(广东瑞兴电力工程技术有限公司 广东佛山 528200)
摘要:根据笔者在高压架空输电线路设计中的经验，阐述设计相关注意事项和问题解决方法，最后对设计理念进行总结。
关键词:架空输电线路 设计
输电线路是电力系统的组成部分，担负着输送和分配电能的任务，并联络各发电厂、变电站使其并列运行，实现电力系统联网。
本文围绕高压输电线路的路径选择、杆塔定位、导线和地线、绝缘子串设计、铁塔和基础设计等方面进行探讨，希望对初学者有所帮助。
1、路径选择
接到输电线路设计任务后，首先需要收集线路起止点的最新地形图，再结合Google Earth在路径图上选择线路路径，拟定几个方案作初步技术经济比较，然后进行现场踏勘和详细研究，选择出技术经济合理的最佳方案。
两点之间直线最短，最好是一条直线连起两个变电站，但现实中是不可能的；路径选择要注意对周边环境的影响，应避开不良地质地带、易舞区及严重影响安全运行的地区，并考虑与邻近设施如电台、油库、机场及军事设施等的相互影响；线路对附近村庄、房屋都有风偏安全距离要求，选线时应注意避让。
有人认为，一个输电线路设计，线路越短，投资越少，指标越低，就是最好的设计；其实不然，我们要用科学发展观的观点判断，综合效益最高的设计才是优秀的设计。既要技术先进，选材经济合理，又要符合城市规划，合理利用土地，还要施工方便可行，特别是要长期运行安全，维护费用少，综合效益高，才是我们设计的指导思想。
1.1 配合城市规划和规划变电站
选线前应向政府规划部门收集最新规划图纸，输电线路路径应与城市规划相配合，尽量提高土地利用率，同时避免工程实施阶段大面积改线。
在新建变电站的出线侧规划好各回路出线位置，要为以后的出线留出位置； 500kV罗洞站220kV向南出线，东南侧离村庄很近，向东架设的罗洞至三水甲线原设计把线路摆在空挡中间，导致罗洞至三水乙线无法出线，只好拆除甲线重新布置。正确的做法是提前规划好远期出线位置，再确定本期线路位置；还有一种做法是甲线紧贴村庄架设，防止村庄北扩，为远期出线留出位置。在路径狭窄地段，宜考虑双回路或多回路共塔，为远期出线留出路径。
若所设计线路中某一位置附近有规划变电站，线路尽量靠近它，尽管有些曲折，长度有所增加，从远期来看是更合理的，可以避免重复投资，或者给以后的电网改造增加麻烦。
1.2 掌握已有杆塔使用条件
选择路径需到现场踏勘，转角位置和重要的跨越塔位需现场调查确定。设计人应掌握已有杆塔资料，相应气象条件下各导线对应的塔型、呼称高、根开等，选线时尽量使已有塔型能满足工程需要，避免新设计杆塔，特别是大转角又做高跨越的杆塔应极力避免，这种杆塔无论是杆塔本身和基础设计难度都很大，而且所耗钢材量较大，对工程造价影响较大。正确的设计应该是直线杆塔高，转角杆塔尽可能矮，用直线杆塔完成跨越。
1.3 重要交叉跨越
跨越通航河流的，首选跨越距离短，或有高地等有利地形可利用的位置；跨越铁路、高速公路及110kV及以上线路，既要考虑交叉跨越地点，又要考虑是否有合适交叉跨越的立塔位置。重要交叉跨越需采用独立耐张段，交叉角尽可能接近90°，不得小于45°；交叉角小，交叉面积就大，不仅需要较高的跨越杆塔，施工所需跨越架也较长较高，对于长期运行来说，也不够安全。
2、杆塔定位
杆塔定位是线路设计的重要组成部分，杆塔位置安排得是否合理，直接关系到输电线路的造价和施工、运行的方便与安全。
塔位布置时，应尽量避免拆除现有线路、房屋等设施，尽量避免开土方。线路的转角塔、跨越塔塔位要可靠，不能有塌陷、下沉的风险。直线塔位置不理想尚可前后调整，转角塔要移动就很困难。转角塔一般要进行紧线施工，最好选择有施工场地且交通便利的位置，便于运输线盘、布置紧线机具和运行检修。
2.1 耐张段长度
线路耐张段长以不大于5km为宜，特别是需架设光缆的线路。耐张段过长，放紧线难度较大，而光缆制造长度一般为5km，最长也只能达6km；光缆接头盒一般安装在耐张塔上，当然，特殊设计的悬垂式耐张串也可安装，但其放紧线施工较难控制，运行维护也不方便。所以，即使线路路径直线段很长，也宜在5km左右设置直线耐张塔。
2.2 重要跨越
重要交叉跨越一般采用“耐-直-直-耐”的独立耐张段设计，一方面重要跨越的设计条件高于一般线路，另一方面独立耐张段不仅便于施工，对于限制事故范围，以及运行维护和事故抢修都较方便。对于较重要的铁路、高速公路、高架桥等要求抢修时间短的跨越，其耐张段长也应适当缩短。
跨越杆塔的位置，要考虑施工的方便和运行的安全。线路跨越高压线时，离跨越物越近，杆塔高度越小就越经济，但太近会导致施工不便，甚至要停电施工，所引起的窝工费用和停电损失往往比节省的杆塔高度费用多很多，给运行人员登塔检查带来的难度和危险也大很多。
2.3 线路解口和分支塔布置
对于运行线路解口，宜在解口点设置一个孤立档。一方面施工时可减少停电时间，另一方面可通过张力调整尽量维持原有杆塔的受力，保证安全的同时避免对原有杆塔的验算加固的麻烦。
四回路转为两个双回路的最佳方案，是在四回路高塔下布置一基耐张塔，仅分支的线路侧挂地线，分支塔角度最好不小于45°，以保证回路间电气安全距离。四回路进站也可采用类似的方法，但由于终端塔离构架较近，若档距小于50m，上双回路进站的线间距离很难满足规程要求；还可以让四回路的下双回进站，上双回向前设置双回终端塔进站，由于两基终端塔距离很近，使用时需核实线间距离是否满足要求。
3、导线和地线
3.1 导线
线路的导线截面是根据规划输送容量而定的，一般设计任务下达时已经明确。但大跨越段往往为了减小跨越塔高度而选择不降低输送容量而钢芯较多、机械强度较大的导线，甚至特殊设计的导线。
在珠三角地区，导线安全系数取k=2.5，年平均运行张力取25％，实际上导线张力是受年平均气温条件控制的，也就是说，最大使用张力达不到k=2.5时的张力，折算后的安全系数约为k=2.95，了解这一特性，就知道杆塔和基础受力按k=2.5设计，实际上是有约10％～15％裕度的。
3.2 地线
在满足热稳定的前提下，线路的架空地线一般按照与导线相配合的原则确定。规程规定，地线的设计安全系数不应小于导线的设计安全系数；若地线的机械强度不够，为满足在档距中央地线与导线净空距离要求，地线的弧垂必须减小，张力必须加大，其设计安全系数就很难满足大于或等于导线的设计安全系数。在不打拉线的直线水泥杆设计中，架空地线还起到地线支持力的作用，是直线水泥杆强度计算不可忽略的因素。
有人认为，架空地线越粗越安全。实际上，架空地线断线的几率是很低的，而越粗的架空地线，张力越大，杆塔和基础长期承受较大的机械荷载，更对线路安全不利。
对于架空地线，在满足档距中央与导线的净空距离满足（0.012L+1）米大气过电压要求的前提下，尽可能放松，当然要留有一定裕度。特别注意的是，年平均运行张力的降低，对电线防振是极为有利的。
4、绝缘子串设计
绝缘子串设计原则有三，一是要符合强度要求，二是要转动灵活，三是要满足电气安全距离要求。
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4.1 绝缘子材质选择
为提高防污闪效果，建议悬垂串采用复合绝缘子。由于复合绝缘子纵向强度高，侧向强度低，而且纵向强度随运行时间增加有所降低，施工和检修人员习惯坐在耐张串上，产生侧向力，容易断裂，不宜采用；耐张串雨水自清洁条件较好，推荐采用玻璃绝缘子。
4.2 悬垂绝缘子串
悬垂串用导地线的垂直荷载校验绝缘子和金具的强度。当杆塔的垂直档距较大时（如超过600m），就要校验单联悬垂串强度是否满足受力要求，不满足则采用双联串。
螺栓型悬垂线夹允许悬垂角为25°，预绞丝型悬垂线夹（包括光缆悬垂线夹）允许悬垂角为15°，当悬垂角超过允许值时，电线容易在线夹出口处疲劳断股。一般设计均选择低于悬垂角允许值而使用双悬垂串（可采用双联串或单联通过二联板挂双悬垂线夹），当垂直档距超过650m时一般考虑采用双悬垂线夹。
悬垂串要注意转动灵活，与杆塔连接的首金具配置也很重要。对于线路悬垂串来讲，垂直于线路方向的风吹摇摆是经常的、突然的，而顺线路方向因电线张力的变化产生的摆动是不经常的、缓慢的；当然，在事故断线时，顺线路方向产生突然的断线张力，但此时线已断，悬垂串发生问题对于断线事故来讲要小得多。因此，在条件允许的情况下，直线杆塔挂线采用顺线路方向的挂孔为宜。线路连续上下山时，电线是倾斜的，双联悬垂串前后受力不均，需通过二联板使双串同时受力。
4.3 耐张绝缘子串
耐张串要使导地线最大使用张力和事故断线张力的情况下，绝缘子和金具的强度满足要求。除进线档和小孤立档外，耐张串一般采用双联串。
耐张串与杆塔连接的第一金具一般为U型挂环或直角挂板，其开口尺寸必须不小于耐张塔的挂线板厚度。当转角度数较大时，若耐张串带电部分对导线横担电气安全距离不足，需在尾部（靠近挂点处）增加金具或绝缘子片数使串长增加，以满足电气安全间隙要求。耐张串在运行中有少许摆动，因此对横担的间隙距离应留有裕度。
5、导线相序
当单回路转接至双回路时，凡三角形或上字形杆塔，中相必须接双回路顶相，以保证导线间安全距离。经过变换，水平和垂直排列的杆塔就不一定能保持ABC或CBA的顺序排列，只有到终端处用双回路塔，无论何种相序均能调顺。进线档档距小，可以调整三相导线弧垂来保证安全的线间距离要求。
由于电力建设的发展，经常需要解口原有线路，不可避免需要调整相序，最好的办法就是在解口处布置双回路塔来调整相序。建设解口线路时，宜在解口处设法把相序调整好。
建设解口线路工程时，应避免在运行的变电站侧进线档处调整相序，这是因为，解口工程一般远离正在运行的变电站，施工人员调遣不便且容易忽略，同时，因进线档档距较小，调整相序调换挂点线长变化较大，至少需换两相导线，另外进线档引下线施工时变电站需部分停电。因此，最好的方法是在解口位置把相序调整好，对施工和运行都有利。
6、杆塔设计
杆塔设计，首先要确认铁塔的大致尺寸，回路数、排列方式、线间距离、杆塔的坡度等等。杆塔外形尺寸的确定，应符合以下要求：一是确定杆塔高度时，应满足导线对地面及交叉跨越物的垂直距离要求；二是导线与塔身的距离应满足内外过电压及正常工作电压的间隙要求，并满足带电作业的间隙要求；三是导线间水平距离或垂直距离应满足档距中央接近程度所需的距离；四是地线的布置应满足导线防雷保护的要求。
应该多收集一些杆塔设计的典型图纸，学习相关尺寸和数据布置。一般来说，杆塔主材规格应逐级加大而不是突然加大几级，斜材的结构方式多种，各有优缺点，有的是结构复杂螺栓多但耗钢量少，有的是结构简单螺栓少但耗钢量多，最好通过多种方案计算，找出规律。
在进行杆塔结构设计计算时，对作用在杆塔外部荷载的分析和选定计算是否合理，直接影响杆塔结构的安全性和经济性。比如，转角塔的横担主材，在何种状况下达到最大荷载？一般60°转角塔横担分别按30°和60°两种状况计算，90°转角塔横担分别按60°和90°两种状况计算等等。有专家证明，转角塔横担最大荷载发生在电线方向与横担对角线垂直时。对于珠三角地区，经常有解口、改线等情况，可能改变原有转角塔挂线方向，导致挂线方向与横担对角线垂直，产生横担最大荷载。因此，需将这一理念贯彻到杆塔设计过程中，以保证转角塔横担在任何方向挂线均有足够的强度。
7、基础设计
杆塔基础必须保证杆塔在各种受力情况下不倾覆、不下沉和不上拔，保证线路安全可靠、耐久地运行。为保证杆塔及基础本身的承载力的正常使用，杆塔基础计算时应考虑以下方面：一是地基承载力的计算，二是被动土抗力的计算，三是基础的强度计算。
多回路分歧塔横担如何布置最合理？在满足电气安全距离前提下，当然是基础受力越小越好，这是可以通过计算决定的。
我们可以将每回路导线按不同型号、不同安全系数，分别按前后方向与横担的夹角分解为横担轴线方向分力和垂直横担轴线方向分力；以其中一回的夹角为准，其他回路夹角均以该夹角的关系式表示。地线也一样按根数、张力、角度分解为横担轴线方向分力和垂直横担轴线方向分力。再按各线的挂线高度对塔脚取矩，然后按铁塔根开分解到四个塔脚上。最后，再将导地线风荷载和塔身风荷载按横担轴线方向计算，横担轴线方向按正吹和反吹分解到四个塔脚。将所有分解到塔脚的力叠加，得出各个塔脚的荷载，据此设计基础才是正确的。
终端塔尤其需按上述力的分解方法计算，才能正确找出各个塔脚上的设计荷载。转角大的终端塔，一般是三个塔脚上拔，一个塔脚下压，如果按普通转角两个塔脚上拔，两个塔脚下压设计是错误的。
8、设计理念总结
8.1加强计算和数据分析。
线路设计，力学计算很多，计算时，原始数据的选取应力求正确，接近实际；正确的原始数据，准确的计算，设计时才能胸有成竹。
使用计算结果时却要作分析，比如铁塔的选材，不是按满强度确定，因为一般塔材多是按负误差供应的，选用4mm厚的角钢，实际往往仅有3.6mm左右；再如，现浇基础因各种因素导致钢筋尺寸布置、砼搅拌和振捣无法达到专业标准，设计时就要留有一定裕度。
此外，计算的原始数据经常存在一些假定因素，这是不可避免的，若其中某些原始数据可靠性不大，也要做适当裕度考虑。
8.2 加强学习
收集和保存较佳的设计作品，可以是别人的设计作品，也可以是自己设计较全面、较优秀的设计成品，并随时更新、优化、完备。在新做设计时，与之相对比，能帮助自己发现错误，完善设计。
要经常到施工现场去，了解杆塔组立、导地线展放流程，考虑能否从设计角度改善施工条件或施工强度等。还要多与运行单位沟通，了解运行维护需要做哪些工作，能否从设计角度减少运行维护的工作量等，了解运行线路弧垂的变化、金具、防振等运行情况。了解设计效果，总结经验教训；一个不了解施工和运行的设计者，是不可能做出优秀的设计作品的。
另外还要加强新技术的学习，面对某些新技术时，努力去了解它，融会贯通，想一想能否改善它；如果满足于生搬硬套，就不会有创新，不会有进步。力求在设计中一次比一次完善，哪怕是一点点改进，做出较好的设计作品。
参考文献:
[1] 张殿生主编. 电力工程高压送电线路设计手册（第二版）. 中国电力出版社. 1999
[2] 许建安主编. 35～110kV输电线路设计. 中国水利水电出版社. 2003
[3] 孟遂民，孔伟，唐波编著. 架空输电线路设计（第二版）. 中国电力出版社. 2015
[4] 陈祥和，刘在国，肖琦主编. 输电杆塔及基础设计（第二版）. 中国电力出版社. 2013
论文作者:罗江桥
论文发表刊物:《电力设备》2018年第30期
论文发表时间:2019/4/11
标签：杆塔论文; 线路论文; 地线论文; 导线论文; 绝缘子论文; 转角论文; 荷载论文; 《电力设备》2018年第30期论文;