魏沖，呂金祥，唐明貴，潘少成，張金瑞，杜娜

(河南省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，鄭州市 450007)

0 引言

在長(zhǎng)距離高壓輸電線路中，為了保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，控制系統(tǒng)電壓和電流的不平衡度，需要對(duì)輸電線路進(jìn)行換位［1-3］。輸電線路的換位通常在換位塔上進(jìn)行，對(duì)于單回路線路，可通過在耐張塔上加裝跳線架等措施實(shí)現(xiàn)導(dǎo)線換位。對(duì)于雙回路輸電線路，由于同一回路的三相導(dǎo)線均在一側(cè)垂直布置，可利用的空間小，而超高壓線路的間隙要求較大，耐張串和跳線串較長(zhǎng)，串間跳線長(zhǎng)、弧垂大，換位時(shí)跳線布置方式復(fù)雜、施工困難、運(yùn)行檢修難度大［4-5］。為實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)角內(nèi)外側(cè)回路同時(shí)換位，通常選擇較小轉(zhuǎn)角處(一般不超過20°)布置換位塔［6-8］。

1 常見輸電線路的換位方式

1.1 單回路換位方式

單回路的換位方式通常有3種:直線塔換位(又稱滾式換位)、耐張塔換位和懸空換位，對(duì)于單回路500kV線路，主要采用耐張塔換位方式［9］。耐張塔換位方式又分4種:小構(gòu)架耐張塔換位、自身式換位塔換位、門型塔換位和三塔式換位，常見單回路換位塔形式如圖1所示。

圖1 單回路換位塔Fig.1 Single circuit transposition tower

1.2 雙回路換位方式

對(duì)于雙回500kV輸電線路，國內(nèi)外普遍采用耐張塔換位方式［10-11］。早期雙回路線路采用“雙—單—雙”換位，這種換位方式實(shí)質(zhì)上是把1個(gè)雙回路分成2個(gè)單回路換位，換位后再合成雙回路，這種換位方式已經(jīng)落后，當(dāng)前大部分雙回線路采用雙回路耐張塔換位，有3種常見方式:單母線旁路跳線外繞方式、雙母線旁路跳線外繞方式、旁路跳線內(nèi)繞方式，如圖2所示。

單母線旁路跳線外繞換位方式適用于電壓等級(jí)低、塔頭間隙要求小的線路;雙母線旁路跳線外繞換位方式、旁路跳線內(nèi)繞換位方式更適合電壓等級(jí)高、間隙要求大的線路，目前我國500、750 kV線路均采用雙母線旁路跳線外繞換位方式。雙母線旁路跳線外繞換位方式和旁路跳線內(nèi)繞換位方式跳線都比較復(fù)雜，由于耐張串、跳線串較長(zhǎng)，各種間隙要求較大，跳線間隙不易控制，容易產(chǎn)生相間距或相對(duì)地距離緊張問題;并且換位塔橫擔(dān)較長(zhǎng)，受鐵塔扭矩影響，換位塔質(zhì)量較大。受角度影響，雙母線旁路跳線外繞換位方式、旁路跳線內(nèi)繞換位方式只適用于小轉(zhuǎn)角(一般不超過20°)。

圖2 雙回路換位塔Fig.2 Double-circuit transposition tower

2 三柱組合換位耐張塔研究

2.1 塔型設(shè)計(jì)

根據(jù)上述分析，本文在總結(jié)各種換位方式優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上提出三柱組合換位塔換位方式。

三柱組合換位耐張塔用2個(gè)耐張塔結(jié)合1個(gè)副塔完成 2個(gè)回路的換位，從 C(上)～C(中)、A(中)～A(下)通過副塔連接軟跳線進(jìn)行換相，B(下)～B(上)經(jīng)過主塔外側(cè)，通過旁路母線實(shí)現(xiàn)換相;另一回采用相同的方式實(shí)現(xiàn)換相，如圖3所示。使用三柱組合耐張塔，將副塔布置在2個(gè)主塔之間，充分利用副塔進(jìn)行跳線的上下交換。用三柱組合耐張塔實(shí)現(xiàn)換位更加直觀、簡(jiǎn)單，跳線架簡(jiǎn)潔明了，設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行都比較方便。

2.2 間隙規(guī)劃

三柱組合換位耐張塔的間隙規(guī)劃與普通耐張塔基本相同，本質(zhì)上是按工頻電壓、操作過電壓及雷電過電壓確定的間隙距離，并計(jì)及跳線的風(fēng)偏擺動(dòng)來確定跳線弧垂、線長(zhǎng)以及塔頭尺寸。三柱組合換位耐張塔跳線間隙規(guī)劃主要由2部分組成:內(nèi)繞跳線間隙和外繞跳線間隙。換位塔跳線如圖4所示。

進(jìn)行跳線設(shè)計(jì)時(shí)，要保證跳線串末端帶電體對(duì)塔身的間隙滿足安全凈距的要求，這就要求跳線串的偏角大于某個(gè)臨界值，本設(shè)計(jì)中取安裝工況下跳線串偏角最小值為65°，根據(jù)文獻(xiàn)［2］可以計(jì)算出軟跳線線長(zhǎng)，根據(jù)線長(zhǎng)不變?cè)?，可求得各工況下的跳線串偏角和跳線張力。

外繞跳線間隙主要指圖4中跳線1～3需要保證跳線對(duì)塔身的間隙以及母線1、2對(duì)導(dǎo)線和塔身的間隙，由于母線相對(duì)固定，而且外繞跳線相對(duì)較短，因此外繞跳線間隙相對(duì)簡(jiǎn)單。

在宏觀上，三柱組合換位耐張塔將常規(guī)雙回路換位塔的部分外繞跳線分為內(nèi)繞跳線，減少了大量的校核相間距離及跳線對(duì)橫擔(dān)的距離校核，因此跳線間隙相對(duì)簡(jiǎn)單，換位方式更加簡(jiǎn)潔明了。

2.3 軟跳線設(shè)計(jì)

三柱組合換位耐張塔的軟跳線布置在2個(gè)主塔之間，由于間距較大，跳線檔檔距將近50 m，是一般500kV輸電線路跳線檔距的2倍，與特高壓跳線檔距相當(dāng)。

三柱組合耐張塔的跳線系統(tǒng)包括2個(gè)部分:第1部分為導(dǎo)線耐張串，主要對(duì)耐張串的引流線出線系統(tǒng)、受力系統(tǒng)、屏蔽系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì);第2部分為跳線懸垂串，跳線懸垂線夾線槽要有足夠的曲率半徑及懸垂角，保證導(dǎo)線在運(yùn)行過程中不被磨損。

2.3.1 耐張串設(shè)計(jì)

由于三柱組合換位耐張塔跳線具有較大的張力，耐張線夾的引流板在長(zhǎng)期運(yùn)行中容易產(chǎn)生疲勞損壞;而且耐張串的引流線出線時(shí)易與其他金具干涉，跳線安裝后，當(dāng)跳線張力不平衡時(shí)長(zhǎng)度無法調(diào)節(jié)。由于各種塔型跳線的出線方向、角度變化很大，沿用原屏蔽方案，金具間及金具與導(dǎo)線間易產(chǎn)生干涉、摩擦損傷。

本次設(shè)計(jì)的耐張串結(jié)構(gòu)針對(duì)以上情況進(jìn)行了改進(jìn)，參考1000kV特高壓雙柱組合耐張塔的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和組裝試驗(yàn)結(jié)果，將跳線引出時(shí)的導(dǎo)流和受力2種功能進(jìn)行分離。

(1)耐張串的引流設(shè)計(jì)。本文采用的引流方式的最大特點(diǎn)是跳線的導(dǎo)流和受力2種功能分離，其實(shí)際結(jié)構(gòu)如圖5所示，跳線的張力不再作用于耐張線夾的引流板上，而是在耐張線夾的前端設(shè)一鋼制掛點(diǎn)，跳線末端采用常規(guī)的耐張線夾固定后，將跳線直接掛于鋼制掛點(diǎn)上。改進(jìn)后的耐張串出線結(jié)構(gòu)使耐張線夾的端子板不再承受跳線的張力，耐張線夾主體本身也不受跳線張力的影響，而是將跳線的張力直接作用于力學(xué)性能較好的鋼制件，提高了金具的安全性能。

改進(jìn)后跳線和導(dǎo)線之間通過特殊設(shè)計(jì)的引流線將導(dǎo)線及跳線的耐張線夾端子板連接起來，引流導(dǎo)線只承擔(dān)導(dǎo)流的功能，不承受張力。

(2)耐張串跳線的出線方案設(shè)計(jì)。當(dāng)2根位于同一平面內(nèi)的子導(dǎo)線出線時(shí)，其中遠(yuǎn)離出線側(cè)子導(dǎo)線的引流線會(huì)與出線側(cè)子導(dǎo)線的連接件相碰，在跳線帶張力的情況下不能采用小間隔棒支撐。在設(shè)計(jì)時(shí)，將位于同一出線平面的2個(gè)跳線掛點(diǎn)設(shè)計(jì)在出線側(cè)子導(dǎo)線的連接金具上。為避免各子導(dǎo)線受跳線張力的不平衡問題，設(shè)計(jì)時(shí)采用了LF型聯(lián)板將拉力過渡到?jīng)]有掛點(diǎn)的子導(dǎo)線上，以達(dá)到各子導(dǎo)線間的受力平衡。

為了方便安裝，克服因計(jì)算和放線過程中的誤差導(dǎo)致各子跳線間張力不平衡的問題，在跳線末端的耐張線夾與耐張串上的掛點(diǎn)之間增加一個(gè)可以調(diào)節(jié)長(zhǎng)度的花籃螺栓。在成型試驗(yàn)的過程中，花籃螺栓起到了很好的調(diào)節(jié)作用。

(3)耐張串的屏蔽方案設(shè)計(jì)。普通500kV輸電線路耐張串屏蔽方案是在耐張串左右兩側(cè)各安裝1個(gè)大跑道型均壓屏蔽環(huán)，如果本項(xiàng)目也采用該方案，跳線及其連接的金具將與均壓環(huán)干涉相碰，影響均壓環(huán)的使用性能。因此該項(xiàng)目采用2個(gè)側(cè)裝均壓環(huán)來控制絕緣子的電壓分布，上下兩側(cè)加裝屏蔽環(huán)，防止金具串產(chǎn)生電暈，避免跳線金具與屏蔽環(huán)干涉。

2.3.2 跳線懸垂串設(shè)計(jì)

根據(jù)三柱組合換位耐張塔軟跳線的特點(diǎn)，在軟跳線懸垂串設(shè)計(jì)整串結(jié)構(gòu)時(shí)充分考慮金具在運(yùn)行過程中安全性。由于跳線懸垂串偏角較大，為防止跳線擺動(dòng)時(shí)絕緣子與碗頭掛板脫落，絕緣子兩端由球頭、碗頭連接改進(jìn)為環(huán)式連接。為便于調(diào)整跳線張力，在跳線懸垂串中加裝了調(diào)整板，通過調(diào)節(jié)懸垂串長(zhǎng)度來調(diào)節(jié)跳線張力。跳線懸垂聯(lián)板為整體剛性結(jié)構(gòu)，有效控制跳線運(yùn)行時(shí)各子跳線間的相對(duì)位置。懸垂線夾采用節(jié)能高強(qiáng)度鋁合金材料制造，并對(duì)跳線具有足夠的握力和機(jī)械破壞荷載，而且自身防電暈。為了控制跳線張力，采用質(zhì)量較輕的復(fù)合絕緣子，以減小跳線張力對(duì)引流金具和導(dǎo)線的影響。

2.4 鐵塔優(yōu)化設(shè)計(jì)

三柱換位塔全塔由3個(gè)部分組成，兩邊為掛導(dǎo)線和跳線的主塔，中間為掛跳線的副塔，2個(gè)回路的三相導(dǎo)線分別垂直布置在2個(gè)主塔塔身上，跳線引至副塔和主塔的跳線橫擔(dān)上，從上至下依次進(jìn)行換位，掛線方式簡(jiǎn)單清晰。該塔通過2個(gè)回路分塔掛線，采用改變跳線布置方式、取消導(dǎo)線橫擔(dān)等手段，有效控制了跳線對(duì)地和塔身其他部分的間隙，降低起始呼稱高度，壓縮三相導(dǎo)線間的層間距離，從而大幅度降低鐵塔的全高，進(jìn)而減小導(dǎo)地線對(duì)鐵塔的扭矩和彎矩，改善鐵塔的受力狀況，提高鐵塔的可靠性。

2.5 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析

在相同設(shè)計(jì)條件下對(duì)相同呼高(24 m)的三柱組合換位塔和常規(guī)雙回路換位塔進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較，如表1所示。

表1 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)Tab.1 Economic indicators

由表1可見，三柱組合換位塔比常規(guī)雙回路換位塔的金具費(fèi)用節(jié)省約24%，2種塔的絕緣子費(fèi)用持平，走廊寬度也基本相同，三柱換位塔比普通換位塔的占地面積雖然增加了21%，但三柱換位塔的質(zhì)量比普通換位塔減少23.4%，這使材料費(fèi)用明顯降低，從而大幅度減少了綜合投資。從表1中看出，三柱換位塔的綜合投資比常規(guī)雙回路換位塔減少了約17%，這說明使用三柱換位塔具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

3 三柱組合換位耐張塔的應(yīng)用

3.1 施工運(yùn)輸

三柱組合換位塔的單塔相互獨(dú)立，作業(yè)面互不干擾，施工時(shí)各塔可以同時(shí)作業(yè)，利于縮短工期、保證質(zhì)量。三柱組合換位塔單個(gè)構(gòu)件的體積和質(zhì)量大幅減小，施工運(yùn)輸(尤其在山地、泥沼等惡劣地形條件下)和吊裝的難度降低。三柱組合換位塔整塔高度低，高空作業(yè)安全性更有保障。由于三柱組合換位塔的主輔塔分離，單個(gè)塔的基礎(chǔ)作用力明顯降低，使得在較差的地質(zhì)條件下使用大開挖基礎(chǔ)成為可能;在河網(wǎng)泥沼等地下水較淺的地帶施工更為方便。

3.2 運(yùn)行維護(hù)

三柱組合換位耐張塔將常規(guī)雙回路換位塔緊湊的跳線布置改為寬松的跳線布置，將垂直的跳線走向改為水平的跳線走向，使得跳線遠(yuǎn)離鐵塔;導(dǎo)線直接掛在塔身上，取消了導(dǎo)線橫擔(dān);由于跳線方向的改變，使得鐵塔高度降低。由于跳線水平布置且鐵塔整體高度降低，更便于運(yùn)行人員在地面觀察跳線，方便運(yùn)行維護(hù)。

三柱組合換位耐張塔兩回導(dǎo)線分別掛在2個(gè)主塔上，避免了雙回路共塔情況下有外界擾動(dòng)時(shí)整塔都受擾動(dòng)，獨(dú)立性與抗擾動(dòng)性強(qiáng)，安全可靠度高。兩回路導(dǎo)地線相對(duì)獨(dú)立，鐵塔某回路出現(xiàn)問題進(jìn)行維護(hù)搶修時(shí)互不干擾。目前該塔已經(jīng)投入使用2年，運(yùn)行情況良好。

4 結(jié)論

(1)三柱組合換位耐張塔通過分塔掛線、取消導(dǎo)線橫擔(dān)、優(yōu)化跳線布置方案等手段，有效降低了塔高，減小了塔身尺寸，改善了鐵塔的受力條件，減小了導(dǎo)、地線縱向荷載對(duì)塔身的扭矩，提高了鐵塔的抗冰、抗風(fēng)和抗震性能，從而達(dá)到降低質(zhì)量，節(jié)約工程投資的目的。

(2)三柱組合換位耐張塔在常規(guī)雙回路換位塔的基礎(chǔ)上對(duì)塔頭尺寸和電氣間隙做了進(jìn)一步的優(yōu)化，使塔頭間隙更加簡(jiǎn)單明了，采用軟跳線代替常規(guī)雙回路換位塔硬跳線，既降低了造價(jià)，又便于施工和運(yùn)行維護(hù)。

(3)電磁環(huán)境的計(jì)算結(jié)果表明，應(yīng)用于500kV線路的三柱組合換位耐張塔塔頭尺寸不受電磁環(huán)境控制，本工程規(guī)劃的三柱組合換位耐張塔滿足電磁環(huán)境限制的要求。

(4)三柱組合換位耐張塔與常規(guī)雙回路換位塔相比有更高的耐雷水平和更低的雷擊跳閘率，在降低雷電反擊和繞擊概率方面均有優(yōu)勢(shì)。

(5)三柱組合換位耐張塔兩回導(dǎo)線分體掛線，作業(yè)面相互獨(dú)立，施工互不影響，提高了工作效率。

(6)三柱組合換位耐張塔與傘形換位耐張塔相比鋼材節(jié)省約23.4%，總體費(fèi)用節(jié)省17%，具有明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

［1］GB 50545—2010110 kV～750 kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］張殿生.電力工程高壓送電線路設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:中國電力出版社，2004.

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