10 kV直線水泥雙桿間隙圓校驗分析

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(國網成都供電公司經濟技術研究所，四川 成都 610041)

10 kV直線水泥雙桿間隙圓校驗分析

陳立，郝文斌，覃建南

(國網成都供電公司經濟技術研究所，四川 成都 610041)

以山區(qū)10 kV直線水泥雙桿為背景，對直線水泥雙桿鐵部件進行電氣設計及校驗。利用MathCAD軟件編寫計算程序，考慮不同氣象區(qū)、不同海拔地區(qū)、不同截面導線、不同類型的懸垂絕緣子串等多種條件，通過驗算調整Kv值，計算10 kV直線水泥雙桿的絕緣子串搖擺角，繪制間隙圓圖，確定10 kV直線水泥雙桿橫擔尺寸和斜撐的電氣位置，為橫擔和斜撐的結構設計提供必要的電氣條件。

直線水泥雙桿；安全距離；Kv值；搖擺角；間隙圓

0 引 言

為滿足中國丘陵、山區(qū)等地形條件復雜地區(qū)的用電要求，考慮10 kV線路直面大跨越情況，國家電網公司配電網工程典型設計(架空線路分冊2016版)修編增補適用于A、B、C 3個氣象區(qū)的單回路10 kV水泥雙桿，填補10 kV配電線路高海拔大跨越工況下的技術空缺。其中，10 kV直線水泥雙桿使用數量最多，檔距要求最大，其設計直接影響到工程預算的數額，而間隙圓校驗直接決定了直線水泥雙桿橫擔等鐵部件的尺寸。為了滿足工程設計的技術性和經濟性，針對直線水泥雙桿間隙圓的電氣校驗是本次國家電網典型設計中極其重要的一部分。

1 設計基本條件

山區(qū)單回路10 kV水泥雙桿導線排列形式為水平排列，全線線路不考慮架設架空地線，無通訊光纜。直線水泥雙桿的使用檔距為250 m，設計水平檔距為250 m，設計垂直檔距為350 m。本次設計不考慮直線水泥雙桿作為直線轉角桿，不考慮橫擔、絕緣子串上拔問題。

1)直線水泥雙桿考慮到A、B、C 3個氣象區(qū)條件[1](見表1、表2和表3)。

表1 A氣象區(qū)資料

表2 B氣象區(qū)資料

表3 C氣象區(qū)資料

表4 海拔分區(qū)

備注：A氣象區(qū)35 m/s風速與山區(qū)高海拔地區(qū)不同時存在，故A氣象區(qū)間隙圓校驗不考慮海拔高于2 500 m山丘地區(qū)。

表5 懸垂絕緣子串

A氣象區(qū)條件考慮1 000 m以下、1 000 ～2 000 m和2 000～2 500 m三種海拔山丘地區(qū)，B、C氣象區(qū)條件考慮1 000 m及以下、1 000～2 500 m和2 500～4 000 m三種海拔山丘地區(qū),具體見表4。

2)導線截面

直線水泥雙桿所選導線全為裸導線，導線型號為JL/G1A鋼芯鋁絞線，選取JL/G1A-50/8、JL/G1A-70/10、JL/G1A-95/15、JL/G1A-120/20、JL/G1A-150/20、JL/G1A-185/25及JL/G1A-240/30共7種截面導線[1]。

3)絕緣子金具串

海拔2 500 m及以下地區(qū)使用盤型懸式瓷絕緣子串(2片盤型瓷絕緣子)，海拔2 500 m以上地區(qū)使用盤型懸式瓷絕緣子串(3片盤型瓷絕緣子)。另外，棒型懸式復合絕緣子串(1根復合絕緣子棒)僅用于海拔1 000 m以下地區(qū)[2]。懸垂絕緣子串具體數據見表5，示例圖見圖1。

圖1 懸垂絕緣子串

2 直線水泥雙桿橫擔長度設計

直線水泥雙桿的橫擔長度可根據導線水平間距和最小空氣間隙并考慮帶電作業(yè)的要求來確定。當懸垂絕緣子串長度、搖擺角和最小空氣間隙確定后，即可確定橫擔長度。

2.1空氣間隙設計

2.1.1 確定帶電部分與桿頭最小空氣間隙

海拔在1 000 m以下地區(qū)，10 kV架空輸電線路導線帶電部分與桿塔構件(包括拉線、腳釘等)的最小間隙為0.2 m[3]。海拔在1 000 m及以上地區(qū)，其最小間隙必須進行海拔修正，即乘以空氣放電電壓海拔修正系數Ka[4]，其公式如式(1)。

(1)

式中：H為海拔高度，m；m為海拔修正因子，工頻、雷電電壓修正因子m=1.0，操作過電壓修正因子m=0.8。

高海拔地區(qū)，10 kV架空電力線路的導線與桿塔構件(包括拉線、腳釘)的最小間隙應符合表6的規(guī)定。

表6 10 kV帶電部分與桿塔構件最小間隙

2.1.2 確定帶電作業(yè)空氣間隙

根據現行規(guī)程[3]，10 kV水泥雙桿需要考慮帶電作業(yè)所需要的安全空氣間隙距離。帶電作業(yè)應在天氣良好的條件下進行，雷電時應停止工作。校驗帶電作業(yè)空氣間隙時，計算條件為：氣溫15℃，風速10 m/s。

直線桿塔帶電作業(yè)方式一般有如下3種[5]：

1)地電位作業(yè)方式：即人站在桿塔上(處于地電位)，用絕緣工具對帶電體進行操作。

2)等電位作業(yè)方式：即人與大地絕緣，處于與帶電體相同電位進行操作。

3)中間電位作業(yè)方式：即用絕緣梯或吊籃等，使人處于帶電體與地(或桿塔)之間的某一中間電位，然后用絕緣工具對帶電體進行作業(yè)。

10 kV直線水泥雙桿，由于桿頭間隙較小，一般采用地電位作業(yè)方式或中間電位作業(yè)方式。

GB 50061-2010[3]規(guī)定了1 000 m以下海拔地區(qū)帶電作業(yè)所需的間隙距離，而海拔高度為1 000 m及以上的地區(qū)，海拔高度每增高100 m，運行電壓的最小間隙應按規(guī)定數值增加1%；對操作人員需要停留工作的部位應增加0.3～0.5 m；考慮腳釘、桿身厚度等條件，應增加結構預留間隙0.15 m，具體見表7。

表7 帶電作業(yè)安全距離

由表7可知，在海拔1 000 m以下地區(qū)，帶電作業(yè)間隙半徑為1.05 m；海拔1 000 ～2 000 m，安全距離為1.09 m；海拔2 000～2 500 m，安全距離為1.11 m；海拔2 500～4 000 m，安全距離為1.17 m。

2.2懸垂絕緣子串搖擺角計算

通過確定運行(工頻)電壓、操作過電壓及雷電過電壓下絕緣子片數及塔頭空氣間隙數值，并指出這種空氣間隙數值是指在規(guī)定風速下，絕緣子串相應風偏后帶電體對桿頭構件所應保持的最小距離。因此，為了最終確定直線水泥雙桿桿頭間隙尺寸，尚須對絕緣子串的搖擺大小進行計算。絕緣子串的搖擺大小用其所產生的搖擺角大小來表示。

導線和懸垂絕緣子串在風荷載作用下，使懸垂絕緣子串偏離一定角度，稱為懸垂絕緣子串搖擺角，用符號φ表示。本次設計計算懸垂絕緣子串搖擺角，將懸垂絕緣子串視為均勻荷載的剛性直棒，設懸垂絕緣子串的垂直荷載為GJD，橫向水平風荷載為PJD，導線風荷載為PD，導線垂直荷載為GD。對絕緣子串中點A的力矩平衡方程式為

∑MA=0

(2)

(3)

經整理得到：

(4)

式中：PD為 導線風荷載；GD為導線垂直荷載；PJD為懸垂絕緣子串風荷載；GJD為懸垂絕緣子串垂直荷載；γ1、γ2分別為導線自重比載和風壓比載；Lh、Lv分別為水平檔距和垂直檔距。

計算直線水泥雙桿搖擺角時，計算方法如下：

1)根據A、B、C 3個不同氣象條件(表1、表2、表3)，計算工頻電壓、操作過電壓或雷電過電壓3種工況下，7種不同截面導線的導線風壓比載、導線風荷載和懸垂絕緣子串風荷載。

2)根據不同工況條件下，計算不同截面導線的垂直比載。

3)懸垂絕緣子串有懸垂盤型懸式瓷絕緣子串(2片或3片)和懸垂棒形懸式復合絕緣子串，不同類型懸垂絕緣子串，其質量、迎風面積取值異同。所以，根據懸垂絕緣子串表(表5)計算絕緣子串垂直荷載。

4)本次設計用Lv及Lh來確定搖擺角，其數值的選取可依據經驗來確定。將垂直檔距Lv與水平檔距Lh的比值，定義為Kv值。從桿塔定位驗證來看，Kv值的取值，平地一般取0.75左右，丘陵及低山地一般取0.65～0.75，山地及大山地一般取0.55～0.65。確定水平檔距值及Kv值，計算垂直檔距。

5)調整Kv值要考慮到：工頻電壓下滿足帶電作業(yè)安全距離，大風、操作過電壓工況下滿足間隙圓與橫擔，間隙圓與斜撐之間的預留間隙至少為105 mm。

6)通過直線水泥雙桿需嚴格控制Kv值取值，各氣象區(qū)、各種規(guī)格導線最小Kv值取值見表8至表10。

7)利用MathCAD軟件，編制程序計算工頻、操作或雷電條件下直線水泥雙桿搖擺角。

2.3間隙圓的繪制

繪制直線桿塔間隙圓圖，以最終確定直線水泥雙桿桿頭尺寸，繪制條件如下：

1)確定導線掛線點的懸掛方式、懸垂絕緣子串長度(表5)。

表8 A氣象區(qū)最小Kv值取值表

表9 B氣象區(qū)最小Kv值取值表

表10 C氣象區(qū)最小Kv值取值表

2)確定運行(工頻)電壓、操作過電壓、雷電過電壓所需空氣間隙距離R1、R2、R21(表6)?？紤]直線水泥雙桿橫擔邊線與間隙圓垂直距離、斜撐邊線與間隙圓垂直距離的結構預留間隙至少為105 mm。

3)工頻工況下，考慮帶電作業(yè)安全距離R3，具體數據見表7。

4)不同截面導線對應的絕緣子串，計算搖擺角繪制間隙圓圖。

5)塔頭厚度的影響。繪制間隙圓圖時，應考慮橫擔寬度的影響，在導線處增加垂直下偏量(即小弧垂，大小為50 mm)和水平下偏量(50 mm)，然后在此基礎上繪制間隙圓。

6)間隙圓樣圖。以盤型懸式瓷絕緣子串(3片)，JL/GIA-150/20導線為例，如圖2、圖3所示。 通過繪制間隙圓圖，校驗橫擔、斜撐尺寸及拉線位置滿足電氣要求，確定直線水泥雙桿橫擔尺寸和斜撐位置。

2.4導線水平線間距離校驗

圖2 間隙圓樣圖Ⅰ

根據GB 50061-2010[3]規(guī)定：架空電力線路導線的線間距離，應結合運行經驗確定。對1 000 m以下檔距，水平線間距可按式(5)確定：

(5)式中：Dm為導線水平間距，m；λ為懸垂絕緣子串長度，m；U為線路電壓等級，kV；fmax為導線最大弧垂，m。

由表5查得最長絕緣子串長度為0.789 m；電壓等級為10 kV；導線最大弧垂為8.14 m。計算水平線間距離為2.261 m，橫擔總長度至少為4.522 m

圖3 間隙圓樣圖Ⅱ時，導線線間距滿足要求。

設計初步定橫擔長度為6.3 m。導線掛點到水泥桿準線距離為1.5 m，水泥雙桿準線間距為3 m。

3 結 論

1)Kv值取值校驗：各種工況下，三類海拔地區(qū)對應懸垂絕緣子串都滿足間隙圓與橫擔、間隙圓和斜撐之間的預留距離105 mm的校驗條件。

2)10 kV直線水泥雙桿不允許使用的截面導線：Kv值大于0.9的截面導線均不允許使用，如需使用，請根據當地條件自行校驗。

3)斜撐與水泥桿夾角為45°，斜撐上部連接點距離水泥桿中心的長度為605 mm，斜撐高為605 mm，滿足間隙圓校驗條件。

4)橫擔長度為6.3 m，水泥桿準線距離導線掛線點1.5 m，整個橫擔成對稱結構，滿足間隙圓校驗條件。

5)工頻電壓條件下，直線水泥雙桿僅桿身滿足帶電作業(yè)安全距離。嚴禁操作人員在斜撐、橫擔部分位置進行帶電作業(yè)。

[1] 劉振亞. 國家電網公司配電網工程典型設計：10 kV架空線路分冊(2013版)[M]. 北京：中國電力出版社，2014.

[2] 劉振亞. 國家電網公司輸變電工程通用設計：10 kV及35 kV配電線路金具圖冊(2013版)[M]. 北京：中國電力出版社,2013.

[3] GB 50061-2010，66 kV及以下架空輸電線路設計規(guī)范[S].

[4] Q/GDW 13001-2014，高海拔外絕緣配置技術規(guī)范[S].

[5] 張殿生. 電力工程高壓送電線路設計手冊(第二版)[M].北京：中國電力出版社, 2014.

Taking 10 kV straight dual concrete pole in mountainous area as the background, the electrical design and verification for ironwork of straight dual concrete pole are carried out. MathCAD software is used to write the calculation programs. Considering different meteorological district, different altitude area, different cross-section conductor, different suspension insulator string and other conditions, theKvvalue is adjusted, the swing angle of insulator string of straight dual concrete pole is calculated, the diagram of gap circle is drawn, and the size of cross arm and the electrical location of diagonal bracing are determined for 10 kV straight dual concrete pole, which provides the necessary electrical conditions for the structure design of cross arm and diagonal bracing.

straight dual concrete pole; safe distance;Kvvalue; swing angle; gap circle

TM753

：A

：1003-6954(2017)04-0065-05

2017-02-27)

覃建南(1986)，碩士、助理工程師，從事輸電線路設計研究。