500kV双回路三柱组合换位耐张塔的研究与应用

魏冲，吕金祥，唐明贵，潘少成，张金瑞，杜娜

(河南省电力勘测设计院，郑州市 450007)

0 引言

在长距离高压输电线路中，为了保障电力系统的安全稳定运行，控制系统电压和电流的不平衡度，需要对输电线路进行换位［1-3］。输电线路的换位通常在换位塔上进行，对于单回路线路，可通过在耐张塔上加装跳线架等措施实现导线换位。对于双回路输电线路，由于同一回路的三相导线均在一侧垂直布置，可利用的空间小，而超高压线路的间隙要求较大，耐张串和跳线串较长，串间跳线长、弧垂大，换位时跳线布置方式复杂、施工困难、运行检修难度大［4-5］。为实现转角内外侧回路同时换位，通常选择较小转角处(一般不超过20°)布置换位塔［6-8］。

1 常见输电线路的换位方式

1.1 单回路换位方式

单回路的换位方式通常有3种:直线塔换位(又称滚式换位)、耐张塔换位和悬空换位，对于单回路500kV线路，主要采用耐张塔换位方式［9］。耐张塔换位方式又分4种:小构架耐张塔换位、自身式换位塔换位、门型塔换位和三塔式换位，常见单回路换位塔形式如图1所示。

图1 单回路换位塔Fig.1 Single circuit transposition tower

1.2 双回路换位方式

对于双回500kV输电线路，国内外普遍采用耐张塔换位方式［10-11］。早期双回路线路采用“双—单—双”换位，这种换位方式实质上是把1个双回路分成2个单回路换位，换位后再合成双回路，这种换位方式已经落后，当前大部分双回线路采用双回路耐张塔换位，有3种常见方式:单母线旁路跳线外绕方式、双母线旁路跳线外绕方式、旁路跳线内绕方式，如图2所示。

单母线旁路跳线外绕换位方式适用于电压等级低、塔头间隙要求小的线路;双母线旁路跳线外绕换位方式、旁路跳线内绕换位方式更适合电压等级高、间隙要求大的线路，目前我国500、750 kV线路均采用双母线旁路跳线外绕换位方式。双母线旁路跳线外绕换位方式和旁路跳线内绕换位方式跳线都比较复杂，由于耐张串、跳线串较长，各种间隙要求较大，跳线间隙不易控制，容易产生相间距或相对地距离紧张问题;并且换位塔横担较长，受铁塔扭矩影响，换位塔质量较大。受角度影响，双母线旁路跳线外绕换位方式、旁路跳线内绕换位方式只适用于小转角(一般不超过20°)。

图2 双回路换位塔Fig.2 Double-circuit transposition tower

2 三柱组合换位耐张塔研究

2.1 塔型设计

根据上述分析，本文在总结各种换位方式优缺点的基础上提出三柱组合换位塔换位方式。

三柱组合换位耐张塔用2个耐张塔结合1个副塔完成 2个回路的换位，从 C(上)～C(中)、A(中)～A(下)通过副塔连接软跳线进行换相，B(下)～B(上)经过主塔外侧，通过旁路母线实现换相;另一回采用相同的方式实现换相，如图3所示。使用三柱组合耐张塔，将副塔布置在2个主塔之间，充分利用副塔进行跳线的上下交换。用三柱组合耐张塔实现换位更加直观、简单，跳线架简洁明了，设计、施工、运行都比较方便。

2.2 间隙规划

三柱组合换位耐张塔的间隙规划与普通耐张塔基本相同，本质上是按工频电压、操作过电压及雷电过电压确定的间隙距离，并计及跳线的风偏摆动来确定跳线弧垂、线长以及塔头尺寸。三柱组合换位耐张塔跳线间隙规划主要由2部分组成:内绕跳线间隙和外绕跳线间隙。换位塔跳线如图4所示。

进行跳线设计时，要保证跳线串末端带电体对塔身的间隙满足安全净距的要求，这就要求跳线串的偏角大于某个临界值，本设计中取安装工况下跳线串偏角最小值为65°，根据文献［2］可以计算出软跳线线长，根据线长不变原理，可求得各工况下的跳线串偏角和跳线张力。

外绕跳线间隙主要指图4中跳线1～3需要保证跳线对塔身的间隙以及母线1、2对导线和塔身的间隙，由于母线相对固定，而且外绕跳线相对较短，因此外绕跳线间隙相对简单。

在宏观上，三柱组合换位耐张塔将常规双回路换位塔的部分外绕跳线分为内绕跳线，减少了大量的校核相间距离及跳线对横担的距离校核，因此跳线间隙相对简单，换位方式更加简洁明了。

2.3 软跳线设计

三柱组合换位耐张塔的软跳线布置在2个主塔之间，由于间距较大，跳线档档距将近50 m，是一般500kV输电线路跳线档距的2倍，与特高压跳线档距相当。

三柱组合耐张塔的跳线系统包括2个部分:第1部分为导线耐张串，主要对耐张串的引流线出线系统、受力系统、屏蔽系统进行重新设计;第2部分为跳线悬垂串，跳线悬垂线夹线槽要有足够的曲率半径及悬垂角，保证导线在运行过程中不被磨损。

2.3.1 耐张串设计

由于三柱组合换位耐张塔跳线具有较大的张力，耐张线夹的引流板在长期运行中容易产生疲劳损坏;而且耐张串的引流线出线时易与其他金具干涉，跳线安装后，当跳线张力不平衡时长度无法调节。由于各种塔型跳线的出线方向、角度变化很大，沿用原屏蔽方案，金具间及金具与导线间易产生干涉、摩擦损伤。

本次设计的耐张串结构针对以上情况进行了改进，参考1000kV特高压双柱组合耐张塔的设计经验和组装试验结果，将跳线引出时的导流和受力2种功能进行分离。

(1)耐张串的引流设计。本文采用的引流方式的最大特点是跳线的导流和受力2种功能分离，其实际结构如图5所示，跳线的张力不再作用于耐张线夹的引流板上，而是在耐张线夹的前端设一钢制挂点，跳线末端采用常规的耐张线夹固定后，将跳线直接挂于钢制挂点上。改进后的耐张串出线结构使耐张线夹的端子板不再承受跳线的张力，耐张线夹主体本身也不受跳线张力的影响，而是将跳线的张力直接作用于力学性能较好的钢制件，提高了金具的安全性能。

改进后跳线和导线之间通过特殊设计的引流线将导线及跳线的耐张线夹端子板连接起来，引流导线只承担导流的功能，不承受张力。

(2)耐张串跳线的出线方案设计。当2根位于同一平面内的子导线出线时，其中远离出线侧子导线的引流线会与出线侧子导线的连接件相碰，在跳线带张力的情况下不能采用小间隔棒支撑。在设计时，将位于同一出线平面的2个跳线挂点设计在出线侧子导线的连接金具上。为避免各子导线受跳线张力的不平衡问题，设计时采用了LF型联板将拉力过渡到没有挂点的子导线上，以达到各子导线间的受力平衡。

为了方便安装，克服因计算和放线过程中的误差导致各子跳线间张力不平衡的问题，在跳线末端的耐张线夹与耐张串上的挂点之间增加一个可以调节长度的花篮螺栓。在成型试验的过程中，花篮螺栓起到了很好的调节作用。

(3)耐张串的屏蔽方案设计。普通500kV输电线路耐张串屏蔽方案是在耐张串左右两侧各安装1个大跑道型均压屏蔽环，如果本项目也采用该方案，跳线及其连接的金具将与均压环干涉相碰，影响均压环的使用性能。因此该项目采用2个侧装均压环来控制绝缘子的电压分布，上下两侧加装屏蔽环，防止金具串产生电晕，避免跳线金具与屏蔽环干涉。

2.3.2 跳线悬垂串设计

根据三柱组合换位耐张塔软跳线的特点，在软跳线悬垂串设计整串结构时充分考虑金具在运行过程中安全性。由于跳线悬垂串偏角较大，为防止跳线摆动时绝缘子与碗头挂板脱落，绝缘子两端由球头、碗头连接改进为环式连接。为便于调整跳线张力，在跳线悬垂串中加装了调整板，通过调节悬垂串长度来调节跳线张力。跳线悬垂联板为整体刚性结构，有效控制跳线运行时各子跳线间的相对位置。悬垂线夹采用节能高强度铝合金材料制造，并对跳线具有足够的握力和机械破坏荷载，而且自身防电晕。为了控制跳线张力，采用质量较轻的复合绝缘子，以减小跳线张力对引流金具和导线的影响。

2.4 铁塔优化设计

三柱换位塔全塔由3个部分组成，两边为挂导线和跳线的主塔，中间为挂跳线的副塔，2个回路的三相导线分别垂直布置在2个主塔塔身上，跳线引至副塔和主塔的跳线横担上，从上至下依次进行换位，挂线方式简单清晰。该塔通过2个回路分塔挂线，采用改变跳线布置方式、取消导线横担等手段，有效控制了跳线对地和塔身其他部分的间隙，降低起始呼称高度，压缩三相导线间的层间距离，从而大幅度降低铁塔的全高，进而减小导地线对铁塔的扭矩和弯矩，改善铁塔的受力状况，提高铁塔的可靠性。

2.5 经济指标分析

在相同设计条件下对相同呼高(24 m)的三柱组合换位塔和常规双回路换位塔进行经济比较，如表1所示。

表1 经济指标Tab.1 Economic indicators

由表1可见，三柱组合换位塔比常规双回路换位塔的金具费用节省约24%，2种塔的绝缘子费用持平，走廊宽度也基本相同，三柱换位塔比普通换位塔的占地面积虽然增加了21%，但三柱换位塔的质量比普通换位塔减少23.4%，这使材料费用明显降低，从而大幅度减少了综合投资。从表1中看出，三柱换位塔的综合投资比常规双回路换位塔减少了约17%，这说明使用三柱换位塔具有明显的经济效益。

3 三柱组合换位耐张塔的应用

3.1 施工运输

三柱组合换位塔的单塔相互独立，作业面互不干扰，施工时各塔可以同时作业，利于缩短工期、保证质量。三柱组合换位塔单个构件的体积和质量大幅减小，施工运输(尤其在山地、泥沼等恶劣地形条件下)和吊装的难度降低。三柱组合换位塔整塔高度低，高空作业安全性更有保障。由于三柱组合换位塔的主辅塔分离，单个塔的基础作用力明显降低，使得在较差的地质条件下使用大开挖基础成为可能;在河网泥沼等地下水较浅的地带施工更为方便。

3.2 运行维护

三柱组合换位耐张塔将常规双回路换位塔紧凑的跳线布置改为宽松的跳线布置，将垂直的跳线走向改为水平的跳线走向，使得跳线远离铁塔;导线直接挂在塔身上，取消了导线横担;由于跳线方向的改变，使得铁塔高度降低。由于跳线水平布置且铁塔整体高度降低，更便于运行人员在地面观察跳线，方便运行维护。

三柱组合换位耐张塔两回导线分别挂在2个主塔上，避免了双回路共塔情况下有外界扰动时整塔都受扰动，独立性与抗扰动性强，安全可靠度高。两回路导地线相对独立，铁塔某回路出现问题进行维护抢修时互不干扰。目前该塔已经投入使用2年，运行情况良好。

4 结论

(1)三柱组合换位耐张塔通过分塔挂线、取消导线横担、优化跳线布置方案等手段，有效降低了塔高，减小了塔身尺寸，改善了铁塔的受力条件，减小了导、地线纵向荷载对塔身的扭矩，提高了铁塔的抗冰、抗风和抗震性能，从而达到降低质量，节约工程投资的目的。

(2)三柱组合换位耐张塔在常规双回路换位塔的基础上对塔头尺寸和电气间隙做了进一步的优化，使塔头间隙更加简单明了，采用软跳线代替常规双回路换位塔硬跳线，既降低了造价，又便于施工和运行维护。

(3)电磁环境的计算结果表明，应用于500kV线路的三柱组合换位耐张塔塔头尺寸不受电磁环境控制，本工程规划的三柱组合换位耐张塔满足电磁环境限制的要求。

(4)三柱组合换位耐张塔与常规双回路换位塔相比有更高的耐雷水平和更低的雷击跳闸率，在降低雷电反击和绕击概率方面均有优势。

(5)三柱组合换位耐张塔两回导线分体挂线，作业面相互独立，施工互不影响，提高了工作效率。

(6)三柱组合换位耐张塔与伞形换位耐张塔相比钢材节省约23.4%，总体费用节省17%，具有明显的经济优势。

［1］GB 50545—2010110 kV～750 kV架空输电线路设计规范［S］.

［2］张殿生.电力工程高压送电线路设计手册［M］.北京:中国电力出版社，2004.

［3］邵天晓.架空送电线路的电线力学计算［M］.北京:中国电力出版社，2003.

［4］李显鑫，卢玉.特高压交流双回线路中单柱组合耐张换位塔应用［J］.电力建设，2009，30(2):22-24.

［5］河南省电力勘测设计院.河南省电力公司科学技术项目双回路三柱组合换位耐张塔研究［R］.郑州:河南省电力勘测设计院，2010.

［6］李显鑫.皖电东送淮南—上海1000kV输变电工程:单柱组合耐张塔研究专题报告［R］.郑州:河南省电力勘测设计院，2008.

［7］河南省电力勘测设计院.祥符—庄周双回500kV线路工程初步设计［R］.郑州:河南省电力勘测设计院，2009.

［8］河南省电力勘测设计院.祥符—庄周双回500kV线路工程施工图设计［R］.郑州:河南省电力勘测设计院，2010.

［9］孙玉堂.1000kV特高压输电线路换位塔［J］.电力建设，2005，26(12):34-38.

［10］DL/T 5154—2002架空送电线路杆塔结构设计技术规定［S］.北京:中国电力出版社，2002.

［11］程慕尧.架空输电线路导线换位及绝缘地线运行方式的优化方案［J］.中国电力，2000，33(1):57-58.