进线档双回路终端塔外角侧上中相跳线间隙优化研究

0引言

随着基建工程的大规模实施,社会对环评水保工作的要求日益严格,建设用地日趋紧张;在电力工程建设领域,受基本农田和生态红线限制,变电站选址面临极大困难,导致变电站外预留用于建设输电线路终端塔的位置受到严重制约。这一现状引发了以下工程问题:进线档档距偏小,同时终端塔地面标高显著高于变电站出线构架标高;由于廊道紧张和调整相序的需要,终端塔多采用同塔双回路设计;基于环保要求,对档中树木原则上按高跨处理,致使终端塔呼高增加。上述多种因素叠加,导致进线档条件恶化,最终造成进线档双回路终端塔外角侧上相跳线和中相跳线对铁塔间隙不满足带电作业间隙要求,给输电线路运行维护带来安全隐患[1]。

当前,针对跳线电气间隙问题的研究多集中于常规工况下的跳线计算模型、刚性跳线可靠性以及跳线风偏分析[2],对多因素耦合特殊复杂工况下间隙的系统性分析与解决方案比选研究尚不充分,文献报道较少。本文分析跳线间隙不足的原因,构建多种精细化优化模型,并进行全面的技术经济比较,旨在寻求有效、经济、通用的解决方案,以填补该领域的研究空白,并为未来工程设计提供实践依据。

1 工程概况与问题分析

1.1 工程基本参数

某500 kv输变电工程海拔50~200 m,地形以丘陵、山地为主,植被茂密,设计基本风速27 m/s,覆冰15 mm,导线采用4×JL3/G1A—630/45钢芯高导电率铝绞线,分裂间距500 mm。变电站场平标高120.5 m,出线构架挂点高26 m。共8回500 kv出线,其中6回为同塔双回路。

1.2 关键问题与边界条件

本工程面临的核心制约在于,进出线档档距较小,仅有47 m,终端塔考虑定位高差后地面标高124.8 m,与站内高差4.3 m。为满足高跨林地要求,终端塔呼高取33 m。经计算,终端塔上相、中相导线与变电站构架导线挂点高差分别为34.8、22.3 m。

在此特殊情况下,导线耐张串下倾情况十分严重,上相、中相导线耐张串倾斜角分别为46.399°、37.457°,导致双回路终端塔上相及中相跳线对铁塔间隙紧张,无法满足带电作业要求。

2 设计与优化

2.1 计算条件与规范依据

经计算分析,进线档双回路终端塔外角侧上中相跳线间隙紧张问题主要发生在带电作业工况,大风、内过、外过工况不作为间隙的控制因素,本文主要分析带电作业工况下的间隙距离是否满足规范要求。

本文间隙计算依据国家标准GB50545—2010《110 kv~750 kv架空输电线路设计规范》[3],在海拔500 m以下地区,带电作业气象条件取气温15℃、风速10 m/s、无冰。考虑人体活动范围0.5 m后,间隙需不小于3.7 m。

2.2 塔头结构

终端塔选用国网典型设计塔型500—MC31S—DJC1,其关键尺寸参数为:上相横担长8.5 m,上—中相层间距12.5 m;中相横担长12.1 m,中—下相层间距11.0 m。塔头结构如图1所示。

2.3 间隙紧张原因分析

内角侧跳线和外角侧下相跳线对铁塔间隙不起控制作用,本文主要分析外角侧上相和中相跳线间隙问题。通过计算分析,跳线间隙紧张位置为跳线与下方横担的上边缘,主要源于以下三方面因素:

1)上相导线在构架侧挂点高差最大,导致上相导线耐张串下倾情况最严重,导线耐张串跳线悬挂点被迫降低,缩小了跳线弧垂与下方横担之间的净空距离;

2)中—下相层间距 (11.0m)较上—中相层间距(12.5 m)减小1.5 m,减少了中相跳线与下相导线横担的垂直距离;

3)为满足相序调整及防护脱冰跳跃、避免导线交叉,中相导线挂点向塔身内侧移动,导致导线耐张串跳线悬挂点被迫往塔身移动,进一步压缩了中相跳线的布置空间,造成间隙紧张。

2.4优化方案

本研究系统性地提出并评估下述四种优化方案:

方案一(双跳线串):通过增加跳线串数量,调整跳线空间姿态,提高跳线系统的整体刚性,缩短跳线档距,抑制风偏摆动。

方案二(刚性跳线):安装硬跳线串,使刚性跳线沿横担末端方向往外延伸,缩短柔性跳线档距,抬高靠近塔身侧跳线的高度增大间隙。本文考虑刚性跳线在横担端部往外侧延伸1 m和2 m两种情况。

方案三(跳线延长支架):改造铁塔,导线横担末端加装跳线延长支架。本文考虑在横担端部往外侧延伸1m和2m两种情况,分别配套采用2、3套跳线串,以减小跳线串间跳线弧垂。

方案四(层间距):改造铁塔,通过增加垂直空间距离来增大间隙。本文考虑上—中相层间距从12.5 m增加1 m到13.5 m,中—下相层间距从11.0 m增加1.5 m到12.5 m两种情况。

所有方案先根据耐张串倾斜角[4]与跳线挂点荷载确定跳线悬挂点空间坐标,基于柔性悬链线理论建立跳线计算模型,不考虑跳线刚性影响,跳线线长不随气象条件变化而变化,跳线线长系数按1.12考虑。采用迭代法求解跳线在特定气象条件(温度15 ℃、风速10 m/s)下姿态坐标,采用微分元法将跳线分解为微小单位,进而计算跳线各点与塔身最小间隙距离。

经计算,双回路终端塔变电站侧上相和中相跳线在原条件和采取优化方案情况下间隙以及相对标准间隙变化比例如表1所示。

根据表1结果可知,方案一(双跳线串)间隙提升效果有限,无法解决最不利情况(中相挂点内移)下的间隙问题;方案二(刚性跳线)和方案三(跳线支架),在硬跳2 m和支架2 m时优化效果显著。方案四(层间距)虽效果良好,但成本较高且工期较长,原因在于涉及铁塔主材、斜材甚至基础全部重新验算与改造,经济性较差,并且会导致出现非典型设计铁塔,造成设计、加工、施工的链条全部变化,给运维替换造成困难。

对比四个优化方案,方案二(刚性跳线)、方案三(跳线延长支架)对跳线的空间物理延伸效果优于方案一(双跳线串),其中硬跳2 m、支架2 m的优化效果也优于方案四(层间距)。因为这两种方案直接改变了跳线悬挂点的空间位置,从根本上增大了与塔身的距离,且对塔体主结构影响最小。

刚性跳线配串如图2所示。

各方案跳线空间形态示意如图3所示。

其他辅助措施:跳线串推荐采用盘形绝缘子,增加跳线串重量,抑制风偏;进线档侧耐张串推荐采用小吨位盘形绝缘子,控制耐张串重量,抑制导线耐张串下倾趋势。

经初步测算和比较,各方案相对标准间隙变化比例和成本增加估算如图4所示。

根据图4分析可知,方案三(支架2 m)和方案四(层间距)增加费用较多,经济性较差;方案二(硬跳1 m)、方案二(硬跳2 m)、方案三(支架1 m)费用相差不大,其中方案二(硬跳2 m)优化效果最佳。方案一(双串)费用最低,但效果有限,仅适用于间隙裕度不足较小的场景。

各方案技术性、经济性、实施难度综合比较如表2所示。

根据表2分析可知,方案二(硬跳2 m)在效果、经济性和实施难度上取得了最佳平衡,是解决此类问题的优选。

2.5 方案确定与验证

经综合技术经济比较,推荐采用方案二(硬跳2 m)作为最终解决方案,在技术上满足要求,经济性较优。

对该方案复核验算,优化后跳线对横担的带电作业间隙值均大于4.4 m,完全满足设计规范要求,成功消除了安全隐患。

3 总结及展望

本研究表明,进线档双回路终端塔跳线间隙不足是小档距、大高差、塔头布置等多因素耦合导致的典型问题,需进行系统分析和综合判断。优化方案应结合工程实际条件进行差异化设计与比选,兼顾技术性、经济性、实施难度。刚性跳线(硬跳)方案是最佳平衡的优选方案。

本文为后续面临类似困境的输电线路工程建设提供了有价值的设计经验和参考依据,系统性的分析框架和多维度的比选方法亦可推广至其他电压等级或类似复杂的工况应用。未来研究可关注刚性跳线在长期运行中的可靠性,以及基于激光点云技术实现跳线间隙的智能监测与预警。

[参考文献]

[1] CIGREWorkingGroupB2.41.Safedesignandoperation oftransmission lineswith speCialConsiderationsforhigh-temperatureandlow一sagoperations[R].paris: CIGREI2015.

[2] 周超,王阳,芮晓明.500kV输电线路跳线风偏有限元分析与试验研究[J].工程设计学报,2020,27(6):713一719.

[3]110 kV~750 kV架空输电线路设计规范 :GB50545—2010[S].

[4]张殿生.电力工程高低压送电线路设计手册[M].2版.北京:中国电力出版社,2002.

《机电信息》2025年第23期第7篇