%，地線平均運行張力20%。水平檔距取200 m，呼稱高取21 m。

2.2 塔頭尺寸規劃

2.2.1 地線支架高確定

地線支架高度是按防止導、地線之間閃絡和防雷要求來確定的。主要按以下原則考慮[1]：

為使地線與導線在發生不均勻覆冰和導線各檔不均勻脫冰跳躍及靜止后，二者之間的接近距離不致發生閃絡。檔距中央導地線線間的最小距離受導線不均勻覆冰時靜態接近、導線脫冰跳躍時動態接近以及導線舞動時動態接近等因素影響。

根據防雷要求，在氣溫15 ℃無風條件下， 檔距中央導線與地線間距離，保持S≥0.012L+1 。式中：S為導線與地線間的距離；L為檔距。

桿塔上2 根地線之間的距離，不應超過地線與導線間垂直距離的5 倍。

地線對導線的保護角按小于0°考慮。

經過計算確定該四回路鋼管桿地線支架高為3.0 m。

2.2.2 線間距離計算

在線間距離方面，各國均有縮小的趨勢。從全國和華東收集事故資料來看，均無查得由于線間距離不夠，而發生事故。根據《架空輸電線路電氣設計規程》，懸垂絕緣子串系數如表3 所示，經過計算確定該四回路鋼管桿上下各雙回路導線橫擔層間距為3.7 m，兩回路間橫擔層間距為4.0 m；上層回路上、下層橫擔長度取2.3 m、中層橫擔長度取2.8 m；下層回路上、下層橫擔長度取6.3 m、中層橫擔長度取6.8 m，塔頭尺寸如圖6 所示。

表3 Ki 系數表

圖6 垂直轉水平四回路鋼管桿塔頭尺寸

2.2.3 塔頭間隙圓繪制

間隙圓圖原則[3]：耐張塔跳線耐張串大風工況水平風偏角按5°計，固定式防風偏跳線串偏移角按15°計，串長按3.0 m 計，單跳串跳線弧垂按1.6 m 計。

懸垂串的風偏計算時，風壓不均勻系數α 取值如表4 所示。

表4 風壓不均勻系數α

電氣間隙圓中對橫擔考慮綜合裕度200 mm，對塔身考慮綜合裕度300 mm，主材寬度及腳釘等間隙要求在塔頭布置時考慮。

根據以上原則該垂直轉水平排列四回路鋼管桿塔頭間隙圓如圖7 所示。

圖7 垂直轉水平四回路鋼管桿塔頭間隙圓

3 結構部分

3.1 設計方法

桿塔結構設計是在滿足線路電氣性能要求的基礎上，通過荷載計算、結構體系選擇、結構內力與變形分析，強度、穩定和剛度等計算，得出最優的桿塔型式的過程。設計中采取以概率論為基礎的極限狀態設計方法，用可靠度指標度量結構構件的可靠度[4]。

結構或構件的強度、穩定和連接強度，按承載能力極限狀態的要求，采用荷載的基本組合。

結構或構件的變形，按正常使用極限狀態要求，采用荷載的標準組合。

在結構和構件的強度、穩定及變形均滿足要求的基礎上，對桿塔進行優化，使桿塔及基礎綜合指標最優并且外形美觀。

鋼管塔計算采用梁－桿混合模型，考慮桿端彎矩（次彎矩）對主材強度、穩定性的影響。

3.2 結構設計

3.2.1 鋼管桿建模

設計采用北京百合鋼管桿設計軟件建模計算。該鋼管桿模型單線圖如圖8 所示。

圖8 四回路垂直排列轉水平排列桿型模型單線圖

3.2.2 設計原則

（1）重要性系數

四回路桿塔結構重要性系數取1.1。

（2）桿塔荷載

風荷載重現期取30 年一遇。

基本風速按離地10 m 基準高度，10 min 時距取值；風壓高度變化系數和風荷載體型系數μs 按GB 50545—2010《110 kV～750 kV 架空輸電線路設計規范》的規定取值[1]。

風荷載調整系數為βz。

桿塔全高不超過60 m 時，桿塔風荷載調整系數按GB 50545—2010《110 kV～750 kV 架空輸電線路設計規范》的規定[1]，對全高采用統一的系數；桿塔全高超過60 m 時，按GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》分段計算[5]，采用由下至上逐段增大的數值，并保證加權平均值不小于1.6。

（3）縱向荷載

桿塔縱向荷載的取值按GB 50545—2010《110 kV～750 kV 架空輸電線路設計規范》的要求執行[1]。

斷線工況導、地線斷線張力（不平衡張力）取值，均取導地線最大張力100%。

不均勻冰工況導地線不平衡張力取值，不考慮不均勻覆冰工況。

（4）安裝附加荷載

施工附加荷載：導線耐張塔取2.0 kN；地線取1.5 kN。

耐張塔施工臨時拉線考慮平衡導、地線張力的30%。

（5）荷載組合

荷載組合按GB 50545—2010《110 kV～750 kV架空輸電線路設計規范》的要求執行[1]，荷載組合及相應組合系數如表5 所示。

表5 組合系數

3.2.3 計算結果

經計算對比，該四回鋼管桿主桿采用梢徑500 mm、根徑1 340 mm 多邊形鋼管、壁厚12 mm～20 mm，上層2 300 mm 及2 800 mm 橫擔采用壁厚8 mm 箱型橫擔，下層6 300 mm 及6 800 mm 橫擔采用8 mm 厚多邊形管狀橫擔，此種計算結果既能滿足結構穩定及強度要求，造價也最低。

4 結束語

確定了兩側鋼管桿導、地線掛點，確保了線間距離合理安全且經濟。

確定了工頻電壓、操作過電壓和雷電過電壓作用下塔頭間隙距離。同時線路通道滿足地方政府城市規劃要求，降低了工程造價。

確定了四回路由垂直排列變為水平排列鋼管桿結構尺寸及鋼管桿結構圖，保證了該鋼管桿實際實施的可行性。同時通過鋼管桿結構的優化設計降低了工程造價。