500 kV雙回路直線塔的串型組合研究

趙紀(jì)倩，張瑞永，陶禮學(xué)

(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)江蘇省電力設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇 南京 211102)

1 概述

我國(guó)目前500 kV雙回路直線塔主要采用三層橫擔(dān)、導(dǎo)線垂直排列的“鼓型”或“傘型”鐵塔，應(yīng)用廣泛，設(shè)計(jì)技術(shù)成熟，國(guó)網(wǎng)通用設(shè)計(jì)采用的也是該種導(dǎo)線布置型式。同時(shí)，現(xiàn)有雙回路直線塔一般采用“6I”或“6 V ”型的單一串型，采用I、V混合型串的雙回路直線塔較少。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，部分輸電線路工程的通道拆遷也成為和輸電線路本體一樣對(duì)線路工程造價(jià)具有重大影響的因素。不同的串型組合可能會(huì)對(duì)線路本體造價(jià)和走廊寬度具有不同的影響，近年來的部分工程，設(shè)計(jì)單位針對(duì)本體或者線路走廊進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出了“VIV”等混合組合串型的直線塔，但尚未有文獻(xiàn)對(duì)500 kV雙回路直線塔可能采用的各種串型組合型式進(jìn)行全面的梳理對(duì)比和優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文針對(duì)典型500 kV雙回路直線塔可能采用的各種串型組合方式進(jìn)行了詳盡的對(duì)比，得出了不同串型組合型式桿塔的優(yōu)劣點(diǎn)，旨在為今后的500 kV輸電線路設(shè)計(jì)提供借鑒。

2 桿塔設(shè)計(jì)輸入條件

2.1 導(dǎo)、地線型號(hào)

為使本文討論更具代表性，本文桿塔設(shè)計(jì)導(dǎo)線采用在500 kV輸電線路廣泛采用的鋼芯鋁絞線4×JL/G1A－400/35，地線一根采用OPGW－150，另一根采用普通地線，型號(hào)為JLB40－150型鋁包鋼絞線。

2.2 氣象條件

本文桿塔設(shè)計(jì)采用的風(fēng)冰組合為30 m/s風(fēng)，10 mm覆冰。

2.3 桿塔使用條件

500 kV輸電線路桿塔的檔距系列規(guī)劃已經(jīng)比較成熟，本文在典型塔型的規(guī)劃條件上進(jìn)行討論，水平檔距500 m，垂直檔距700 m。

2.4 導(dǎo)線布置型式初選

我國(guó)目前雙回路塔主要采用三層橫擔(dān)導(dǎo)線垂直排列的塔型，由于所占線路走廊較小，因此廣泛使用，國(guó)網(wǎng)通用設(shè)計(jì)采用的也是該種導(dǎo)線布置型式。以往曾有設(shè)計(jì)單位就同塔雙回路桿塔提出“三角排列”或“倒三角排列”的導(dǎo)線布置型式，見圖1。

圖1 同塔雙回500 kV線路導(dǎo)線部分水平排列的布置型式

采用導(dǎo)線部分水平排列后塔重雖略有減少，但走廊寬度增加很多，且運(yùn)維相對(duì)不方便，在安全性上并不占優(yōu)，因此本文導(dǎo)線排列方式仍在采用三層橫擔(dān)導(dǎo)線垂直排列的基礎(chǔ)上進(jìn)行對(duì)比與優(yōu)化設(shè)計(jì)。

其余絕緣配合、空氣間隙等輸入條件按照《110 kV～750 kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50545—2010)執(zhí)行。

3 直線塔串型組合

3.1 不同串型組合型式

對(duì)于導(dǎo)線垂直排列的500 kV雙回路直線塔，上下相鄰導(dǎo)線需有一定的水平偏移，往往會(huì)采用中相導(dǎo)線向外側(cè)偏移的鼓型排列方式，且多為I串懸掛。為尋求最優(yōu)的串型配置方式，以典型直線桿塔為例，在串型選擇上做了以下幾種組合見圖2。

由圖2可以看出，前四種串型配置方案的導(dǎo)線排列方式依然為鼓型排列，中相導(dǎo)線為保持與上下相的水平偏移向塔身外側(cè)偏移，導(dǎo)致中相導(dǎo)線間隙圓與塔身有較大距離，導(dǎo)線荷載作用點(diǎn)距塔身較遠(yuǎn)，一定程度上不利于控制塔重。而上中下相橫擔(dān)分別采用IVI型串的方案，中相導(dǎo)線采用向塔身側(cè)偏移的方式，導(dǎo)線排列為纖腰型，各相導(dǎo)線布置均較緊湊，合理的利用了空間。

圖2 三層橫擔(dān)導(dǎo)線垂直排列的不同串型組合

3.2 V串橫擔(dān)型式的優(yōu)化

采用V串的橫擔(dān)為滿足卸載角要求，V串夾角較大，為滿足導(dǎo)線距上層橫擔(dān)的間隙要求，V串橫擔(dān)較長(zhǎng)，且需在塔身上新增節(jié)點(diǎn)。以圖3中采用6V型串的塔型為例，共需要增加6個(gè)節(jié)點(diǎn)，導(dǎo)線懸掛點(diǎn)布置方式不夠科學(xué)，會(huì)增加塔重?；谝陨弦蛩?，可對(duì)懸掛V串的橫擔(dān)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，見圖3。

圖3 雁翅型橫擔(dān)結(jié)構(gòu)

橫擔(dān)下側(cè)采用魚腹式結(jié)構(gòu)以滿足間隙要求，同時(shí)這種橫擔(dān)結(jié)構(gòu)平均厚度小于常規(guī)橫擔(dān)結(jié)構(gòu)，且不用新增節(jié)點(diǎn)，據(jù)初步測(cè)算，每支橫擔(dān)約比常規(guī)橫擔(dān)節(jié)約塔材3%，除此之外，采用“雁翅”型橫擔(dān)的塔型塔頭高度也略小于常規(guī)塔型。為使導(dǎo)線懸掛方式的對(duì)比更有意義，把采用V型串的橫擔(dān)都優(yōu)化為此種結(jié)構(gòu)，見圖4。

圖4 采用“雁翅”型橫擔(dān)的塔頭

3.3 塔頭尺寸對(duì)比

以典型桿塔的設(shè)計(jì)條件，5種塔型塔頭尺寸對(duì)比見表1。

從塔頭尺寸比較可知：

(1)5種塔型塔頭高度相差不是很大。

(2)對(duì)于導(dǎo)線成鼓型排列的塔型，以3I串型塔最優(yōu)；在下相采用V串雖可減少場(chǎng)強(qiáng)控制拆遷的范圍，但塔重不具優(yōu)勢(shì)；在上相采用V串更不具有優(yōu)越性。

表1 種塔型塔頭尺寸對(duì)比

(3)采用IVI型串布置的塔型，可以使中相導(dǎo)線向塔身側(cè)水平偏移，導(dǎo)線成纖腰型排列，導(dǎo)線布置非常緊湊，空間利用率較高。纖腰型導(dǎo)線排列方式較鼓型排列更具優(yōu)勢(shì)。

(4)幾種串型組合型式的優(yōu)缺點(diǎn)見表2。

表2 不同串型組合優(yōu)劣

3.4 桿塔經(jīng)濟(jì)型對(duì)比

本文所討論的各種塔型各相導(dǎo)線懸掛高度相差不大，導(dǎo)地線荷載相當(dāng)，區(qū)別主要反應(yīng)在因橫擔(dān)布置型式與長(zhǎng)度、地線支架長(zhǎng)度不同導(dǎo)致的塔重差異上。下面以SZ30102(42)的設(shè)計(jì)條件，對(duì)各種塔型在塔重、絕緣子用量等方面做一個(gè)比較，見表3。

表3 不同串型組合塔頭經(jīng)濟(jì)性比較

根據(jù)表3分析，上中下相分別采用IVI型串的桿塔塔重最輕，約比3I型串節(jié)約1.8%，在綜合費(fèi)用與走廊寬度上都有優(yōu)勢(shì)，3V型串雖然走廊寬度最小，但塔重最高。因此綜合考慮桿塔經(jīng)濟(jì)型和走廊寬度，V串橫擔(dān)采用“雁翅”型橫擔(dān)，導(dǎo)線采用纖腰排列方式的IVI型塔塔重最具優(yōu)勢(shì)。

由于5種塔型導(dǎo)地線荷載相差不大，基礎(chǔ)作用力也相當(dāng)，因此基礎(chǔ)耗用量不會(huì)有很大差別，在此不再做詳細(xì)論述。

按照典型桿塔設(shè)計(jì)條件計(jì)算，采用IVI型串的桿塔單基塔重約比3I型塔輕約約1.8%，考慮金具絕緣子的使用差價(jià)后，綜合費(fèi)用單基約節(jié)省0.32萬元。以全長(zhǎng)100k m線路為例，直線塔180基，采用IVI型桿塔總造價(jià)節(jié)省約58萬元，同時(shí)也可壓縮走廊寬度，減少拆遷。根據(jù)上文的論述，IVI型直線塔從經(jīng)濟(jì)性和走廊寬度上比常規(guī)鼓型直線塔都具有明顯優(yōu)勢(shì)。

3.5 桿塔電氣性能比較

由于導(dǎo)線纖腰型布置方式比鼓型排列方式更緊湊，導(dǎo)線間距離更小，為考量導(dǎo)線纖腰型布置方式電氣性能，下面對(duì)IVI型塔與導(dǎo)線鼓型排列中最具代表性的3I型塔在電氣性能上做出對(duì)比。

按主力塔型設(shè)計(jì)條件計(jì)算，導(dǎo)線相序排列采用相同的逆相序排列方式，相同設(shè)計(jì)條件的IVI塔和3I塔做電磁環(huán)境對(duì)比見表4。

表4 鼓型塔與纖腰型塔的電磁環(huán)境比較

由表4可知，采用纖腰型塔時(shí)，表面場(chǎng)強(qiáng)、無線電干擾與可聽噪聲值與鼓型塔相比增量很小，從電磁環(huán)境的角度纖腰型塔完全滿足要求。

4 直轉(zhuǎn)塔串型組合

直線轉(zhuǎn)角塔同耐張轉(zhuǎn)角塔相比，基礎(chǔ)混凝土及鐵塔鋼材用量小，且絕緣費(fèi)用較低，具有一定的優(yōu)越性，特別是在房屋密集、塔位較差、避讓重要設(shè)施等需用小角度改變線路走向的塔位，采用直線轉(zhuǎn)角塔不僅使線路路徑走線靈活，同時(shí)可延長(zhǎng)耐張段長(zhǎng)度，從而降低工程的造價(jià)，優(yōu)化線路路徑，提高施工效率。直線轉(zhuǎn)角塔也有I串和V(L)串兩種掛線方式，I型串的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在轉(zhuǎn)角內(nèi)側(cè)，在角度力作用下導(dǎo)線向遠(yuǎn)離塔身側(cè)偏移，對(duì)保證電氣間隙有好處；V(L)型串的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在轉(zhuǎn)角外側(cè)，避免轉(zhuǎn)角外側(cè)導(dǎo)線在角度力作用下進(jìn)一步靠近塔身。

當(dāng)直線轉(zhuǎn)角度數(shù)較大時(shí)，外角側(cè)采用I串掛線方式會(huì)造成塔頭尺寸的大幅度增加，內(nèi)角側(cè)采用I串時(shí)，可以縮短橫擔(dān)長(zhǎng)度。如果懸垂轉(zhuǎn)角塔三相均采用L串掛線方式，綜合效果使得塔頭尺寸增加，從而導(dǎo)致塔重較重。經(jīng)過經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，推薦直線轉(zhuǎn)角塔內(nèi)側(cè)采用ILI型串，外側(cè)采用3L型串，導(dǎo)線排列方式與普通直線塔一致，為纖腰型。采用全L串的直轉(zhuǎn)塔與轉(zhuǎn)角內(nèi)側(cè)采用ILI串，轉(zhuǎn)角外側(cè)采用3L串的直轉(zhuǎn)塔的塔頭對(duì)比見圖5。

圖5 直轉(zhuǎn)塔塔頭對(duì)比

該種型式的直轉(zhuǎn)塔塔重約比采用3L型串的直轉(zhuǎn)塔節(jié)約0.5%。

5 結(jié)論

本文針對(duì)500 kV雙回路直線桿塔的串型組合做了全面對(duì)比分析，在典型的設(shè)計(jì)輸入條件下得出以下結(jié)論，供輸電線路桿塔設(shè)計(jì)參考：

(1)500 kV雙回路直線塔可不必拘泥于3V或3I型的單一化串型設(shè)計(jì)，可根據(jù)工程實(shí)際中的通道清理投資與本體投資的配比合理的進(jìn)行串型組合，以達(dá)到工程投資最低的效果；

(2)導(dǎo)線呈纖腰型布置的IVI串型組合的直線塔本體投資最低，走廊寬度僅大于3V串型組合，遠(yuǎn)小于其他串型組合型式，在今后的工程設(shè)計(jì)中可作為優(yōu)先考慮的串型組合方案；

(3)直線轉(zhuǎn)角塔的轉(zhuǎn)角內(nèi)外側(cè)的串型也可采用差異化設(shè)計(jì)，以發(fā)揮I、V型串的優(yōu)勢(shì)，達(dá)到降低塔重，節(jié)約投資的目的。

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