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清城站配套220kV线路北江大跨越塔头设计

摘要：本文以清城站配套220kV线路北江大跨越为例，从大跨越现场控制因素、塔头型式、塔高确定、空气间隙选取、塔头尺寸设计等方面总结了北江大跨越塔头设计的基本方法，供输电线路设计同行参考。
关键词：大跨越；塔头型式；塔高确定；空气间隙
1 项目概况
500kV清城站配套220kV线路需在北江清远枢纽下游建设两条并行的架空线路跨越北江，一条为同塔双回线路，一条为同塔四回线路，均采用“耐-直-直-耐”的跨越方式，跨越档距1600米，耐张段长约2650米，其路径平面详见图1。

图1 清远220kV北江大跨越平面图
该大跨越工程最大设计基准风速为31m/s，按无覆冰设计，线路每相导线选用单根JNRLH2/G4A-720/300型特强钢芯耐热铝合金绞线，地线为2根96芯OPGW光缆。
2 现场控制因素
北江清远枢纽上下游各10公里范围内的跨江电力通道已趋于饱和，清远枢纽下游已建设2个和规划2个500kV线路架空通道，清远枢纽上游已建设2个220kV架空通道。同时，清远枢纽上游还有规划的清南高速跨江桥，以及已建的许广高速跨江桥。综合考虑城镇规划及拆迁难度，本工程选择在清远枢纽下游约450米处跨越北江，位置具有惟一性。其控制因素如下：（1）新建跨越塔不得在河道管理范围内立塔。根据当地水利管理要求，本项目所在位置的河道管理范围为堤围坡脚外延50米范围，河道管理范围内禁止立塔。
（2）新建跨越塔需注意避让远期规划船闸用地。根据北江航道事务中心回函意见，北江东岸规划有三四线船闸，因船闸施工需开挖至基岩地层，新建塔基需考虑施工影响，避免新建塔基限制远期船闸施工。
（3）北江西岸路径走廊紧张。北江西岸新建线路北侧为北江航道扩能升级项目部，新建塔位不得占用；新建线路南侧为居民区，新建塔位需尽量远离密集居民区，减少房屋拆迁。
因此，为减小跨越档档距，北江西侧跨越塔考虑立于清西围坡脚外延80米处，同时两条不同回路的跨越塔尽量靠近，以远离南侧村庄；北江东侧跨越塔考虑立于规划三四线船闸用地外延70米和清东围坡脚外延80米之间，同时两条不同回路的跨越塔尽量远离，以保证两条不同回路的导线的线间距离。
3 塔头型式选择
本大跨越工程为一条同塔双回和一条同塔四回线路，其塔头布置型式及优缺点详见表1。
表1 不同塔头型式及优缺点
导线布置方式
简图
优点
缺点
通道净宽
塔头高度
估算重量
1、四回路三层排列

1、塔头高度最小，减少竖向空间，能够较好适应航空限高要求；
2、杆塔荷载较小，钢材使用最省；
1、导线横担最长，增加了横向空间尺寸，路径紧张地段使用受限；
2、横担长度较长，变形控制难度较大；
51.4
39.0
1035吨
2、四回路四层排列

1、结构受力清晰、传力简洁；
2、杆塔荷载较小，钢材使用最省；
3、横向空间较三层排列稍小；
1、塔头高度较高；
2、导线横担较长，增加了横向空间尺寸，路径紧张地段使用受限；
50.8
55.5
1043吨
3、四回路六层排列

1、横担长度短，通道占地最小；
2、导线和地形层次分明，有成熟的设计、施工和运行经验；
3、导线横担受力明确，刚度好；
1、塔头高度最高，运行人员较难到达塔顶，施工难度较大；航空限高区域无法采用；
2、杆塔重量最重，钢材使用最多；
21.0
70.1
1084吨
4、双回路垂直排列

1、导线横担最短，通道占地最小；
2、导线和地形层次分明，有成熟的设计、施工和运行经验；
3、导线横担受力明确，刚度好；
1、塔头高度最高，运行人员较难到达塔顶，施工难度较大；航空限高区域无法采用；
2、杆塔重量最重，钢材使用最多；
20.0
32.0
615吨
5、双回路蝶形排列

1、塔头高度最小，结构受力清晰、传力简洁；
2、杆塔荷载较小，钢材使用最省；
1、塔头高度较高；
2、导线横担较长，增加了横向空间尺寸，路径紧张地段使用受限；
47.0
26.0
593吨
从塔头尺寸容易看出，方式1和5中塔头高度最小，杆塔荷载最小，塔重最轻，因此为首选塔型，但两塔型的通道宽度达到了51.4+47=98.4米，根据风偏计算，单侧导线最大风偏为94米，加上7米安全距离，两线行的最小通道宽度达到98.4+94+7=199.4米。
但北江西岸路径走廊紧张，可建设电力通道的宽度仅有约170米，因此必须减少塔头宽度以适应通道宽度。
考虑双回路塔重按方式4布置导线较方式5增重不多，但减少通道宽度明显，因此双回路跨越塔可采用方式4，则两塔型的通道宽度可缩减为51.4+20=71.4米，考虑风偏安全后两线行的最小通道宽度为172.4米，能够基本适应现场条件。
综上，因大跨越西岸路径走廊紧张，推荐四回路跨越塔按方式1布置导线，双回路跨越塔按方式4布置导线。
4 塔高的确定
4.1 铁塔基础高度的确定
因大跨越西岸跨越塔位于堤围内部，地面标高取塔基附近道路标高，为避免后期土地开发回填影响，基础露出地面高度取2米。
因大跨越西岸跨越塔位于堤围外部的河滩地，处于行洪区，此处北江30年一遇设计洪水位为15.5米，因此考虑基础较30年一遇洪水位增加0.5米。
4.2 导线弧垂的确定
根据设计规范，导线弧垂最低点的最大使用张力不应大于拉断力的40%，即安全系数不小于2.5。考虑到大跨越线路导线铝钢比较小，平均悬挂高度很高，虽然采用高强度铝合金线，但从防振设计的角度出发，借鉴国内大跨越设计运行经验，导线年平均运行应力可取其破坏应力的19～21％。结合以上安全系数及年平均运行应力系数，计算出跨越档的弧垂为128米。
4.3 跨越塔呼高计算
本工程跨越塔呼高按表2确定。
表2 跨越塔呼高计算
铁塔
西岸跨越塔
东岸跨越塔
塔位基础高程
12.2
16.0
跨越档档距
1600m
最高通航水位
15.1
船桅高度
25m
导线弧垂（150℃）
128m
悬垂绝缘子串长度
6.0m
电气安全距离
3.0m
设计、施工误差
2.0m
裕度
2.0m
据此，确定北江两基直线跨越塔呼高均为171m，因东岸塔位尚可能因三线船闸施工场地影响向东移位，前期阶段可将呼高按174m考虑。
5 空气间隙选取
除雷电过电压时的最小空气间隙需根据绝缘子串的冲击放电电压确定，其它工况间隙均可根据《110kV～750kV架空输电线路大跨越设计技术规程》规定取值。
本大跨越悬垂绝缘子串采用双联I型串，每联为26片240kN级的普通型绝缘子，该型绝缘子单片结构高度为170mm，其有效绝缘长度即为26×170=4420mm。根据《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》，风偏后线路导线对杆塔空气间隙的50%正极性雷电冲击放电电压可为绝缘子串相应电压的0.85倍，因220kV线路杆塔空气间隙的50%正极性雷电冲击放电电压与空气间隙基本呈线性关系，因此其雷电过电压间隙可取绝缘子串有效绝缘长度的85%，即3.76m。因此各种工况下带电部分与杆塔构件的最小间隙按下表3采用。
表3 大跨越塔直线塔带电部分与杆塔构件最小间隙取值
工况
最小间隙（m）
相应风速（m/s）
工频电压
0.55
47.1
操作过电压
1.45
23.55
雷电过电压
3.76
15
带电作业
1.8+0.5
10
注：对操作人员需要停留工作的部位，带电作业间隙还应考虑人体活动范围0.5m。
6 塔头尺寸设计
6.1不同回路导线水平距离
按照《110kV～750kV架空输电线路大跨越设计技术规程》要求，档距在1000m至2000m时，按档距中导线接近条件考虑，并按下式计算：
D=0.4Lk+U/110+ Kf1/2
式中：D----导线水平线间距离(m)；
Lk----悬垂绝缘子串长度(m)；
U----线路电压(kV)；
K----系数，取0.75-0.95；
f----导线最大弧垂（m）。
根据上式计算，跨越塔不同回路间导线水平距离取15.6m（K取0.9，弧垂取128m，考虑回路间增加0.5m，再考虑0.5m米裕度）。
6.2导线垂直线间距离
导线垂直线间距离一般可采用同一回路水平线间距离的75％，但为了满足上层导线至下层横担构件的最小空气间隙所要求的距离并适当留有裕度，相间垂直间距离不应小于11.0m，最终垂直距离应结合空气间隙圆来确定。
6.3地线支架高
根据相关规定，在档距中央，导线与地线的距离S，按照0.0121L+1和0.1I中的较小值来校验。杆塔上两根地线之间的距离，还应满足不超过地线与导线间垂直距离的5倍。
由于大跨越直线塔全高相应增加，为了降低雷电绕击导线的机会，在设计塔头时，地线对边导线的保护角采用负保护角。
根据上述原则，对于本工程路大跨越直线塔，确定直线塔的地线支架高度为7.0m左右。
6.4层间偏移距离
由于本工程线路无覆冰，导线与地线间及上、下层导线间的水平位移无明确规定，现塔型的水平位移分别为0.5m。
6.5塔头间隙校验
考虑横担斜材法兰影响0.3米，考虑耐张塔侧小弧垂影响1.4米，考虑塔身处导线风偏0.4米，根据绝缘子串及空气间隙，对塔头尺寸进行间隙圆校验，并结合结构杆件布置，最终确定跨越塔塔头尺寸如下图2所示。

图2 跨越塔塔头尺寸及间隙图
7 结束语
随着经济的发展，用电负荷中心区域的跨江通道越来越少，大跨越塔的高度也不断增加，选择经济合理的塔头不仅是提高输电线路稳定性的前提，更是适应新形势下电力建设的需要，相信经过电力工程人员的不断努力，大跨越的设计将更加成熟和科学。
参考文献
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2. 刘飞,白阳川.110kV川岛海上大跨越塔塔头设计[J].广东输电与变电技术,2010,12(04):68-70.
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-全文完-