魏沖，呂金祥，唐明貴，潘少成，張金瑞，杜娜

(河南省電力勘測設計院，鄭州市 450007)

0 引言

在長距離高壓輸電線路中，為了保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，控制系統(tǒng)電壓和電流的不平衡度，需要對輸電線路進行換位［1-3］。輸電線路的換位通常在換位塔上進行，對于單回路線路，可通過在耐張塔上加裝跳線架等措施實現導線換位。對于雙回路輸電線路，由于同一回路的三相導線均在一側垂直布置，可利用的空間小，而超高壓線路的間隙要求較大，耐張串和跳線串較長，串間跳線長、弧垂大，換位時跳線布置方式復雜、施工困難、運行檢修難度大［4-5］。為實現轉角內外側回路同時換位，通常選擇較小轉角處(一般不超過20°)布置換位塔［6-8］。

1 常見輸電線路的換位方式

1.1 單回路換位方式

單回路的換位方式通常有3種:直線塔換位(又稱滾式換位)、耐張塔換位和懸空換位，對于單回路500kV線路，主要采用耐張塔換位方式［9］。耐張塔換位方式又分4種:小構架耐張塔換位、自身式換位塔換位、門型塔換位和三塔式換位，常見單回路換位塔形式如圖1所示。

圖1 單回路換位塔Fig.1 Single circuit transposition tower

1.2 雙回路換位方式

對于雙回500kV輸電線路，國內外普遍采用耐張塔換位方式［10-11］。早期雙回路線路采用“雙—單—雙”換位，這種換位方式實質上是把1個雙回路分成2個單回路換位，換位后再合成雙回路，這種換位方式已經落后，當前大部分雙回線路采用雙回路耐張塔換位，有3種常見方式:單母線旁路跳線外繞方式、雙母線旁路跳線外繞方式、旁路跳線內繞方式，如圖2所示。

單母線旁路跳線外繞換位方式適用于電壓等級低、塔頭間隙要求小的線路;雙母線旁路跳線外繞換位方式、旁路跳線內繞換位方式更適合電壓等級高、間隙要求大的線路，目前我國500、750 kV線路均采用雙母線旁路跳線外繞換位方式。雙母線旁路跳線外繞換位方式和旁路跳線內繞換位方式跳線都比較復雜，由于耐張串、跳線串較長，各種間隙要求較大，跳線間隙不易控制，容易產生相間距或相對地距離緊張問題;并且換位塔橫擔較長，受鐵塔扭矩影響，換位塔質量較大。受角度影響，雙母線旁路跳線外繞換位方式、旁路跳線內繞換位方式只適用于小轉角(一般不超過20°)。

圖2 雙回路換位塔Fig.2 Double-circuit transposition tower

2 三柱組合換位耐張塔研究

2.1 塔型設計

根據上述分析，本文在總結各種換位方式優(yōu)缺點的基礎上提出三柱組合換位塔換位方式。

三柱組合換位耐張塔用2個耐張塔結合1個副塔完成 2個回路的換位，從 C(上)～C(中)、A(中)～A(下)通過副塔連接軟跳線進行換相，B(下)～B(上)經過主塔外側，通過旁路母線實現換相;另一回采用相同的方式實現換相，如圖3所示。使用三柱組合耐張塔，將副塔布置在2個主塔之間，充分利用副塔進行跳線的上下交換。用三柱組合耐張塔實現換位更加直觀、簡單，跳線架簡潔明了，設計、施工、運行都比較方便。

2.2 間隙規(guī)劃

三柱組合換位耐張塔的間隙規(guī)劃與普通耐張塔基本相同，本質上是按工頻電壓、操作過電壓及雷電過電壓確定的間隙距離，并計及跳線的風偏擺動來確定跳線弧垂、線長以及塔頭尺寸。三柱組合換位耐張塔跳線間隙規(guī)劃主要由2部分組成:內繞跳線間隙和外繞跳線間隙。換位塔跳線如圖4所示。

進行跳線設計時，要保證跳線串末端帶電體對塔身的間隙滿足安全凈距的要求，這就要求跳線串的偏角大于某個臨界值，本設計中取安裝工況下跳線串偏角最小值為65°，根據文獻［2］可以計算出軟跳線線長，根據線長不變原理，可求得各工況下的跳線串偏角和跳線張力。

外繞跳線間隙主要指圖4中跳線1～3需要保證跳線對塔身的間隙以及母線1、2對導線和塔身的間隙，由于母線相對固定，而且外繞跳線相對較短，因此外繞跳線間隙相對簡單。

在宏觀上，三柱組合換位耐張塔將常規(guī)雙回路換位塔的部分外繞跳線分為內繞跳線，減少了大量的校核相間距離及跳線對橫擔的距離校核，因此跳線間隙相對簡單，換位方式更加簡潔明了。

2.3 軟跳線設計

三柱組合換位耐張塔的軟跳線布置在2個主塔之間，由于間距較大，跳線檔檔距將近50 m，是一般500kV輸電線路跳線檔距的2倍，與特高壓跳線檔距相當。

三柱組合耐張塔的跳線系統(tǒng)包括2個部分:第1部分為導線耐張串，主要對耐張串的引流線出線系統(tǒng)、受力系統(tǒng)、屏蔽系統(tǒng)進行重新設計;第2部分為跳線懸垂串，跳線懸垂線夾線槽要有足夠的曲率半徑及懸垂角，保證導線在運行過程中不被磨損。

2.3.1 耐張串設計

由于三柱組合換位耐張塔跳線具有較大的張力，耐張線夾的引流板在長期運行中容易產生疲勞損壞;而且耐張串的引流線出線時易與其他金具干涉，跳線安裝后，當跳線張力不平衡時長度無法調節(jié)。由于各種塔型跳線的出線方向、角度變化很大，沿用原屏蔽方案，金具間及金具與導線間易產生干涉、摩擦損傷。

本次設計的耐張串結構針對以上情況進行了改進，參考1000kV特高壓雙柱組合耐張塔的設計經驗和組裝試驗結果，將跳線引出時的導流和受力2種功能進行分離。

(1)耐張串的引流設計。本文采用的引流方式的最大特點是跳線的導流和受力2種功能分離，其實際結構如圖5所示，跳線的張力不再作用于耐張線夾的引流板上，而是在耐張線夾的前端設一鋼制掛點，跳線末端采用常規(guī)的耐張線夾固定后，將跳線直接掛于鋼制掛點上。改進后的耐張串出線結構使耐張線夾的端子板不再承受跳線的張力，耐張線夾主體本身也不受跳線張力的影響，而是將跳線的張力直接作用于力學性能較好的鋼制件，提高了金具的安全性能。

改進后跳線和導線之間通過特殊設計的引流線將導線及跳線的耐張線夾端子板連接起來，引流導線只承擔導流的功能，不承受張力。

(2)耐張串跳線的出線方案設計。當2根位于同一平面內的子導線出線時，其中遠離出線側子導線的引流線會與出線側子導線的連接件相碰，在跳線帶張力的情況下不能采用小間隔棒支撐。在設計時，將位于同一出線平面的2個跳線掛點設計在出線側子導線的連接金具上。為避免各子導線受跳線張力的不平衡問題，設計時采用了LF型聯板將拉力過渡到沒有掛點的子導線上，以達到各子導線間的受力平衡。

為了方便安裝，克服因計算和放線過程中的誤差導致各子跳線間張力不平衡的問題，在跳線末端的耐張線夾與耐張串上的掛點之間增加一個可以調節(jié)長度的花籃螺栓。在成型試驗的過程中，花籃螺栓起到了很好的調節(jié)作用。

(3)耐張串的屏蔽方案設計。普通500kV輸電線路耐張串屏蔽方案是在耐張串左右兩側各安裝1個大跑道型均壓屏蔽環(huán)，如果本項目也采用該方案，跳線及其連接的金具將與均壓環(huán)干涉相碰，影響均壓環(huán)的使用性能。因此該項目采用2個側裝均壓環(huán)來控制絕緣子的電壓分布，上下兩側加裝屏蔽環(huán)，防止金具串產生電暈，避免跳線金具與屏蔽環(huán)干涉。

2.3.2 跳線懸垂串設計

根據三柱組合換位耐張塔軟跳線的特點，在軟跳線懸垂串設計整串結構時充分考慮金具在運行過程中安全性。由于跳線懸垂串偏角較大，為防止跳線擺動時絕緣子與碗頭掛板脫落，絕緣子兩端由球頭、碗頭連接改進為環(huán)式連接。為便于調整跳線張力，在跳線懸垂串中加裝了調整板，通過調節(jié)懸垂串長度來調節(jié)跳線張力。跳線懸垂聯板為整體剛性結構，有效控制跳線運行時各子跳線間的相對位置。懸垂線夾采用節(jié)能高強度鋁合金材料制造，并對跳線具有足夠的握力和機械破壞荷載，而且自身防電暈。為了控制跳線張力，采用質量較輕的復合絕緣子，以減小跳線張力對引流金具和導線的影響。

2.4 鐵塔優(yōu)化設計

三柱換位塔全塔由3個部分組成，兩邊為掛導線和跳線的主塔，中間為掛跳線的副塔，2個回路的三相導線分別垂直布置在2個主塔塔身上，跳線引至副塔和主塔的跳線橫擔上，從上至下依次進行換位，掛線方式簡單清晰。該塔通過2個回路分塔掛線，采用改變跳線布置方式、取消導線橫擔等手段，有效控制了跳線對地和塔身其他部分的間隙，降低起始呼稱高度，壓縮三相導線間的層間距離，從而大幅度降低鐵塔的全高，進而減小導地線對鐵塔的扭矩和彎矩，改善鐵塔的受力狀況，提高鐵塔的可靠性。

2.5 經濟指標分析

在相同設計條件下對相同呼高(24 m)的三柱組合換位塔和常規(guī)雙回路換位塔進行經濟比較，如表1所示。

表1 經濟指標Tab.1 Economic indicators

由表1可見，三柱組合換位塔比常規(guī)雙回路換位塔的金具費用節(jié)省約24%，2種塔的絕緣子費用持平，走廊寬度也基本相同，三柱換位塔比普通換位塔的占地面積雖然增加了21%，但三柱換位塔的質量比普通換位塔減少23.4%，這使材料費用明顯降低，從而大幅度減少了綜合投資。從表1中看出，三柱換位塔的綜合投資比常規(guī)雙回路換位塔減少了約17%，這說明使用三柱換位塔具有明顯的經濟效益。

3 三柱組合換位耐張塔的應用

3.1 施工運輸

三柱組合換位塔的單塔相互獨立，作業(yè)面互不干擾，施工時各塔可以同時作業(yè)，利于縮短工期、保證質量。三柱組合換位塔單個構件的體積和質量大幅減小，施工運輸(尤其在山地、泥沼等惡劣地形條件下)和吊裝的難度降低。三柱組合換位塔整塔高度低，高空作業(yè)安全性更有保障。由于三柱組合換位塔的主輔塔分離，單個塔的基礎作用力明顯降低，使得在較差的地質條件下使用大開挖基礎成為可能;在河網泥沼等地下水較淺的地帶施工更為方便。

3.2 運行維護

三柱組合換位耐張塔將常規(guī)雙回路換位塔緊湊的跳線布置改為寬松的跳線布置，將垂直的跳線走向改為水平的跳線走向，使得跳線遠離鐵塔;導線直接掛在塔身上，取消了導線橫擔;由于跳線方向的改變，使得鐵塔高度降低。由于跳線水平布置且鐵塔整體高度降低，更便于運行人員在地面觀察跳線，方便運行維護。

三柱組合換位耐張塔兩回導線分別掛在2個主塔上，避免了雙回路共塔情況下有外界擾動時整塔都受擾動，獨立性與抗擾動性強，安全可靠度高。兩回路導地線相對獨立，鐵塔某回路出現問題進行維護搶修時互不干擾。目前該塔已經投入使用2年，運行情況良好。

4 結論

(1)三柱組合換位耐張塔通過分塔掛線、取消導線橫擔、優(yōu)化跳線布置方案等手段，有效降低了塔高，減小了塔身尺寸，改善了鐵塔的受力條件，減小了導、地線縱向荷載對塔身的扭矩，提高了鐵塔的抗冰、抗風和抗震性能，從而達到降低質量，節(jié)約工程投資的目的。

(2)三柱組合換位耐張塔在常規(guī)雙回路換位塔的基礎上對塔頭尺寸和電氣間隙做了進一步的優(yōu)化，使塔頭間隙更加簡單明了，采用軟跳線代替常規(guī)雙回路換位塔硬跳線，既降低了造價，又便于施工和運行維護。

(3)電磁環(huán)境的計算結果表明，應用于500kV線路的三柱組合換位耐張塔塔頭尺寸不受電磁環(huán)境控制，本工程規(guī)劃的三柱組合換位耐張塔滿足電磁環(huán)境限制的要求。

(4)三柱組合換位耐張塔與常規(guī)雙回路換位塔相比有更高的耐雷水平和更低的雷擊跳閘率，在降低雷電反擊和繞擊概率方面均有優(yōu)勢。

(5)三柱組合換位耐張塔兩回導線分體掛線，作業(yè)面相互獨立，施工互不影響，提高了工作效率。

(6)三柱組合換位耐張塔與傘形換位耐張塔相比鋼材節(jié)省約23.4%，總體費用節(jié)省17%，具有明顯的經濟優(yōu)勢。

［1］GB 50545—2010110 kV～750 kV架空輸電線路設計規(guī)范［S］.

［2］張殿生.電力工程高壓送電線路設計手冊［M］.北京:中國電力出版社，2004.

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［8］河南省電力勘測設計院.祥符—莊周雙回500kV線路工程施工圖設計［R］.鄭州:河南省電力勘測設計院，2010.

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