500 kV重冰区同塔双回路垂直线间距离设计探讨

，海平

(四川电力设计咨询有限责任公司，四川 成都 610016)

0 引 言

西部川、滇、藏地区蕴藏着丰富的水电资源，但这些地区自然环境恶劣、人文社会环境复杂。随着水电送出线路的增多，线路走廊资源日渐稀缺，以致于传统上采用单回路架设的高海拔、重覆冰线路也有了采用同塔双回架设的要求。

目前，500 kV重冰区同塔双回线路在国内尚无应用实例，其瓶颈问题主要是无法准确把握不同工况下导地线脱冰跳跃高度和横摆距离规律，因而缺乏重冰区同塔双回线路铁塔外形尺寸设计的指导原则。近年来，国内外学者通过模拟试验和数值分析等方法对导地线脱冰响应进行了大量研究[1-13]，得出了很多具有工程实用价值的结论。文献[13]采用有限元方法对各种脱冰工况下导线脱冰动力响应进行研究，得出了导线冰跳高度工程实用简化计算公式(H=1.85Δf，Δf是导线脱冰前后静止状态下的弧垂之差)。据上述公式计算等档距500 m的典型7档耐张段在脱冰率为80%的情况下，任意单档导线冰跳高度都将达到25 m以上[12]。鉴于冰跳高度很大，垂直排列的导地线为避免在档距中央瞬间动态接近闪络，在塔头布置时主要靠足够的水平位移来保证脱冰动态接近安全[14]。

按照《重覆冰架空送电线路设计技术规程》(以下简称重冰规程)10.0.4条规定，“重覆冰线路导线和地线在档距中央的距离除满足过电压保护要求外，还要校验导线和地线不同期脱冰时的静态接近距离，此距离不应小于线路操作电压的间隙值”。因此，垂直排列的重冰区双回路塔上下层导地线之间还需留有足够的垂直线间距离以保证静态接近安全。针对上述校验，规程中仅对下层导线给出了校核条件，而未对上层导地线的覆冰状态进行规定，计算发现上层导地线覆冰状态对导地线垂直线间距离的影响与下层导线相当，因此，有必要对上层导地线不同覆冰工况下所要求的垂直线间安全距离进行讨论，从而确定不同期脱冰时上层导地线覆冰状态，为500 kV重冰区同塔双回线路塔头设计提供参考。

1 不均匀冰导线应力和悬垂绝缘子串偏移计算

计算不均匀冰时上下层导地线之间静态接近安全距离需先计算可不均匀冰情况下耐张段内各档静态弧垂，而静态弧垂计算实质即为不均匀冰导地线应力和悬垂绝缘子串偏移值计算。

耐张段架线时，各档导地线水平应力相等，直线塔的悬垂绝缘子串垂直。当外界气象条件变化时(非架线工况)，由于档距及高差不等或者外力(冰、风等)荷载在各档的不均匀分布，造成耐张段内各档应力有差别，进而使导线上出现纵向不平衡张力，致使悬垂绝缘子串出现偏移或导线在线夹内滑动现象[15]。重冰区线路不均匀覆脱冰是引起不平衡张力的主要原因。不均匀冰导地线应力和悬垂绝缘子串偏移值可通过以下公式进行精确迭代计算[16]

(1)

(2)

(3)

式中，li为档距(m)；βi为高差角(°)；α为膨胀系数(1/℃)；E为弹性系数；tm为架线时气温(℃)；σm为应力(N/mm2)；Δtm为考虑初伸长降温等效温度(℃)；γm为比载(N/cm·mm2)；t为不均匀冰时气温(℃)；σi为应力(N/mm2)；γi为比载(N/cm·mm2)；Δli为档距增量(m)；A为导地线截面，mm2；hi为高差，m；λi为悬垂绝缘子串长，m；Gi为荷载，N。

2 重冰区同塔双回典型5档线路不均匀冰计算模型

按重冰规程5.0.2条，重冰区耐张段不宜超过3 km。因此本次研究以5个等档距连续档(档距分别为300 m、400 m、500 m、600 m)覆冰为模型，中间档脱冰弧垂变化最大，因此以中间档(第3档)为校核档对直线塔垂直线间距离进行研究。

外部边界条件：导线为4×LGJ-500/45，地线为2根OPGW-150。导线采用“VVV”垂直排列方式，V串垂直方向串长5.7 m，串重为1 100 kg。考虑海拔高度为2 500 m，相间工频电压间隙值2.6 m，相间操作过电压间隙值5.5 m。

对上下层导地线的覆冰状态主要考虑如下3种工况。

工况1：考虑上层导(地)线弧垂为所有档100%均匀覆冰弧垂，下层导线脱冰弧垂取值为：校核档分别脱冰100%或脱冰80%，其余档均100%覆冰。其示意图如图1。

图1 工况1上下层导地线的覆冰状态

工况2：考虑上层导(地)线弧垂为校核档80%均匀覆冰，其余档均100%脱冰时弧垂；下层导线脱冰弧垂取值为校核档分别脱冰100%或脱冰80%，其余档均100%覆冰。其示意图如图2。

图2 工况2上下层导地线的覆冰状态

工况3：考虑上层导(地)线弧垂为校核档100%均匀覆冰，其余档均100%脱冰时弧垂；下层导线脱冰弧垂取值为校核档分别脱冰100%或脱冰80%，其余档均100%覆冰。其示意图如图3。

图3 工况3上下层导地线的覆冰状态

3 重冰区同塔双回典型5档线路直线塔垂直线间距离计算

工况1：考虑上层导(地)线弧垂为所有档100%均匀覆冰弧垂，下层导线脱冰弧垂取值为校核档分别脱冰100%或脱冰80%，其余档均100%覆冰。经上述工况计算，其垂直线间距离要求如表1。

工况2：考虑上层导(地)线弧垂为校核档80%均匀覆冰，其余档均100%脱冰时弧垂；下层导线脱冰弧垂取值为校核档分别脱冰100%或脱冰80%，其余档均100%覆冰。经上述工况计算，其垂直线间距离要求如表2。

表1 工况1垂直线间距离要求值

注：以上弧垂包括串长。

表2 工况2垂直线间距离要求值

注：以上弧垂包括串长。

工况3：考虑上层导(地)线弧垂为校核档100%均匀覆冰，其余档均100%脱冰时弧垂；下层导线脱冰弧垂取值为校核档分别脱冰100%或脱冰80%，其余档均100%覆冰。经上述工况计算，其垂直线间距离要求如表3。

表3 工况3垂直线间距离要求值

注：以上弧垂包括串长。

按重冰规程，下层导线校核条件为校核档脱冰率不低于设计冰重的80%，为避免极端条件控制塔头，同时满足规程要求，则层间距取下层导线脱冰100%和80%时计算值的平均。此外，由于重冰区线路铁塔呼称高都较高，地线所处环境最为恶劣，为保证地线冰凌过载情况下与上相导线之间的电气安全距离，地线支架高度取下层导线脱冰100%计算值。根据上述3种工况计算结果如下。

档距为300 m时，直线塔导线垂直线间距离在3种工况下分别应取10.9 m、16 m、16.9 m；地线支架高度分别应取2.05 m、4.25 m、4.95 m。工况1不同期脱冰静态接近要求导线间垂直距离仅10.9 m，地线支架高度仅2.05 m。按此条件布置塔头，则层高完全由间隙圆控制，则中相导线和地线、上下相导线之间由于冰跳高度的不确定性仍然存在电气安全风险。同时考虑到重冰区线路一般在高海拔山区走线，连续档档距仅300 m的概率很小，因此300 m左右档距的连续档直线塔层高和地线支架高度不应按工况1计算取值，建议直线塔层高按工况2计算取值，地线支架高度按工况 3计算取值。

档距为400 m时，直线塔导线垂直线间距离在3种工况下分别应取15.15 m、21.2 m、25.45 m；地线支架高度分别应取4.75 m、7.95 m、8.35 m。若按单独考虑工况2或者工况3计算取值，则塔头尺寸完全由不同期脱冰静态接近要求值控制，此时塔头尺寸过大，铁塔结构安全性得不到保证。若按工况1计算取值，该值比300 m档距要求值还略小。因此400 m左右档距的连续档直线塔层高和地线支架高度建议按工况1和工况2统一考虑计算取值。

档距500 m为时，直线塔导线垂直线间距离在3种工况下分别应取19.3 m、30.1 m、31.5 m；地线支架高度分别应取5.85 m、9.75 m、10.05 m。若按单独考虑工况2或者工况3计算取值，则塔头尺寸过大，铁塔结构安全性得不到保证。因此500 m左右档距的连续档直线塔层高建议按工况1计算取值。建议地线支架高度按工况1和工况2统一考虑计算取值。同理，档距为600 m时若按单独考虑工况2或者工况3计算取值，则塔头尺寸过大，铁塔结构安全性得不到保证。因此600 m左右档距的连续档直线塔层高建议按工况1计算取值；地线支架高度按工况1和工况2统一考虑计算取值。

综上所述，在文中典型5档线路不均匀冰计算模型和研究边界条件下，各档距的不同期脱冰上层导地线覆冰状态校核条件和塔头控制尺寸推荐如表4。

表4 各档距条件下塔头控制尺寸推荐值

4 结 论

(1)通过建立典型5档线路不均匀冰计算模型，计算得出等档距300 m、400 m、500 m和600 m在导地线3种不同覆冰工况下所要求的垂直线间距离(见表1～表3)。

(2)综合考虑重冰区工程应用情况和铁塔结构安全性，同时结合不同工况下垂直线间距离计算值，推荐了实际工程中不同档距下上层导线或地线覆冰状态校验条件(见表4)。

(3)给出了300 m、400 m、500 m和600 m档距下导线间垂直线间距离和地线支架高度推荐值(见表4)，为500 kV重冰区同塔双回线路塔头设计提供参考。

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