鄢秀慶，王 飛，劉翔云，羅 鳴，付曉旭

(1.中國電力工程顧問集團西南電力設(shè)計院有限公司，四川 成都 610000；2.中國電力技術(shù)裝備有限公司，北京 100052)

0 引言

懸垂直線塔導(dǎo)線掛線方式一般有I串型式和V串型式兩種[1-2]。I串掛線方式的導(dǎo)線在水平方向不受約束，受風(fēng)荷載作用后會產(chǎn)生較大的風(fēng)偏，加大了導(dǎo)線間的水平間距，走廊寬度較寬，房屋拆遷量大；采用V串掛線方式掛線，導(dǎo)線水平方向受約束，可有效節(jié)約走廊寬度，但在同等呼高下，由于V串橫擔(dān)長度較I串長7～8 m，塔頭風(fēng)荷載較大，導(dǎo)致V串掛線的塔重比I串大13%～14%。可見，I串及V串掛線方式各有優(yōu)缺點。

本文在借鑒I串與V串掛線方式優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，結(jié)合當前支柱絕緣子研究應(yīng)用水平，以1 000 kV山東環(huán)網(wǎng)工程為依托，提出了半V串新型懸垂直線塔方案。該方案由普通懸垂串和受壓支柱絕緣子組成，如圖1所示。通過支柱絕緣子的受壓作用，減少懸垂串的擺動，降低了相間距離；同時避免了V串需要增加橫擔(dān)長度弊端，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比較，該方案具有良好的經(jīng)濟效益。本文的研究成果可為該方案的應(yīng)用提供一定的參考。

1 半V串組裝設(shè)計

實現(xiàn)半V串的組裝設(shè)計，主要有三個難點。其一為由支柱絕緣子和懸垂串組成的V面可實現(xiàn)順線路自由擺動，要求絕緣支柱與塔身的連接具有前后自由轉(zhuǎn)動功能；其二為懸垂串與支柱絕緣子的連接要使得導(dǎo)線荷載在二者間合理傳遞，即垂直荷載由懸垂串傳遞至橫擔(dān)，水平荷載主要由支柱絕緣子傳遞至橫擔(dān)根部；最后由于半V串為非對稱串，需研制特殊均壓環(huán)以實現(xiàn)對絕緣子的屏蔽作用。

懸垂串和支柱絕緣子形成直角三角形,前后擺動時旋轉(zhuǎn)軸為橫擔(dān)下平面，懸垂I串采用EB掛板的方式與橫擔(dān)連接即可實現(xiàn)前后轉(zhuǎn)動，如圖2所示。支柱絕緣子與橫擔(dān)根部的連接需要設(shè)計特殊裝置。如圖3所示，該裝置主要由套筒和螺桿組成，螺桿與塔身相連，套筒與螺桿相連且可自由轉(zhuǎn)動，支柱絕緣子通過端頭的鐵件與套筒上的連板用銷軸進行連接。當存在不平衡張力時，銷軸帶動連板和套筒，繞螺桿可自由轉(zhuǎn)動。該種連接方式在靈州—紹興±800 kV特高壓直流輸電線路工程已成功運用，并運行多年，具有一定的應(yīng)用經(jīng)驗[3]。

圖2 懸垂串與鐵塔的聯(lián)結(jié)方式

圖3 支柱絕緣子與鐵塔的聯(lián)結(jié)方式

為實現(xiàn)兩串間合理傳力，懸垂串可采用三角形聯(lián)板與支柱絕緣子進行連接，如圖4所示，三角形聯(lián)板與組合聯(lián)板采用U形環(huán)連接。當出現(xiàn)水平荷載時，可通過三角形聯(lián)板實現(xiàn)力 的分配，該種傳力模式類似三角形桁架，懸垂串承擔(dān)拉力，支柱絕緣子承當壓力，傳力直接，實現(xiàn)了懸垂串和支柱絕緣子協(xié)同受力的功能。此外，由于串型不對稱，可根據(jù)絕緣子串電壓分布情況采用特制均壓環(huán)。

圖4 半V型絕緣子串型示意圖

支柱絕緣子與懸垂串夾角主要受間隙作用下的橫擔(dān)長度和懸垂絕緣子串的高度影響，可忽略塔型規(guī)劃時搖擺角的影響，一般情況下，其夾角近似等于V串夾角的一半。此外，為方便三角形聯(lián)板的加工，不同塔型間的夾角宜盡量保持一致。

2 塔頭設(shè)計

相對于常規(guī)I串、V串懸垂直線塔，新型懸垂直線塔增加支柱絕緣子后，橫擔(dān)尺寸大幅減少，以SZ27103為例進行對比分析，各種串型塔頭布置如圖5所示。

圖5 SZ27103懸垂直線塔不同掛線方案單線圖

橫擔(dān)長度方面：常規(guī)I串布置時，橫擔(dān)長度最大為14.7 m，V串布置時，為22.13 m，而半V串新型懸垂直線塔僅為11.8 m，較I串和V串分別縮短19.7%，46.7%。

橫擔(dān)層高方面：對于層高受上相導(dǎo)線間隙控制的鐵塔，半V串懸垂直線塔導(dǎo)線更靠近塔身，間隙控制點處橫擔(dān)高度更高，因此新型懸垂直線塔相對于常規(guī)I串懸垂直線塔層高略高，常規(guī)I串懸垂直線塔層高為19.2 m，V串懸垂直線塔為20.1 m，半V串型新型懸垂直線塔為19.5 m，較I串增加1.6%，較V串減少3%。

走廊寬度方面：常規(guī)I串布置時為43.4 m，半V串與V串布置基本相當，分別為37.6 m、39.6 m，走廊寬度為I串布置時的86.6%、91.2%，節(jié)約13.4%、8.8%。采用半V串在房屋分布密集區(qū)域具有明顯優(yōu)勢。

3 電氣特性分析

受不同串型間隙、布置等影響，雙回路鐵塔的層高、相間距離均不同，因此上述各布置方案的電磁環(huán)境也存在差異[4-5]。根據(jù)圖5布置方式，500 m海拔條件下半V串懸垂塔導(dǎo)線可聽噪聲和無線電干擾測算見表1所列。

表1 導(dǎo)線可聽噪聲和無線電干擾測算

根據(jù)GB 50665—2011《1 000 kV架空輸電線路設(shè)計規(guī)范》，1 000 kV交流輸電線路的電磁環(huán)境指標控制值為：線路可聽噪聲按照距線路邊相導(dǎo)線投影外20 m處，濕導(dǎo)線的可聽噪聲不大于55 dB(A)控制。無線電干擾限值暫按距邊相導(dǎo)線投影20 m處，對地2 m高處，測試頻率為0.5 MHz時的晴天條件下不大于58 dB(μV/m)控制。經(jīng)校驗，按半V串布置的雙回路鐵塔滿足規(guī)范電磁環(huán)境限值的要求。

4 力學(xué)特性分析

新型懸垂直線塔增加了支柱絕緣子的約束作用，導(dǎo)致導(dǎo)線荷載傳遞至塔身的方式發(fā)生變化。下面對塔型荷載傳導(dǎo)方式進行對比，如圖6所示。

圖6 荷載作用示意圖

由圖6可看出，常規(guī)I串懸垂直線塔導(dǎo)線荷載可直接由絕緣子串傳遞至掛點，即導(dǎo)線三個方向的荷載完全作用于橫擔(dān)端頭。半V串型新型懸垂直線塔導(dǎo)線受支柱絕緣子的約束作用，導(dǎo)線平行橫擔(dān)方向(X方向)荷載FX對支柱絕緣子產(chǎn)生壓力F支，F(xiàn)支＝FX/cosθ。F支的豎向分力FZ1與導(dǎo)線垂荷FZ疊加作用于絕緣子串并傳遞至橫擔(dān)端部，即絕緣子串軸力在豎向分力FZ2＝FZ＋FZ1＝FZ＋FXtanθ，導(dǎo)線荷載FX全部由支柱承受。導(dǎo)線順線路方向(Y方向)荷載則完全由絕緣子串承擔(dān)，即絕緣子串軸力在Y方向分力FY2＝FY。與常規(guī)I串新型方案相比，本方案橫擔(dān)端頭不再承受X方向荷載，但在Z方向的荷載增加，橫擔(dān)根部需承受導(dǎo)線荷載在X方向分力及產(chǎn)生的Z方向分力。

以90°風(fēng)為例進行計算，V串按90°，半V串按45°考慮，結(jié)果見表2～表3所列。

表2 不同串型受力分配計算(左側(cè)橫擔(dān))kN

表3 不同串型受力分配計算(右側(cè)橫擔(dān))kN

90°大風(fēng)工況計算得出，支柱絕緣子左側(cè)橫擔(dān)受壓226 kN，右側(cè)橫擔(dān)受拉226 kN。采用E-玻璃纖維+環(huán)氧樹脂，經(jīng)纏繞成型或拉擠成型的復(fù)合支柱絕緣子[6-7]具有良好的機械及絕緣性能，可滿足輸電線路的應(yīng)用要求。根據(jù)文獻[7]的算法，采用φ60 mm×20mm，套管選用φ80 mm×10 mm×460 mm可滿足受力及構(gòu)造要求。

5 經(jīng)濟性分析

仍以典型懸垂直線塔SZ27103為例，對比分析常規(guī)I串掛線方式、常規(guī)V串掛線方式、新型半V串型的經(jīng)濟性。根據(jù)前述結(jié)構(gòu)設(shè)計及串型布置，綜合考慮塔材、基礎(chǔ)、絕緣子、金具投資后，單基懸垂直線塔的本體投資對比見表4所列。

表4 SZ27103懸垂直線塔三種型式本體投資對比表

半V串與常規(guī)I串及常規(guī)V串相比，由于增加了支柱絕緣子，導(dǎo)致絕緣子金具串配合投資增加，但半V串橫擔(dān)長度遠小于I串方案，僅為V串方案的一半左右，因此半V串在單基投資低于I串型，更低于V串型。

結(jié)合房屋拆遷量(表5)，由于半V串走廊寬度基本與V串相當，房屋拆遷費用基本相當，但其本體投資遠低于V串，因此總投資半V串低于V串；與I串相比，其本體投資略低，但由于走廊寬度遠小于I串，因此房屋拆遷量越多，半V串優(yōu)勢越明顯。

表5 常規(guī)I串、常規(guī)V串及新型半V串綜合投資對比表

6 結(jié)論

本次研究在結(jié)合當前支柱絕緣子研究應(yīng)用水平基礎(chǔ)上，提出了半V串新型懸垂直線塔方案，并對新型懸垂塔的技術(shù)經(jīng)濟性進行分析，主要得出以下結(jié)論：

1)新型半V串掛線集合了I串與V串掛線方式的優(yōu)點，可以大幅度優(yōu)化塔頭，同時縮小相間距離，節(jié)約走廊寬度。

2)串型組裝方面：支柱絕緣子采用套筒與塔身相連，采用三角形聯(lián)板與懸垂串相連，可實現(xiàn)前后自由擺動的功能，同時達到合理分配導(dǎo)線荷載的作用。此外，采用特制異形均壓環(huán)可實現(xiàn)對不對稱絕緣子串屏蔽的作用。

3)塔頭尺寸方面：新型半V串型橫擔(dān)長度最小，較常規(guī)I串型縮短了19.7%，較常規(guī)V串縮短了46.7%；橫擔(dān)層高方面，三種方案基本相當。

4)電氣特性方面：新型半V串雖然縮短了橫擔(dān)長度，但仍然可滿足規(guī)范對于可聽噪聲及無線電干擾的要求。

5)鐵塔受力方面：新型半V串型橫擔(dān)端頭不再承受垂直線路的水平方向(X方向)荷載，但橫檔端部豎向(Z方向)荷載增加，順線路方向(Y方向)荷載不變；同時橫擔(dān)根部需承擔(dān)水平方向(X方向)及豎向(Z方向)荷載。

6)經(jīng)濟性方面：新型半V串懸垂直線塔雖絕緣子金具串造價略高，但其鐵塔及基礎(chǔ)節(jié)省較多，單基總投資較常規(guī)I串及V串更為經(jīng)濟。由于新型半V串在縮小走廊寬度上的顯著優(yōu)勢，因此，當綜合考慮房屋拆遷費用時，新型半V串的工程投資更具優(yōu)勢。

因此，工程應(yīng)用中可推薦采用半V串新型懸垂直線塔。