110 kV 四回路由垂直排列变为水平排列钢管杆设计研究

张 辉，蒋 锋，刘正茂，周嘉勋

（国网浙江省电力公司湖州电力设计院有限公司，浙江 湖州 313000）

0 引言

在社会经济和电网建设高速发展过程中，经常遇到线路通道狭窄的情况，特别是在高压变电站附近，进出线路多，线路通道会相当紧张。因此须要在线路通道相当紧张的地方使用多回路的架空输电线路杆塔。目前，湖州地区经济也在飞速发展，区域内企业众多，土地资源紧张，地方政府已经对土地作规划，受地方政府规划、地方政府用地及现场立塔条件等因素限制，个别塔位被限制在很小的范围内，其他位置立塔与地方政府规划相矛盾，影响地方政府土地利用及招商，很难取得地方政府路径意见，影响电网项目建设，因此也会时常遇到线路通道狭窄的情况。

本文结合某220 kV 变电站110 kV 配套送出工程，该工程处于长兴县经济技术开发区内，新建线路通道受到当地政府规划部门制约，须沿建成道路走线，且道路两侧企业建筑控制线已经政府规划核准，本期配套线路只能在道路绿化带和企业建筑控制线之间的狭窄通道内通过，其通道宽度为2 m ×11 m，常规铁塔及钢管杆已不能满足线路风偏安全距离的要求，因此，设计推荐在本期配套线路陆汇路段中，采用新开发垂直排列紧缩型四回路钢管杆以满足实际需要。新建垂直四回路线路须在下箬变附近接到已建水平排列四回路线路上，因此提出了对110 kV 四回路由垂直排列变为水平排列钢管杆设计的设计方案。

1 四回路垂直排列转水平排列的接线方式研究

常规线路四回路垂直排列杆型如图1 所示，四回路水平排列杆型如图2 所示。

图1 常规四回路垂直排列杆型图

图2 常规四回路水平排列杆型图

常规四回路垂直排列转水平排列接线方式如图3 所示，该种接线方式下不同回路各相间最小线间距离如表1 所示。

表1 常规四垂直平转水平接线方式下不同回路各相间最小线间距离表m

图3 常规四垂直平转水平接线方式

由表1 可以看出，该种接线方式下，多处相间线间距不足1 m，不能满足规程要求[1]，故四回路垂直排列转水平排列，常规接线方式不能满足要求。

为解决线间距问题，设计考虑把垂直四回路杆型塔头重新设计，以增加线间距离，重新设计后的垂直转水平杆型如图4 所示。

图4 四回垂直转水平排列杆型图

通过新设计杆型与水平排列四回路杆连接，接线方式如图5 所示。该种接线方式下不同回路各相间最小线间距离如表2 所示。

表2 新设计四垂直平转水平接线方式不同回路各相间最小线间距离表

图5 新设计四回垂直转水平排列杆型接线方式

由表2 可以看出，该种接线方式下各回路相间线间距至少保证3.5 m，均能满足规程要求。故四回路垂直转水平排列杆型接线方式可行。

2 电气部分

2.1 设计条件

气象条件，采用DL/T 5582—2020《架空输电线路电气设计规程》中附录A 的典型气象区（Ⅱ）[2]。主要数据：最大风速27 m/s，覆冰厚度5 mm， 最高气温40 ℃，最低气温-10 ℃。导线、地线分别采用JL/G1A-300/25 钢芯铝绞线和JLB20A-100 铝包钢绞线，导线综合应力安全因数取8.0，地线综合应力安全因数取10.0，导线最大破坏张力考虑0.95 的新线系数，地线最大破坏张力考虑1 的新线系数。导线平均运行张力25%，地线平均运行张力20%。水平档距取200 m，呼称高取21 m。

2.2 塔头尺寸规划

2.2.1 地线支架高确定

地线支架高度是按防止导、地线之间闪络和防雷要求来确定的。主要按以下原则考虑[1]：

为使地线与导线在发生不均匀覆冰和导线各档不均匀脱冰跳跃及静止后，二者之间的接近距离不致发生闪络。档距中央导地线线间的最小距离受导线不均匀覆冰时静态接近、导线脱冰跳跃时动态接近以及导线舞动时动态接近等因素影响。

根据防雷要求，在气温15 ℃无风条件下， 档距中央导线与地线间距离，保持S≥0.012L+1 。式中：S为导线与地线间的距离；L为档距。

杆塔上2 根地线之间的距离，不应超过地线与导线间垂直距离的5 倍。

地线对导线的保护角按小于0°考虑。

经过计算确定该四回路钢管杆地线支架高为3.0 m。

2.2.2 线间距离计算

在线间距离方面，各国均有缩小的趋势。从全国和华东收集事故资料来看，均无查得由于线间距离不够，而发生事故。根据《架空输电线路电气设计规程》，悬垂绝缘子串系数如表3 所示，经过计算确定该四回路钢管杆上下各双回路导线横担层间距为3.7 m，两回路间横担层间距为4.0 m；上层回路上、下层横担长度取2.3 m、中层横担长度取2.8 m；下层回路上、下层横担长度取6.3 m、中层横担长度取6.8 m，塔头尺寸如图6 所示。

表3 Ki 系数表

图6 垂直转水平四回路钢管杆塔头尺寸

2.2.3 塔头间隙圆绘制

间隙圆图原则[3]：耐张塔跳线耐张串大风工况水平风偏角按5°计，固定式防风偏跳线串偏移角按15°计，串长按3.0 m 计，单跳串跳线弧垂按1.6 m 计。

悬垂串的风偏计算时，风压不均匀系数α 取值如表4 所示。

表4 风压不均匀系数α

电气间隙圆中对横担考虑综合裕度200 mm，对塔身考虑综合裕度300 mm，主材宽度及脚钉等间隙要求在塔头布置时考虑。

根据以上原则该垂直转水平排列四回路钢管杆塔头间隙圆如图7 所示。

图7 垂直转水平四回路钢管杆塔头间隙圆

3 结构部分

3.1 设计方法

杆塔结构设计是在满足线路电气性能要求的基础上，通过荷载计算、结构体系选择、结构内力与变形分析，强度、稳定和刚度等计算，得出最优的杆塔型式的过程。设计中采取以概率论为基础的极限状态设计方法，用可靠度指标度量结构构件的可靠度[4]。

结构或构件的强度、稳定和连接强度，按承载能力极限状态的要求，采用荷载的基本组合。

结构或构件的变形，按正常使用极限状态要求，采用荷载的标准组合。

在结构和构件的强度、稳定及变形均满足要求的基础上，对杆塔进行优化，使杆塔及基础综合指标最优并且外形美观。

钢管塔计算采用梁－杆混合模型，考虑杆端弯矩（次弯矩）对主材强度、稳定性的影响。

3.2 结构设计

3.2.1 钢管杆建模

设计采用北京百合钢管杆设计软件建模计算。该钢管杆模型单线图如图8 所示。

图8 四回路垂直排列转水平排列杆型模型单线图

3.2.2 设计原则

（1）重要性系数

四回路杆塔结构重要性系数取1.1。

（2）杆塔荷载

风荷载重现期取30 年一遇。

基本风速按离地10 m 基准高度，10 min 时距取值；风压高度变化系数和风荷载体型系数μs 按GB 50545—2010《110 kV～750 kV 架空输电线路设计规范》的规定取值[1]。

风荷载调整系数为βz。

杆塔全高不超过60 m 时，杆塔风荷载调整系数按GB 50545—2010《110 kV～750 kV 架空输电线路设计规范》的规定[1]，对全高采用统一的系数；杆塔全高超过60 m 时，按GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》分段计算[5]，采用由下至上逐段增大的数值，并保证加权平均值不小于1.6。

（3）纵向荷载

杆塔纵向荷载的取值按GB 50545—2010《110 kV～750 kV 架空输电线路设计规范》的要求执行[1]。

断线工况导、地线断线张力（不平衡张力）取值，均取导地线最大张力100%。

不均匀冰工况导地线不平衡张力取值，不考虑不均匀覆冰工况。

（4）安装附加荷载

施工附加荷载：导线耐张塔取2.0 kN；地线取1.5 kN。

耐张塔施工临时拉线考虑平衡导、地线张力的30%。

（5）荷载组合

荷载组合按GB 50545—2010《110 kV～750 kV架空输电线路设计规范》的要求执行[1]，荷载组合及相应组合系数如表5 所示。

表5 组合系数

3.2.3 计算结果

经计算对比，该四回钢管杆主杆采用梢径500 mm、根径1 340 mm 多边形钢管、壁厚12 mm～20 mm，上层2 300 mm 及2 800 mm 横担采用壁厚8 mm 箱型横担，下层6 300 mm 及6 800 mm 横担采用8 mm 厚多边形管状横担，此种计算结果既能满足结构稳定及强度要求，造价也最低。

4 结束语

确定了两侧钢管杆导、地线挂点，确保了线间距离合理安全且经济。

确定了工频电压、操作过电压和雷电过电压作用下塔头间隙距离。同时线路通道满足地方政府城市规划要求，降低了工程造价。

确定了四回路由垂直排列变为水平排列钢管杆结构尺寸及钢管杆结构图，保证了该钢管杆实际实施的可行性。同时通过钢管杆结构的优化设计降低了工程造价。