復(fù)合橫擔(dān)在1 000 kV特高壓交流輸電雙回路鐵塔中的應(yīng)用探討

吳　昊，孫珍茂，劉　勇

(四川電力設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司，成都　610016)

根據(jù)系統(tǒng)規(guī)劃，在“十三五”期間我國將建成由多條交流1 000 kV線路組成的骨干網(wǎng)架。現(xiàn)有的1 000 kV桿塔均采用全鋼制結(jié)構(gòu)，鋼材存在質(zhì)量重、易銹蝕或開裂、低溫性差等缺陷，在特殊的環(huán)境下還存在線路走廊寬、施工運(yùn)輸和運(yùn)行維護(hù)困難等問題。復(fù)合材料具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、耐腐蝕、加工容易、可設(shè)計(jì)性和絕緣性能良好等優(yōu)點(diǎn) ，越來越受重視。隨著復(fù)合材料技術(shù)及其制造工藝的發(fā)展，將復(fù)合材料應(yīng)用于輸電桿塔橫擔(dān)已成為可能。輸電線路鐵塔的橫擔(dān)部分采用復(fù)合材料，將有效提升電網(wǎng)的安全性能，大幅削減風(fēng)偏閃絡(luò)、覆冰等事故損失和維護(hù)費(fèi)用，大幅降低工程造價(jià)的同時(shí)節(jié)約大量土地資源，實(shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

國網(wǎng)公司2009年啟動(dòng)的試點(diǎn)工程只在10 kV和35 kV線路上采用全復(fù)合材料桿，在110 kV和220 kV線路上則是采用的復(fù)合材料橫擔(dān)。除復(fù)合橫擔(dān)外，國內(nèi)還有采用110 kV復(fù)合塔頭的試點(diǎn)工程。目前，復(fù)合橫擔(dān)鐵塔試點(diǎn)的最高電壓等級為“新疆與西北主網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)750 kV第二通道工程”使用的復(fù)合橫擔(dān)塔，所以開發(fā)1 000 kV復(fù)合橫擔(dān)新塔型對于1 000 kV特高壓電網(wǎng)的安全、可靠運(yùn)行，提高1 000 kV輸電線路設(shè)計(jì)和裝備水平，具有重要意義。

為加強(qiáng)1 000 kV線路創(chuàng)新技術(shù)的研究和應(yīng)用，進(jìn)一步提高線路的安全和經(jīng)濟(jì)性，需在復(fù)合橫擔(dān)等新技術(shù)方面進(jìn)行深入研究。

1　復(fù)合橫擔(dān)鐵塔的塔頭尺寸設(shè)計(jì)

復(fù)合橫擔(dān)鐵塔塔頭尺寸主要依賴于電氣耐壓性能、空氣間隙要求以及電磁環(huán)境限值等因素。

1.1　塔頭空氣間隙要求

根據(jù)1 000 kV同塔雙回輸電線路桿塔一般結(jié)論，普通鐵塔的塔頭尺寸，特別是橫擔(dān)寬度，受絕緣子串風(fēng)偏后對塔身的空氣間隙控制，一般為16～20 m。如果采用復(fù)合橫擔(dān)，導(dǎo)線直接或經(jīng)過短金具串與橫擔(dān)端部掛點(diǎn)相連，在鐵塔上幾乎不存在絕緣子串風(fēng)偏，當(dāng)復(fù)合橫擔(dān)寬度大于各種情況下的空氣間隙要求值時(shí)，可以認(rèn)為導(dǎo)線對鐵塔塔身的空氣間隙滿足要求。

經(jīng)計(jì)算，當(dāng)復(fù)合橫擔(dān)鐵塔懸掛金具串長取3 m時(shí)，只要復(fù)合橫擔(dān)結(jié)構(gòu)長度大于8.3 m時(shí)，導(dǎo)線對塔身的空氣間隙便能滿足要求，由空氣間隙決定的上層橫擔(dān)寬度約為10.8 m，較普通鐵塔橫擔(dān)寬度14.0 m縮短約3.2 m。

1.2　復(fù)合橫擔(dān)耐壓要求

鐵塔采用復(fù)合橫擔(dān)后，由于取消了線路絕緣子，復(fù)合橫擔(dān)本身需承受工頻電壓、操作沖擊電壓及雷電沖擊電壓。由于目前尚缺乏1 000 kV復(fù)合橫擔(dān)電氣試驗(yàn)研究，本報(bào)告參照750 kV交流輸電線路復(fù)合橫擔(dān)電氣試驗(yàn)研究成果，對1 000 kV線路采用的復(fù)合橫擔(dān)電氣性能進(jìn)行分析推斷。

操作過電壓要求的線路絕緣子串正極性操作沖擊電壓波50%放電電壓U50應(yīng)符合：

U50≥K1·US

式中US——線路相對地統(tǒng)計(jì)操作過電壓，kV；K1——線路絕緣子串操作過電壓統(tǒng)計(jì)配合系數(shù)，取1.25。

若操作過電壓倍數(shù)取電壓標(biāo)系值的1.6、1.7，系統(tǒng)最高運(yùn)行電壓取1 100 kV時(shí)，正極性操作沖擊電壓波50%放電電壓U50分別為1 796 kV和1 909 kV。

一般來說，雷電過電壓與運(yùn)行電壓無直接關(guān)系，在特高壓系統(tǒng)中，由于輸電線路本身的外絕緣水平很高，對外絕緣設(shè)計(jì)而言，雷電過電壓不起決定作用。在雷電過電壓下，絕緣子串仍應(yīng)滿足一定耐雷水平。經(jīng)計(jì)算，1 000 kV同塔雙回輸電線路單回跳閘耐雷水平一般在190～249 kA，雙回跳閘耐雷水平一般在296～400 kA；出現(xiàn)這種雷電流的概率是很小的(數(shù)量級0.1%及以下)，發(fā)生雷電反擊閃絡(luò)概率極低。因此，在復(fù)合橫擔(dān)尺寸的選取上，不以耐受雷擊過電壓作為控制條件。

中國電科院對750 kV復(fù)合橫擔(dān)真型塔頭進(jìn)行操作沖擊及雷電沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果：當(dāng)復(fù)合橫擔(dān)端部到橫擔(dān)與塔身聯(lián)接處長度為8.3 m時(shí)，操作沖擊放電電壓為2 015 kV。對1 000 kV輸電線路，當(dāng)操作過電壓倍數(shù)取電壓標(biāo)么值的1.7時(shí)的操作沖擊耐受電壓要求值為1 909 kV，小于復(fù)合橫擔(dān)長度8.3 m時(shí)的放電電壓。因此，1 000 kV線路復(fù)合橫擔(dān)長度按普通復(fù)合絕緣子干弧距離9 m選擇滿足操作過電壓要求，同時(shí)，雷電過電壓對絕緣子串長不起控制作用，因而復(fù)合橫擔(dān)選擇9 m干弧距離也滿足雷擊過電壓要求。

針對750 kV復(fù)合橫擔(dān)的工頻污穢耐壓水平，中國電科院也做了相應(yīng)試驗(yàn)研究。由試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)可知，對于750 kV輸電線路，復(fù)合橫擔(dān)的絕緣距離及爬電距離與普通線路懸式絕緣子在相同污穢條件下的串長及爬距取值相同，滿足污穢耐受電壓的要求。對1 000 kV輸電線路，仍可參照750 kV的試驗(yàn)結(jié)果，將復(fù)合橫擔(dān)的絕緣距離及爬電距離取值與普通鐵塔懸垂復(fù)合絕緣子一致，輕冰區(qū)絕緣子長度不小于9 m，爬距取32 m。由此可見，由電氣耐壓決定的復(fù)合橫擔(dān)長度大于按空氣間隙要求決定的長度。

因此，在滿足工頻污穢耐受壓、操作沖擊耐受壓及雷擊跳閘率要求的情況下，在Ⅲ級污穢區(qū)，初步推斷復(fù)合橫擔(dān)絕緣距離取為9 m，爬距取為32 m，考慮橫擔(dān)與塔身及導(dǎo)線聯(lián)接金具及屏蔽環(huán)，復(fù)合橫擔(dān)的結(jié)構(gòu)長度值最小可取為11 m。

1.3　復(fù)合橫擔(dān)長度對電磁環(huán)境的影響

按照1 000 kV普通雙回路鐵塔層高取19 m的情況下，對比計(jì)算復(fù)合橫擔(dān)鐵塔在不同橫擔(dān)寬度下的電磁環(huán)境影響參數(shù)。

按照復(fù)合橫擔(dān)電氣耐壓決定的復(fù)合橫擔(dān)結(jié)構(gòu)長度為11 m，加上鐵塔自身寬度，滿足電氣耐壓的最小橫擔(dān)寬度自上層到下層分別為13、13.7、14.4 m。

導(dǎo)線表面場強(qiáng)、無線電干擾、可聽噪聲的計(jì)算見結(jié)果表1、表2、表3。

表1　導(dǎo)線表面場強(qiáng)(逆相序)

表2　無線電干擾結(jié)果 　dB

表3　可聽噪聲結(jié)果　dB

從表1可以看出，橫擔(dān)越短上下相導(dǎo)線表面場強(qiáng)越大，電暈損耗越大，中相導(dǎo)線表面場強(qiáng)越小，電暈損耗越小。但最短12 m的橫擔(dān)仍能滿足電暈損耗的要求(一般要求Em/Em0<0.8，見導(dǎo)地線選擇報(bào)告)。從表2可看出，橫擔(dān)越短無線電干擾水平越大，當(dāng)層高為19 m時(shí)，最短12 m的橫擔(dān)仍能滿足58 dB的限值要求。從表3可看出，橫擔(dān)越短可聽噪聲水平越大，當(dāng)層高取19 m時(shí)，最短12 m的橫擔(dān)仍能滿足55 dB的限值要求。

改變層高及橫擔(dān)寬度，計(jì)算了可聽噪聲值，如圖1所示。

圖1　可聽噪聲計(jì)算曲線

由圖1可知，雙回路桿塔層高越小，可聽噪聲越大；橫擔(dān)寬度越大，可聽噪聲越?。话凑諠M足可聽噪聲限值55 dB的要求，當(dāng)橫擔(dān)寬度取13 m時(shí)，桿塔層高應(yīng)大于18 m。當(dāng)橫擔(dān)寬度取12 m時(shí)，桿塔層高應(yīng)不小于19 m。層高取值為16 m和17 m時(shí)，16 m的橫擔(dān)寬度也無法滿足可聽噪聲限值要求。若從盡可能壓縮走廊的角度考慮，當(dāng)上層橫擔(dān)寬度取值小于13 m時(shí)，應(yīng)加大層高，同時(shí)需增加一定長度的懸垂絕緣子串補(bǔ)充絕緣。

地面場強(qiáng)與層高及橫擔(dān)寬度的關(guān)系分別如圖2、圖3所示。

圖2　上橫擔(dān)寬13 m時(shí)地面場強(qiáng)曲線

圖3　層高18 m時(shí)的地面場強(qiáng)曲線

通過計(jì)算結(jié)果及計(jì)算曲線可得出以下結(jié)論。

復(fù)合橫擔(dān)越寬，相同層高下的可聽噪聲值越小。復(fù)合橫擔(dān)越寬，按4 kV/m場強(qiáng)控制的線路走廊寬度越寬。層高越大，相同橫擔(dān)寬度時(shí)的可聽噪聲值越小。層高越大，按4 kV/m場強(qiáng)控制的線路走廊寬度越寬，但層高對走廊寬度的影響較小。按照可聽噪聲限值要求，層高增加1 m。通常情況下，復(fù)合橫擔(dān)雙回路鐵塔的層高越高，鐵塔越重，會增加投資，同時(shí)防雷性能越差，但其所需橫擔(dān)寬度越窄，相應(yīng)線路走廊越窄，減少了房屋拆遷量，會降低投資。因此，在復(fù)合橫擔(dān)鐵塔設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合考慮各方面因素，作出最優(yōu)的組合。

2　復(fù)合橫擔(dān)塔優(yōu)化設(shè)計(jì)及經(jīng)濟(jì)性分析

2.1　復(fù)合橫擔(dān)的結(jié)構(gòu)型式

復(fù)合橫擔(dān)中的受壓構(gòu)件一般采用空心圓管，而受拉構(gòu)件可以采用實(shí)心圓管和空心圓管兩種。除了采用圓管外，還可以采用D字形空心管，如圖4所示。D字形管與圓管相比與塔身主材相連方便，橫擔(dān)斜材也比較容易與D字形管的主材相連，另外，D字形有一個(gè)水平面，方便運(yùn)維階段站人。

圖4　D字形管

復(fù)合橫擔(dān)由受軸向拉力的拉索和受彎矩和壓力作用的壓管組成，壓桿采用支柱絕緣子，拉桿采用復(fù)合絕緣子，壓桿中間設(shè)置支撐，如圖5所示。

圖5　復(fù)合橫擔(dān)結(jié)構(gòu)型式

2.2　優(yōu)化設(shè)計(jì)

以1 000 kV交流特高壓輸電線路工程的典型直線塔SZ27103為例，改為復(fù)合橫擔(dān)塔有三種方案，如圖6所示。

表4　鋼材鐵塔與復(fù)合橫擔(dān)鐵塔比較

(1)三相均采用復(fù)合橫擔(dān)，層間距18 m。該塔的地線支架與上橫擔(dān)固定在一起，為了簡化防雷措施，地線支架一般不采用復(fù)合材料。因此，需將地線支架從上橫擔(dān)分離出來，直接與塔身相連。上中下三相橫擔(dān)均采用復(fù)合材料。本方案的導(dǎo)線層間距取18 m，上中下三相導(dǎo)線距塔中心的距離分別為13、13.7、14.4 m，走廊寬度28.8 m，可將原典型塔的走廊寬度由29.6 m縮小0.8 m。

(2)三相均采用復(fù)合橫擔(dān)，層間距19 m。本方案的復(fù)合橫擔(dān)型式與第1種方案完全相同，差別就是增大層間距為19 m，這樣上中下三相距離塔位中心的距離可以減小為12、12.7、13.4 m，走廊寬度26.8 m，比普通塔的走廊寬度29.6 m縮小2.8 m，約縮小了9.45%。

(3)僅下相采用復(fù)合橫擔(dān)。本方案僅在下相采用復(fù)合橫擔(dān)。該方案不能縮小線路走廊寬度，但由于下相減少了絕緣子串長度，可以減小塔呼高約8 m，塔全高也降低了8 m。另外地線支架的寬度主要受對下相保護(hù)角的控制，下相采用復(fù)合橫擔(dān)減小了橫擔(dān)長度，從而地線支架也可以向塔身靠攏一些。本方案的主要作用是通過降低呼高、從而降低塔本體造價(jià)。

圖6　復(fù)合橫擔(dān)模型示意圖

2.3　復(fù)合橫擔(dān)塔的經(jīng)濟(jì)性分析

復(fù)合橫擔(dān)塔若三相均采用復(fù)合橫擔(dān)，其作用主要是縮小走廊寬度，從而可以減少房屋拆遷量，降低工程造價(jià)。復(fù)合橫擔(dān)塔若僅下相采用復(fù)合橫擔(dān)，則主要作用是降低塔高，不能縮小線路走廊寬度，是通過降低塔本體造價(jià)來降低工程造價(jià)。

普通塔與三種方案復(fù)合橫擔(dān)塔的材料及線路走廊寬度及造價(jià)如表4所示。

由表4可以看出，三種方案都能節(jié)約工程造價(jià)。采用僅下相使用復(fù)合橫擔(dān)的方案3綜合造價(jià)最低，比普通塔節(jié)約5.7%；三相都采用復(fù)合橫擔(dān)、層間距為19 m的方案2造價(jià)次低，比普通塔節(jié)約3.5%；三相都采用復(fù)合橫擔(dān)、層間距為18 m的方案1的造價(jià)也比普通塔略低。

3　結(jié)語

(1)本文在750 kV交流輸電線路復(fù)合橫擔(dān)

的操作沖擊耐受壓、雷電沖擊耐受壓及人工污穢試驗(yàn)成果的基礎(chǔ)上，對1 000 kV復(fù)合橫擔(dān)的長度取值進(jìn)行了類比分析，從理論上得出了滿足電氣耐壓要求的1 000 kV復(fù)合橫擔(dān)長度取值。

(2)從滿足電磁環(huán)境限值要求入手，定性定量地分析了雙回路復(fù)合橫擔(dān)鐵塔橫擔(dān)寬度、相導(dǎo)線層間距離對電磁環(huán)境限值的影響趨勢，由此確定了最優(yōu)的復(fù)合橫擔(dān)鐵塔塔頭外型尺寸。

(3)提出了復(fù)合橫擔(dān)的結(jié)構(gòu)型式，對復(fù)合橫擔(dān)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出了三相均采用復(fù)合橫擔(dān)、層間距18 m，三相均采用復(fù)合橫擔(dān)、層間距19 m，僅下相采用復(fù)合橫擔(dān)等方案。

(4)從桿塔本體造價(jià)、房屋拆遷費(fèi)用等角度對復(fù)合橫擔(dān)塔進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，結(jié)果表明采用僅下相使用復(fù)合橫擔(dān)的方案綜合造價(jià)最低；三相都采用復(fù)合橫擔(dān)、層間距為19 m的方案造價(jià)次低；三相都采用復(fù)合橫擔(dān)、層間距為18 m的方案最高，但也比普通塔略低。

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