高压输电线路钢管杆“L”形悬垂绝缘子串研究

林泳

（福建博电工程设计有限公司，福建福州 350003）

0 引言

悬垂绝缘子串的安装方式有垂直安装、倾斜安装及多串并联安装等，不同安装方式的应用优势也有所差别，其中较为常用的是“I”形串和“V”形串［1］。本文研究一种钢管杆采用“L”形悬垂绝缘子串布置方式，能够在满足输电线路输入容量的前提下，节约走廊资源，同时能防止污闪、冰闪、雨闪等事故的发生，促进社会经济良性发展。关于高压输电线路悬垂绝缘子串的研究，王欣欣等［1］以跨越高速铁路输电线路为例，详细分析绝缘子串的振颤情况，并提出保证输电安全性的线路设计措施；张志强等［2］研究典型高压绝缘子串风荷载体型系数的试验情况，为合理计算绝缘子风荷载提供了基础数据；马野等［3］以高压输电线路运检的实际情况出发，针对输电线路更换“L”形绝缘子串时的荷载转移，提出一种新型的更换工具。本文在前人研究的基础上，分析“L”形悬垂绝缘子串的受力、电压分布情况，以及夹角选择，根据“L”串结构及串型规划的特点提出“L”形串钢管杆塔头布置方案，并应用在不同钢管杆中。本文的创新点在于充分结合“L”形悬垂绝缘子串的基本特性，将其合理地应用在钢管杆塔头布置中，突破了过去以“I”形串和“V”形串为主的布置形式，填补高压输电线路在该领域的空白，同时比较分析了典型“I”形串与新型“L”形串的走廊宽度，确认该布置方案的可靠性与科学性。

1 “L”形悬垂绝缘子串的特性分析

1.1 “L”形悬垂绝缘子串的受力分析

“L”形悬垂绝缘子串的荷载较为复杂，与垂直荷重、水平荷重、纵向荷重和夹角都存在一定的关联性。“L”形悬垂绝缘子串在转角的影响下，其导线连板挂点处的受力呈现出与“V”形绝缘子串存在较大差异的特征。从垂直方向上看，N1是外角侧绝缘子串所受拉力；N2是内角侧绝缘子串所受拉力；Gz是绝缘子串所受垂直方向上的荷载，包括导线、防震锤和相关金具；α是内侧绝缘子串的夹角；β是外侧绝缘子串的夹角；Pf是导线受到的横向风力负载；Pj是导线因出现角度的水平负载［1］。从水平方向上看，I1、I2是导线水平方向上的拉力；θ是导线转角度的一半；Pj依旧是导线因出现角度的水平负载。两种绝缘子串所受拉力有所差别，由外角向内角吹时，线路的外侧绝缘子串受到的拉力N1最大。以图1 中垂直方向的受力图可以看出，“L”形悬垂绝缘子串的α 角侧绝缘子串为a 肢，β角侧绝缘子串为b 肢，设定a 肢的受力值为F1，b肢的受力值为F2，当两种受力值为正值时，意味着绝缘子串处于受拉状态；当两种受力值为负值时，绝缘子串处于受压状态。在顺风情况下，“L”形悬垂绝缘子串的b 肢会承受较大压力；在逆风情况下，“L”形悬垂绝缘子串的a肢会承受较大的压力。

图1 “L”形悬垂绝缘子串受力分析图

1.2 “L”形悬垂绝缘子串的电压分布

“L”形悬垂绝缘子串采取的安装方式为倾斜布置，铁塔横担和塔身对其影响较大，电压分布的整体均衡性较差，需要采用均压环进行改善。关于绝缘子串中的最末几片绝缘子，由于对铁塔横担和塔身的对地电容相对较大，该区域的电压分布较均匀［2］。此外，“L”形悬垂绝缘子串也会对塔头空间的电场分布及该绝缘子串的电压分布产生影响。综合来说，“L”形悬垂绝缘子串的布置方式有利于绝缘子串的电压分布。“L”形悬垂绝缘子串工频电压统计配合系数、操作过电压统计配合系数都较高，因此空气间隙也相对较大，但由于“L”形悬垂绝缘子串能够限制导线风偏摆动，因此在塔头尺寸方面仍具备优势。“L”形悬垂绝缘子串的金具设计要保证连接的紧凑性，如果存在下部金具过长的情况，则需要降低绝缘子串的闪络电压。

1.3 “L”形悬垂绝缘子串的夹角选择

“L”形悬垂绝缘子串的夹角会对塔头尺寸及绝缘子串的受力产生直接影响。通常，其夹角处于70°～120°的范围内，夹角的大小变化与塔头中相下部尺寸成正比关系，当夹角较小且风荷也较小时，背风肢绝缘子串处于受压状态，但夹角较大时，绝缘子串的受拉力也随之增大，背风肢绝缘子串在风荷较大的情况下受压。一般来说，“L”形悬垂绝缘子串夹角的1/2 应当不小于最大风偏角，以免其过度受压而产生脱落、损伤等问题。基于相关受压试验数据，迎风肢绝缘子最大偏移角为9°～11°时，夹角为110°对应的钢脚应力值较大，而夹角为70°～90°时的应力值则较小［3］。在受压出现频率、冲击效应和电气间隙等参数达标的情况下，若导线摆动幅度及受压绝缘子的最大应力限制在允许范围内，绝缘子串的夹角可减小7°～10°。

2 “L”形悬垂绝缘子串结构及串型规划

2.1 “L”形悬垂绝缘子串钢管杆塔头布置

钢管杆塔头是杆塔规划的重要组成部分，其尺寸与工作电压、操作过电压、带电作业等气象条件下的绝缘子串的摇摆角角度有关［4］。绝缘子串风偏的角度平均为60°，塔头横担长度主要由导线悬垂绝缘子串风摆的水平距离、对应的安全距离及综合误差3个部分组成，其中导线悬垂绝缘子串风摆的水平距离占比达80%，而且安全距离及综合误差是设计规范强制要求的值。常规导线绝缘子串由上端联塔金具、中间绝缘子、下端联板及金具构成，假设有一种不会摆动的导线悬垂绝缘子串，也就意味着理想情况下，塔头间隙部分可以扣除因导线悬垂绝缘子串风摆的水平距离部分。根据假定要求重新确定塔头间隙圆，同时校核其他相关部分的间隙要求发现，塔头横担长度明显缩短，对于110 kV 横担及220 kV 横担单侧长度较常规的塔形分别减少约1 m、2 m。

2.2 新型“L”形串结构

根据“L”形悬垂绝缘子串杆塔塔头的布置情况，需选择一个垂直串与水平串的连接位置。结合典型“I”形串的结构，其中大部分是绝缘子，绝缘子需要起到绝缘的作用，同时它的外部都附带伞裙，与水平串连接困难［5］，因此选择在下端元件LJ 联板上、下2 个挂孔中间增加一个水平串的连接底座，由于LJ 联板位于高压端，其电压基本与导线相当，中间应同样水平布置绝缘子，一端与LJ联板上底座相连，另一端固定与塔身预留的连接端，“L”形悬垂绝缘子串的结构示意图如图2所示。

图2 “L”形悬垂绝缘子串的结构示意图 （单位：mm）

3 “L”形悬垂绝缘子串在高压输电线路钢管杆中的应用

3.1 同塔双回杆塔

以21SSZG1 双回钢管杆为例，在使用条件不变的情况下，分别使用典型“I”形串与新型“L”形串进行对比分析，两者的杆件应力数据见表1。总体来看，与典型“I”形串相比，采用新型“L”形串时，钢管杆主杆杆件应力比降低了4%～6%。当同塔双回杆塔的呼称高度为27 m 时，典型“I”形串的钢管杆重量约为18 522.5 kg，新型“L”形串的重量约为17 758.9 kg；当呼称高度为30 m 时，典型“I”形串的钢管杆重量约为19 840.4 kg，新型“L”形串的重量约为19 083.6 kg。因此在实际应用时，新型“L”形串的钢管杆重量明显比典型“I”形串低，能够减轻3%～5%的重量。

表1 同塔双回杆塔典型“I”形串与新型“L”形串杆件应力数据

3.2 同塔四回杆塔

以H24EA22—Z1 四回钢管杆为例，在使用条件不变的情况下分别使用典型“I”形串与新型“L”形串进行对比分析，两者的杆件应力数据见表2。总的来看，与典型“I”形串相比，采用新型“L”形串时，钢管杆主杆杆件应力比降低5%～7%。当同塔四回路钢管杆的呼称高度为30 m 时，典型“I”形串的钢管杆重量约为32 485.8 kg，新型“L”形串的重量约为30 146.8 kg；当呼称高度为33 m 时，典型“I”形串的钢管杆重量约为34 349.8 kg，新型“L”形串的重量约为31 327.0 kg，因此在实际应用时，新型“L”形串的钢管杆重量明显比典型“I”形串低，能够减轻7%～9%的重量。

表2 同塔四回杆塔典型“I”形串与新型“L”形串杆件应力比表

3.3 对输电线路走廊宽度的影响

输电线路走廊宽度与架空线电压等级成正比关系，也会受到外部运行环境的影响，需要综合考虑风偏、覆冰弧垂、是否穿越铁轨公路及与建筑、树木、经济作物和山坡的距离等影响因素。在《110 kV～750 kV 架空输电线路设计规范》（GB 50545—2010）中对走廊宽度做出相关要求，边线延伸距离必须超出在最大计算弧垂及最大计算风偏后的水平距离和风偏后距建筑物的安全距离之和，计算时要考虑杆塔的尺寸、导线及其悬垂绝缘子串风偏后的水平位移［6］，走廊宽度的计算公式如下：

公式（1）中：H为走廊宽度，m；D为杆塔单侧横担宽度，m；λ为导线悬垂绝缘子串的高度，m；a为导线悬垂绝缘子串的风偏角度，°；F为导线的最大弧垂；β为导线的风偏角，°。

钢管杆线路档距一般取值为200 m，导线的最大弧垂为8 m；导线的风偏角为59°，对于常规“I”形串的风偏角的计算取平均值为60°，对于“L”形串的风偏角为0°。根据公式（1）计算2 种串形的走廊宽度，计算结果见表3，220 kV 线路采用新型“L”形串可节约走廊宽度约10 m；110 kV 线路采用新型“L”形可节约走廊宽度约5 m。折算到每千米架空输电线路，220 kV线路可减少走廊面积98 000 m2（14.7亩）；110 kV线路可减少走廊面积4 733.57 m2（7.1亩）。

表3 220 kV线路和110 kV线路走廊宽度计算结果表

4 结语

综上所述，“L”形悬垂绝缘子串对缓解建设用地紧张、减少走廊占用面积具有重要作用，本文采用“L”形串的钢管杆塔头布置方案，在压缩塔头尺寸、减小导线对杆塔产生的弯矩、节约钢材用量等方面具有明显优势，同时能够减小走廊宽度。通过与典型“I”形串进行对比分析，发现新型“L”形串能够降低4%～6%的钢管杆应力及减轻3%～5%的重量，符合节约型社会发展的需求。