复合横担在1 000 kV特高压交流输电双回路铁塔中的应用探讨

吴　昊，孙珍茂，刘　勇

(四川电力设计咨询有限责任公司，成都　610016)

根据系统规划，在“十三五”期间我国将建成由多条交流1 000 kV线路组成的骨干网架。现有的1 000 kV杆塔均采用全钢制结构，钢材存在质量重、易锈蚀或开裂、低温性差等缺陷，在特殊的环境下还存在线路走廊宽、施工运输和运行维护困难等问题。复合材料具有强度高、质量轻、耐腐蚀、加工容易、可设计性和绝缘性能良好等优点 ，越来越受重视。随着复合材料技术及其制造工艺的发展，将复合材料应用于输电杆塔横担已成为可能。输电线路铁塔的横担部分采用复合材料，将有效提升电网的安全性能，大幅削减风偏闪络、覆冰等事故损失和维护费用，大幅降低工程造价的同时节约大量土地资源，实现低碳经济发展。

国网公司2009年启动的试点工程只在10 kV和35 kV线路上采用全复合材料杆，在110 kV和220 kV线路上则是采用的复合材料横担。除复合横担外，国内还有采用110 kV复合塔头的试点工程。目前，复合横担铁塔试点的最高电压等级为“新疆与西北主网联网750 kV第二通道工程”使用的复合横担塔，所以开发1 000 kV复合横担新塔型对于1 000 kV特高压电网的安全、可靠运行，提高1 000 kV输电线路设计和装备水平，具有重要意义。

为加强1 000 kV线路创新技术的研究和应用，进一步提高线路的安全和经济性，需在复合横担等新技术方面进行深入研究。

1　复合横担铁塔的塔头尺寸设计

复合横担铁塔塔头尺寸主要依赖于电气耐压性能、空气间隙要求以及电磁环境限值等因素。

1.1　塔头空气间隙要求

根据1 000 kV同塔双回输电线路杆塔一般结论，普通铁塔的塔头尺寸，特别是横担宽度，受绝缘子串风偏后对塔身的空气间隙控制，一般为16～20 m。如果采用复合横担，导线直接或经过短金具串与横担端部挂点相连，在铁塔上几乎不存在绝缘子串风偏，当复合横担宽度大于各种情况下的空气间隙要求值时，可以认为导线对铁塔塔身的空气间隙满足要求。

经计算，当复合横担铁塔悬挂金具串长取3 m时，只要复合横担结构长度大于8.3 m时，导线对塔身的空气间隙便能满足要求，由空气间隙决定的上层横担宽度约为10.8 m，较普通铁塔横担宽度14.0 m缩短约3.2 m。

1.2　复合横担耐压要求

铁塔采用复合横担后，由于取消了线路绝缘子，复合横担本身需承受工频电压、操作冲击电压及雷电冲击电压。由于目前尚缺乏1 000 kV复合横担电气试验研究，本报告参照750 kV交流输电线路复合横担电气试验研究成果，对1 000 kV线路采用的复合横担电气性能进行分析推断。

操作过电压要求的线路绝缘子串正极性操作冲击电压波50%放电电压U50应符合：

U50≥K1·US

式中US——线路相对地统计操作过电压，kV；K1——线路绝缘子串操作过电压统计配合系数，取1.25。

若操作过电压倍数取电压标系值的1.6、1.7，系统最高运行电压取1 100 kV时，正极性操作冲击电压波50%放电电压U50分别为1 796 kV和1 909 kV。

一般来说，雷电过电压与运行电压无直接关系，在特高压系统中，由于输电线路本身的外绝缘水平很高，对外绝缘设计而言，雷电过电压不起决定作用。在雷电过电压下，绝缘子串仍应满足一定耐雷水平。经计算，1 000 kV同塔双回输电线路单回跳闸耐雷水平一般在190～249 kA，双回跳闸耐雷水平一般在296～400 kA；出现这种雷电流的概率是很小的(数量级0.1%及以下)，发生雷电反击闪络概率极低。因此，在复合横担尺寸的选取上，不以耐受雷击过电压作为控制条件。

中国电科院对750 kV复合横担真型塔头进行操作冲击及雷电冲击试验。试验结果：当复合横担端部到横担与塔身联接处长度为8.3 m时，操作冲击放电电压为2 015 kV。对1 000 kV输电线路，当操作过电压倍数取电压标么值的1.7时的操作冲击耐受电压要求值为1 909 kV，小于复合横担长度8.3 m时的放电电压。因此，1 000 kV线路复合横担长度按普通复合绝缘子干弧距离9 m选择满足操作过电压要求，同时，雷电过电压对绝缘子串长不起控制作用，因而复合横担选择9 m干弧距离也满足雷击过电压要求。

针对750 kV复合横担的工频污秽耐压水平，中国电科院也做了相应试验研究。由试验结果和数据可知，对于750 kV输电线路，复合横担的绝缘距离及爬电距离与普通线路悬式绝缘子在相同污秽条件下的串长及爬距取值相同，满足污秽耐受电压的要求。对1 000 kV输电线路，仍可参照750 kV的试验结果，将复合横担的绝缘距离及爬电距离取值与普通铁塔悬垂复合绝缘子一致，轻冰区绝缘子长度不小于9 m，爬距取32 m。由此可见，由电气耐压决定的复合横担长度大于按空气间隙要求决定的长度。

因此，在满足工频污秽耐受压、操作冲击耐受压及雷击跳闸率要求的情况下，在Ⅲ级污秽区，初步推断复合横担绝缘距离取为9 m，爬距取为32 m，考虑横担与塔身及导线联接金具及屏蔽环，复合横担的结构长度值最小可取为11 m。

1.3　复合横担长度对电磁环境的影响

按照1 000 kV普通双回路铁塔层高取19 m的情况下，对比计算复合横担铁塔在不同横担宽度下的电磁环境影响参数。

按照复合横担电气耐压决定的复合横担结构长度为11 m，加上铁塔自身宽度，满足电气耐压的最小横担宽度自上层到下层分别为13、13.7、14.4 m。

导线表面场强、无线电干扰、可听噪声的计算见结果表1、表2、表3。

表1　导线表面场强(逆相序)

表2　无线电干扰结果 　dB

表3　可听噪声结果　dB

从表1可以看出，横担越短上下相导线表面场强越大，电晕损耗越大，中相导线表面场强越小，电晕损耗越小。但最短12 m的横担仍能满足电晕损耗的要求(一般要求Em/Em0<0.8，见导地线选择报告)。从表2可看出，横担越短无线电干扰水平越大，当层高为19 m时，最短12 m的横担仍能满足58 dB的限值要求。从表3可看出，横担越短可听噪声水平越大，当层高取19 m时，最短12 m的横担仍能满足55 dB的限值要求。

改变层高及横担宽度，计算了可听噪声值，如图1所示。

图1　可听噪声计算曲线

由图1可知，双回路杆塔层高越小，可听噪声越大；横担宽度越大，可听噪声越小；按照满足可听噪声限值55 dB的要求，当横担宽度取13 m时，杆塔层高应大于18 m。当横担宽度取12 m时，杆塔层高应不小于19 m。层高取值为16 m和17 m时，16 m的横担宽度也无法满足可听噪声限值要求。若从尽可能压缩走廊的角度考虑，当上层横担宽度取值小于13 m时，应加大层高，同时需增加一定长度的悬垂绝缘子串补充绝缘。

地面场强与层高及横担宽度的关系分别如图2、图3所示。

图2　上横担宽13 m时地面场强曲线

图3　层高18 m时的地面场强曲线

通过计算结果及计算曲线可得出以下结论。

复合横担越宽，相同层高下的可听噪声值越小。复合横担越宽，按4 kV/m场强控制的线路走廊宽度越宽。层高越大，相同横担宽度时的可听噪声值越小。层高越大，按4 kV/m场强控制的线路走廊宽度越宽，但层高对走廊宽度的影响较小。按照可听噪声限值要求，层高增加1 m。通常情况下，复合横担双回路铁塔的层高越高，铁塔越重，会增加投资，同时防雷性能越差，但其所需横担宽度越窄，相应线路走廊越窄，减少了房屋拆迁量，会降低投资。因此，在复合横担铁塔设计时，应综合考虑各方面因素，作出最优的组合。

2　复合横担塔优化设计及经济性分析

2.1　复合横担的结构型式

复合横担中的受压构件一般采用空心圆管，而受拉构件可以采用实心圆管和空心圆管两种。除了采用圆管外，还可以采用D字形空心管，如图4所示。D字形管与圆管相比与塔身主材相连方便，横担斜材也比较容易与D字形管的主材相连，另外，D字形有一个水平面，方便运维阶段站人。

图4　D字形管

复合横担由受轴向拉力的拉索和受弯矩和压力作用的压管组成，压杆采用支柱绝缘子，拉杆采用复合绝缘子，压杆中间设置支撑，如图5所示。

图5　复合横担结构型式

2.2　优化设计

以1 000 kV交流特高压输电线路工程的典型直线塔SZ27103为例，改为复合横担塔有三种方案，如图6所示。

表4　钢材铁塔与复合横担铁塔比较

(1)三相均采用复合横担，层间距18 m。该塔的地线支架与上横担固定在一起，为了简化防雷措施，地线支架一般不采用复合材料。因此，需将地线支架从上横担分离出来，直接与塔身相连。上中下三相横担均采用复合材料。本方案的导线层间距取18 m，上中下三相导线距塔中心的距离分别为13、13.7、14.4 m，走廊宽度28.8 m，可将原典型塔的走廊宽度由29.6 m缩小0.8 m。

(2)三相均采用复合横担，层间距19 m。本方案的复合横担型式与第1种方案完全相同，差别就是增大层间距为19 m，这样上中下三相距离塔位中心的距离可以减小为12、12.7、13.4 m，走廊宽度26.8 m，比普通塔的走廊宽度29.6 m缩小2.8 m，约缩小了9.45%。

(3)仅下相采用复合横担。本方案仅在下相采用复合横担。该方案不能缩小线路走廊宽度，但由于下相减少了绝缘子串长度，可以减小塔呼高约8 m，塔全高也降低了8 m。另外地线支架的宽度主要受对下相保护角的控制，下相采用复合横担减小了横担长度，从而地线支架也可以向塔身靠拢一些。本方案的主要作用是通过降低呼高、从而降低塔本体造价。

图6　复合横担模型示意图

2.3　复合横担塔的经济性分析

复合横担塔若三相均采用复合横担，其作用主要是缩小走廊宽度，从而可以减少房屋拆迁量，降低工程造价。复合横担塔若仅下相采用复合横担，则主要作用是降低塔高，不能缩小线路走廊宽度，是通过降低塔本体造价来降低工程造价。

普通塔与三种方案复合横担塔的材料及线路走廊宽度及造价如表4所示。

由表4可以看出，三种方案都能节约工程造价。采用仅下相使用复合横担的方案3综合造价最低，比普通塔节约5.7%；三相都采用复合横担、层间距为19 m的方案2造价次低，比普通塔节约3.5%；三相都采用复合横担、层间距为18 m的方案1的造价也比普通塔略低。

3　结语

(1)本文在750 kV交流输电线路复合横担

的操作冲击耐受压、雷电冲击耐受压及人工污秽试验成果的基础上，对1 000 kV复合横担的长度取值进行了类比分析，从理论上得出了满足电气耐压要求的1 000 kV复合横担长度取值。

(2)从满足电磁环境限值要求入手，定性定量地分析了双回路复合横担铁塔横担宽度、相导线层间距离对电磁环境限值的影响趋势，由此确定了最优的复合横担铁塔塔头外型尺寸。

(3)提出了复合横担的结构型式，对复合横担进行了优化设计，提出了三相均采用复合横担、层间距18 m，三相均采用复合横担、层间距19 m，仅下相采用复合横担等方案。

(4)从杆塔本体造价、房屋拆迁费用等角度对复合横担塔进行了技术经济比较，结果表明采用仅下相使用复合横担的方案综合造价最低；三相都采用复合横担、层间距为19 m的方案造价次低；三相都采用复合横担、层间距为18 m的方案最高，但也比普通塔略低。

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