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        特高壓線路垂直排列耐張塔的跳線支架高度研究

        2018-05-10 03:43:41張思祥
        關(guān)鍵詞:掛點檔距跳線

        張思祥,陳 鵬,張 勇

        (山東電力工程咨詢院有限公司,山東 濟(jì)南 250013)

        0 引言

        特高壓線路走廊通道較寬,在房屋密集的路徑緊張地區(qū),采用導(dǎo)線垂直布置的方式可有效節(jié)省走廊寬度、減小拆遷、降低工程造價[1]。

        導(dǎo)線垂直布置方式在±500 kV直流、±800 kV直流輸電線路中均有應(yīng)用,鑒于鐵塔外形特征,鐵塔常被命名為“F”型塔。與常規(guī)“干”字型耐張塔使用的“雙V”形硬跳線型式不同,從桿塔設(shè)計角度考慮,順線路塔身側(cè)設(shè)計跳線支撐架較為困難,“F”形耐張塔一般采用“雙 I”硬跳線[2]。 已建±800 kV 線路“F”形塔的外形及跳線型式如圖1所示。

        對于特高壓直流線路,耐張絕緣子串長達(dá)20~30 m,而跳線檔長度約為60 m,由于軟跳線應(yīng)力較小,為使跳線間隙滿足要求,并考慮到跳線支架和整個跳線系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性,一般采用“雙I”形的硬跳線系統(tǒng)。從受力角度,在風(fēng)吹擺動的情況下,“雙I”形的硬跳線系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。為簡化計算過程,目前國內(nèi)設(shè)計手冊及設(shè)計軟件通常采用跳線弧垂f與跳線檔距l(xiāng)的比值f/l來控制跳線張力,電氣間隙距離檢查僅對外過電壓的無風(fēng)和有風(fēng)兩種情況。檢查范圍包括跳線串帶電體及軟、硬跳線對跳線系統(tǒng)上下側(cè)的橫擔(dān)、塔身及第一片絕緣子鐵帽的距離等[3-5]。

        圖1 “F”形塔外形

        由于特高壓線路鐵塔高度高,跳線系統(tǒng)構(gòu)造復(fù)雜、受風(fēng)面積大等原因,致使跳線系統(tǒng)的大風(fēng)搖擺角明顯大于常規(guī)線路。加之硬跳線的風(fēng)偏導(dǎo)致了軟跳線段檔距明顯減小,由此引起的跳線弧垂增加已經(jīng)不容忽視。因此在設(shè)計桿塔跳線支架時須考慮大風(fēng)工況下跳線系統(tǒng)的風(fēng)偏間隙,以確定跳線支架的長度和與導(dǎo)線掛點的高差。且由于特高壓跳線串很長,大風(fēng)風(fēng)偏導(dǎo)致軟跳線檔距l(xiāng)變化幅度大,常規(guī)的方法無法滿足特高壓跳線設(shè)計的要求。因此,本文采用變檔距法校驗跳線弧垂和空氣間隙。

        1 變檔距法跳線計算的數(shù)學(xué)模型

        1.1 主要數(shù)學(xué)模型

        1.1.1 剛性跳線預(yù)偏角計算[5]

        式中:TQ、TH為前后側(cè)軟跳線水平張力(N);αQ、αH為前后側(cè)軟跳線檔距與耐張塔橫擔(dān)垂直方向夾角

        式中:F為剛性跳線系統(tǒng)總風(fēng)壓,N;W為剛性跳線系統(tǒng)總重量,不包括軟跳線部分,N;P1為軟跳線單位荷載,N/m;lQ、lH為前后側(cè)軟跳線檔距,m;hQ、hH為前后側(cè)軟跳線高差,m。

        1.1.2 軟跳線線長計算

        式中:L為剛性跳線軟跳線線長,m;l為軟跳線檔距,m;P6為軟跳線綜合荷載,N/m;T 為軟跳線水平張力,N;β為軟跳線高差角。

        1.1.3 軟跳線弧垂計算

        式中:fH為軟跳線水平弧垂,m;fV為軟跳線水平弧垂,m;fCH為軟跳線鋁管出口處弧垂,m;fm為軟跳線最大弧垂,m;P4為軟跳線單位風(fēng)荷載,N/m;x為軟跳線上任意點距離硬跳出口距離,m;h為軟跳線高差,m。

        1.2 計算步驟

        第1步:安裝預(yù)偏角計算。

        為了保證剛性跳線不會沿著線路方向前后偏移,程序按照前后側(cè)跳線張力沿耐張塔橫擔(dān)垂直方向分量相等原則計算剛性跳線的安裝預(yù)偏角(小于5°),同時保證軟跳線在鋁管出口處的弧垂在0.3~0.5 m之間。計算出軟跳線部分線長、張力、檔距等。

        第2步:無風(fēng)工況跳線計算。

        根據(jù)安裝預(yù)偏角的計算結(jié)果,在跳線線長不變的條件下,先假定一剛性跳線偏角,然后求出軟跳線張力、檔距等,再根據(jù)計算結(jié)果重新計算剛性跳線偏角,如果與假定偏角一致,計算結(jié)束,否則以計算偏角為假定偏角重復(fù)上述計算過程,直到計算偏角與假定偏角一致。其計算流程如圖2所示。

        第3步:有風(fēng)工況間隙檢查。

        根據(jù)電氣間隙要求及第2步計算結(jié)果,計算帶電部分與接地構(gòu)件在帶電作業(yè)、外過有風(fēng)、內(nèi)過電壓、大風(fēng)工況的距離。如果檢查結(jié)果不滿足要求,根據(jù)檢查結(jié)果或者增加剛性跳線預(yù)偏角、或者增加配重重量、或者延長鋁管長度、或者增加耐張串長度,然后重復(fù)上述第1步、第2步計算過程,直到檢查結(jié)果滿足設(shè)計要求;如果檢查結(jié)果滿足要求,計算結(jié)束,輸出計算結(jié)果、間隙檢查結(jié)果。其流程如圖3所示。

        圖2 無風(fēng)時跳線計算流程

        圖3 有風(fēng)時跳線間隙檢查流程

        2 變檔距法跳線計算的應(yīng)用實例

        2.1 計算條件

        本文以±800 kV直流線路為例進(jìn)行計算。采用JF27101型塔,塔頭尺寸見圖4,線路轉(zhuǎn)角度數(shù)為10°,導(dǎo)線及跳線均采用JL1/G3A-1250/70導(dǎo)線。

        設(shè)計基本風(fēng)速27 m/s,跳線風(fēng)壓不均勻系數(shù)取1.2。耐張塔前后規(guī)律檔距和檔距均取450 m,耐張塔呼高取45 m,耐張塔導(dǎo)線掛點低于前后側(cè)相鄰的直線塔分別為8 m、11 m。在1 000 m以下輕冰、重污區(qū),導(dǎo)線耐張絕緣子串采用90片550 kN鐘罩型絕緣子,耐張絕緣子串總長約27.5 m,跳線串I采用160 kN合成絕緣子串,串長約13 m。

        跳線設(shè)計一般以f/l控制跳線張力,結(jié)合實際施工條件確定合適的跳線弧垂,設(shè)計跳線張力一般在200~600 N,可據(jù)此計算硬跳線兩側(cè)的軟跳線弧垂。

        圖4 塔頭尺寸示意圖

        2.2 計算結(jié)果及分析

        按照圖2所示計算流程,得到表1結(jié)果。

        根據(jù)GB 50790—2013《±800 kV直流架空輸電線路設(shè)計規(guī)范》規(guī)定,海拔1 000 m及以下,工作電壓及操作過電壓要求的最小間隙值分別為2.3m、5.3 m,雷電過電壓間隙不做要求[6-9]。

        圖5 軟跳線搭落在耐張絕緣子上

        由表2可知,前后側(cè)跳線系統(tǒng)的帶電體與接地體的距離均滿足間隙要求。同時可知,在大風(fēng)工況下,上相跳線串風(fēng)偏角達(dá)42.1°,跳線檔距由無風(fēng)工況時的28.3 m減小到21.9 m,在保持軟跳線線長不變的情況下,軟跳線弧垂由無風(fēng)時的3.8 m增加到7.1 m。在大風(fēng)工況,軟跳線與接地部位的間隙雖能滿足間隙要求,但已與耐張絕緣子接觸,如圖5所示,導(dǎo)致接觸段至高壓端段絕緣子失去作用,工頻絕緣長度顯著縮短,極易發(fā)生污穢閃絡(luò),且閃絡(luò)時沒有均壓環(huán)保護(hù),絕緣子表面將被燒蝕。因此,有必要對塔頭跳線系統(tǒng)與耐張絕緣子串的空間相對位置進(jìn)行優(yōu)化。

        表1 無風(fēng)時的跳線計算

        表2 有風(fēng)時的間隙檢查

        3 跳線系統(tǒng)與耐張絕緣子串的位置優(yōu)化

        3.1 優(yōu)化方案

        由計算實例可知,大風(fēng)工況下跳線檔距明顯減小,在軟跳線現(xiàn)場不變的條件下,軟跳線弧垂顯著增大,致使軟跳線搭落在絕緣子上。為解決上述問題,最為直接手段便是優(yōu)化軟跳線與耐張絕緣子串的空間位置關(guān)系。本文提出兩種解決思路。

        方法1:提高跳線掛點,增加軟跳線兩端掛點的空間距離,使軟跳線遠(yuǎn)離絕緣子串,但是這需要增加地線支架高度,增加塔重。

        方法2:提高導(dǎo)線耐張串掛點,使軟跳線低于耐張串,避免了軟跳搭落在絕緣子上,有效提高了導(dǎo)線位置,相當(dāng)于提高鐵塔呼高,有效降低塔重。

        綜合比較,本文采用方法2,即提高導(dǎo)線耐張串掛點。從工程設(shè)計角度,在考慮耐張串一定下傾角的情況下,可使耐張絕緣子串高壓端與風(fēng)偏后的硬跳線在同一高度上,如圖6所示。

        3.2 優(yōu)化成效

        3.2.1 ±800 kV線路優(yōu)化成效

        圖6 優(yōu)化效果示意圖

        跳線串長約11.52 m,大風(fēng)時跳線串偏角為45.35°,硬跳線抬高 8.15 m(11.52 m×cos45.35°)。 重污區(qū)導(dǎo)線耐張串絕緣子片數(shù)取90片,耐張串長27.5 m,以550 m檔距為例,計算得到耐張傾斜角度為7.5°,耐張串高壓端下傾高度為3.59 m (27.5 m×sin7.5°),耐張串掛點應(yīng)提高3.8 m。耐張串掛點提高,等效于鐵塔呼高增加,節(jié)省塔重約4.6%。

        3.2.2 ±1 100 kV線路優(yōu)化成效

        跳線串長約16.73 m,大風(fēng)時跳線串偏角為51.84°,硬跳線抬高 10.34 m(16.73 m×cos51.84°)。重污區(qū)導(dǎo)線耐張串絕緣子片數(shù)取122片,耐張串長35.7 m,以600m檔距為例,計算得到耐張傾斜角度為8°,耐張串高壓端下傾高度為4.96 m(35.7 m×sin8°), 耐張串掛點應(yīng)提高5.4 m,節(jié)省塔重約5.2%。

        4 結(jié)論

        鑒于特高壓直流線路跳線系統(tǒng)復(fù)雜、受風(fēng)面積大,大風(fēng)工況下跳線搖擺角明顯大于常規(guī)線路,導(dǎo)致軟跳線段檔距明顯減小,引發(fā)軟跳線弧垂顯著加大。常規(guī)的方法無法滿足特高壓跳線設(shè)計的要求。因此,本文采用變檔距法校驗跳線弧垂和空氣間隙,并對跳線系統(tǒng)與耐張串的空間位置進(jìn)行優(yōu)化,并對優(yōu)化成效進(jìn)行分析,主要結(jié)論如下:

        1)本文采用變檔距法進(jìn)行跳線計算,經(jīng)間隙檢查,由于塔頭尺寸較大,間隙距離容易滿足規(guī)范要求。但在大風(fēng)工況,軟跳線易搭落在耐張絕緣子上,導(dǎo)致工頻絕緣長度顯著縮短,極易發(fā)生污穢閃絡(luò)。

        2)為解決上述問題,需對跳線系統(tǒng)與耐張絕緣子串的空間相對位置進(jìn)行優(yōu)化。本文提高導(dǎo)線耐張串掛點,使軟跳線低于耐張串,避免了軟跳搭落在絕緣子上。

        3)與傳統(tǒng)布置方式相比,±800 kV及±1100kV導(dǎo)線掛點可分別提高3.8 m、5.4 m,這等效提高了鐵塔呼高,同等條件下分別節(jié)省塔重約4.6%、5.2%。

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