謝煥鋒

(廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院有限公司,廣州 510635)

1 概述

架空輸電線路是指在金屬鋼架上合理搭設(shè)輸電導(dǎo)線，用來運輸電流的一種電力設(shè)施，架空輸電線路的建設(shè)中其導(dǎo)線一般和地面保持一定的距離。由于在架空輸電線路系統(tǒng)的建設(shè)中具有：成本投資少、施工速度快、施工方便、易于維修、電流輸送容量大、輸送距離超長等特點，所以，現(xiàn)今已成為主要的輸電形式[1]。但是，架空輸電線路在實際的運行中也有一些不足，由于架空輸電線路一般在戶外建設(shè)，周圍環(huán)境對其影響很大(見圖1)。

圖1 110 kV雙回輸電線路示意

近年來，隨著城市的發(fā)展，建筑物與線路保護區(qū)的矛盾越來越多，由于歷史原因，有很多高壓架空線路貫穿于城市，新建建筑物已經(jīng)嚴(yán)重危及電力線路安全運行，同時過近的距離也會對人身安全造成極大地威脅，城市空間緊張，可以將高壓線路改造成地下電纜線路，但將原有的高壓線路都改造成地下電纜線路造價太高。如果新建建筑物與線路之間可以安全建設(shè)及運行，可以減少遷改工作從而減少建設(shè)投資，精確計算現(xiàn)有輸電線路導(dǎo)線在各種工況下的安全距離，對城市規(guī)劃建設(shè)非常重要。

2 110 kV架空線路安全距離簡介

控制與輸電線路導(dǎo)線最小安全距離的一個主要原因是絕緣水平，太近會擊穿空氣絕緣，造成放電危害，另一個原因是對地面電場磁場的控制，距離太近會電磁場危害[2-4]。如110 kV線路對地距離是以不發(fā)生危險的電氣間隙放電事故，即考慮正常絕緣水平?jīng)Q定，在非居民區(qū)按城鄉(xiāng)郊區(qū)在夏收季節(jié)若用汽車運輸時，按交通部門規(guī)定載高以4.0 m計算，操作過電壓等效間隙取0.70 m，裕度取0.5 m，則導(dǎo)線對地距離為4.0+0.70+0.5=5.2 m，此外還參考日本、前蘇聯(lián)等其他國家標(biāo)準(zhǔn)，最終取6.0 m[5]。

《110 kV～750 kV架空輸電線路設(shè)計規(guī)范》(GB 50545—2010)中對110 kV線路各項內(nèi)容規(guī)定數(shù)值見表1所示。

表1 導(dǎo)線對地距離及交叉跨越距離

3 案例分析

3.1 案例背景

東莞市鳳崗某數(shù)碼城三組團項目位于東莞市鳳崗鎮(zhèn)雁田村，怡安東路北側(cè)。場地紅線南側(cè)緊鄰東深二路，東側(cè)為園區(qū)內(nèi)道路，南側(cè)為怡安東路。110 kV輸電線路馬東線為東深供水專用架空輸電線路，接入上埔站，該輸電線路位于數(shù)碼城三組團項目用地紅線與東深供水箱涵之間，數(shù)碼城三組團項目用地紅線距離輸電線路邊導(dǎo)線最近處不足10 m，110 kV輸電線路馬東線與數(shù)碼城征地紅線平行，受影響范圍為距N11塔至N12塔大號側(cè)45 m處[6]。

本節(jié)將對該范圍輸電線路與建筑物之間安全距離進行分析計算，校驗數(shù)碼城三組團項目新建建構(gòu)筑物對線路帶電導(dǎo)線是否滿足電氣安全距離。根據(jù)工程情況，本次校核包括：

1) 在最大計算導(dǎo)線弧垂情況下，導(dǎo)線對地面的最小垂直距離(圖2中距離A)，取居民區(qū)最小距離7 m。

2) 在計算風(fēng)偏影響情況下，邊導(dǎo)線與規(guī)劃建筑物之間的最小5 m凈空距離(圖2中距離B、C)。

圖2 線路導(dǎo)線距離斷面示意

3.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的選取

輸電線路導(dǎo)線受氣溫、風(fēng)力等外界因素影響，導(dǎo)線不是處于靜止?fàn)顟B(tài)，會有導(dǎo)線弧垂變化及擺動，需要考慮在極限條件下，導(dǎo)線發(fā)生偏移后是否還滿足導(dǎo)線與建筑物的電氣安全距離，這時需取得輸電線路運行所處地區(qū)的氣象條件、導(dǎo)線設(shè)計安全系數(shù)等基礎(chǔ)資料，由于線路施工過程可能產(chǎn)生測繪誤差、定位誤差和施工誤差等，與圖紙資料產(chǎn)生差距，所以,進行精確距離計算時，需要現(xiàn)場測量復(fù)核輸電線路工程竣工現(xiàn)場與圖紙資料是否存在誤差，如桿塔安裝定位建議以現(xiàn)場測量為準(zhǔn)[7]。

根據(jù)110 kV馬東線竣工資料(以下簡稱馬東線竣工圖)、數(shù)碼城三組團項目施工圖及現(xiàn)地測量復(fù)核，所收集需要的資料如下。

① 輸電線路路徑：110 kV輸電線路馬東線位于數(shù)碼城三組團已建項目西側(cè)，與征地紅線平行，受影響范圍處于N11塔～N18塔耐張段之間，該耐張段長為1 186 m，代表檔距為170 m。

② 氣象條件：本工程110 kV馬東線線位于東莞市鳳崗鎮(zhèn)，根據(jù)其竣工圖資料，線路所在地氣象組合見表2所示。

表2 氣象條件

③ 導(dǎo)線結(jié)構(gòu)及其物理特性：110 kV馬東線導(dǎo)線型號采用LGJX-185/25，導(dǎo)線特性參數(shù)資料見表3。

表3 導(dǎo)線特性

④ 由于該地?zé)o覆冰情況，依據(jù)《電力工程高壓送電線路設(shè)計手冊》(以下簡稱線路手冊)計算方法，分別計算得到導(dǎo)線在自重力荷載、無冰時風(fēng)荷載及無冰時綜合荷載時的比載[8]，計算結(jié)果見表4。

表4 導(dǎo)線荷載及比載

⑤ 絕緣子串：110 kV馬東線直線塔采用單聯(lián)絕緣子串，絕緣子采用復(fù)合絕緣子，復(fù)合絕緣子型號為FXBW3-110/70-B，絕緣子串整串長為1 639 mm，重量合計為12.50 kg，受風(fēng)面積取Af=0.22 m2。

⑥ 桿塔形式：110 kV馬東線N11為鋼管耐張塔JG1-18，下橫擔(dān)長為2.4 m，N12～N14均為直線鋼管塔ZG1-24，下橫擔(dān)長為2.5 m。

⑦ 新建建筑物資料：三組團項目除新建樓房外，還對地面進行平整，在離輸電線路比較近的地方抬高了原有地面高程，除了校核輸電線路導(dǎo)線與高層建筑物水平距離外，還需要校核輸電線路導(dǎo)線與地面距離。各關(guān)鍵點與線路相對位置、高程等數(shù)據(jù)見本文計算過程。

3.3 計算在最大計算導(dǎo)線弧垂情況下，導(dǎo)線對地面的最小距離

據(jù)現(xiàn)場測量復(fù)核結(jié)果，110 kV馬東線N11、N12及N13塔安裝高程(混凝土基礎(chǔ)頂面)為37.66 m、37.54 m及37.73 m，N11塔至N12塔檔距l(xiāng)1=122 m，N12塔至N13塔檔距l(xiāng)2=165 m，由于N12～N13塔為直線鋼管塔，采用懸垂絕緣子串掛導(dǎo)線，計算導(dǎo)線懸掛點高程時需要考慮懸垂絕緣子串的長度，故N11與N12導(dǎo)線懸掛點高差、N12與N13塔導(dǎo)線懸掛點高差分別為h1=(37.54+24-1.64)-(37.66+18)=4.24 m；h2=(37.73+24-1.64)-(37.54+24-1.64)=0.19 m。

兩檔高差與檔距比值分別為h1/l1=0.0348、h1/l1=0.0012，根據(jù)《線路手冊》的描述，可采用平拋物線公式計算，以下計算均采用平拋物線公式計算。

由于該新建項目回填地面，抬高了原有地面高程，新地面Z型平臺與輸電線路鐵塔較近，且行人可至，故均需復(fù)核導(dǎo)線至新地面高程安全距離(圖2距離A)。

1) 110 kV馬東線N11～N12塔段

此塔段整段均受新建建筑物影響，受影響范圍地面比較平坦，保守計算可取N11～N12塔段范圍內(nèi)的地面最高點校驗，該處最高點高程為45.70 m。

該區(qū)域無覆冰工況，最大導(dǎo)線弧垂發(fā)生于最高溫度時，查詢110 kV馬東線竣工圖《導(dǎo)線力學(xué)特性表》，得到代表檔距為170 m的耐張段，在最高氣溫時導(dǎo)線張力F=7.65 kN，則最高溫度條件下N11塔導(dǎo)線懸掛點到導(dǎo)線最低點垂直距離為：

(1)

(2)

所以導(dǎo)線最低點與地面離為Δh=37.44+18-0.63-45.70=9.11 m。

2) 110 kV馬東線N12～N13塔段

該段受影響范圍為N12塔至N12塔大號側(cè)約45 m處，受影響范圍地面平坦，故導(dǎo)線與地面最近點在N12塔大號側(cè)約45 m處，同理取最高溫時導(dǎo)線張力F=7.65 kN計算。N12塔大號側(cè)45 m導(dǎo)線與N12塔導(dǎo)線掛點垂直距離為

(3)

取地面高程為47.70 m校驗，該點導(dǎo)線距地面高程為Δh=37.54+24-1.64-2.39-45.70=11.81 m

可見以上位置距地面均符合規(guī)范居民區(qū)導(dǎo)線計算最大弧垂時距離地面大于7 m(居民區(qū))的要求。

3.4 計算在最大計算風(fēng)偏情況下，邊導(dǎo)線于建筑物之間的最小凈空距離

導(dǎo)線及絕緣子串受風(fēng)力的作用有一定偏移[9-10]，除了計算導(dǎo)線受風(fēng)力產(chǎn)生偏移，還需要考慮絕緣子串的風(fēng)偏，最大偏移距離如圖3所示。

圖3 導(dǎo)線最大風(fēng)偏距離示意

導(dǎo)線風(fēng)偏角為導(dǎo)線風(fēng)荷載比載及導(dǎo)線自重比載之比正切反函數(shù)值：

(4)

懸垂絕緣子串除自身風(fēng)荷載影響，還受導(dǎo)線影響，N12絕緣子串風(fēng)偏角為：

(5)

式中：

P1——懸垂絕緣子串風(fēng)壓，N；

G1——懸垂絕緣子串重力，N；

P——導(dǎo)線風(fēng)荷載，N/m；

W——導(dǎo)線自重力，N/m；

lh及l(fā)v分別為垂絕緣子串風(fēng)偏角計算用杅塔水平、垂直檔距，可由水平檔距及垂直檔距計算公式：

(6)

(7)

分別求得N12、N13塔水平、垂直檔距為lh12=143.5 m，lv12=211.9 m，lh13=184 m，lv13=187.8 m。

同樣可求得N13、N14風(fēng)偏角分別為56.00°、60.62°。

1) 110 kV馬東線N11～N12塔段

導(dǎo)線與地面建筑物最近距離在N11塔至N12塔中間位置，保守計算，取最大風(fēng)偏及此時最大弧垂，查馬東線竣工圖《導(dǎo)線力學(xué)特性表》取最大風(fēng)時導(dǎo)線張力F=14.10 kN，可求得最大風(fēng)條件下導(dǎo)線最大弧垂為：

(8)

由于N11塔為耐張塔，采用耐張絕緣子串，忽略絕緣子引起的偏移，最大風(fēng)偏點絕緣子風(fēng)偏角為(0+45.88)/2=22.94°，則N11～N12塔段導(dǎo)線最大的水平風(fēng)偏距離為：1.71×sin57.64°+0.5×1.64×sin22.94°=1.76 m。

此處線路路徑中心線距高層建筑物最近距離為23.56 m，最大風(fēng)偏時距建筑物水平距離為(圖2距離B):D=23.56-(2.4+2.5)/2-1.76=19.35m。

2) 110 kV馬東線N12～N13塔段

該段與高層建筑物最近點在N13塔28.5 m處，距離為17.36 m，距地面欄桿最近點在N13塔大號側(cè) 45 m處，取最大風(fēng)時張力F=14.10 kN計算。

由公式：

(9)

可計算N13塔大號側(cè)28.5 m處、45 m處弧垂分別為f28.5=1.78 m，f45=2.48 m。

該塔段最大風(fēng)偏時距建筑物水平最近距離(圖2距離B)為D=17.36-2.5-1.12-1.78sin(57.64°)=12.54 m。

2個塔段導(dǎo)線與高層建筑物距離符合規(guī)范導(dǎo)線計算風(fēng)偏情況下與建筑物之間最小凈空距離5 m的要求。

4 結(jié)語

本文通過工程實例，分析輸電線路導(dǎo)線與建筑物距離最近時所處的不同工況，并計算對應(yīng)工況導(dǎo)線與建筑物距離。

由于該實例中導(dǎo)線懸掛點高差與檔距比較小，采用了平拋物線公式計算，由計算結(jié)果所見，該處輸電線路導(dǎo)線與建筑物安全距離裕度較大，如果建筑物與輸電線路距離緊張，應(yīng)采用更加準(zhǔn)確的平拋物線公式、懸鏈線公式進行計算，甚至采用更加直觀、精確的三維模擬進行安全距離校驗[11]。假如導(dǎo)線與建筑物不滿足安全距離要求，則需要對輸電線路進行遷改，如調(diào)整輸電線路路徑方案或改為入地電纜，對于雙回同塔難以同時停電的輸電線路，經(jīng)過合理分析，也可采用輸電塔原位帶電頂升等方案[12]。