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摘要：近年来随着电网技术的不断发展，国家电网公司大力支持和推广输变电工程通用设计，推进标准化建设，充分发挥规模化效应，提高了电网工程建设质量和管理效率；是大力提高集成创新能力，促进资源节约型、环境友好型社会建设的重要体现。特别是1000千伏特高压皖电东送淮南至上海特高压工程的钢管塔通过塔头的优化，节省了近几万吨塔材，仅此项节约造价就几个亿，结合本次一级建造师继续教育的学习过程，本人作为一名设计人员，以《国家电网公司输变电工程通用设计220kV输电线路分册(2011年版)》为基础，以我参与设计的安徽滁州定远—张桥110kV线路工程为依托，结合工程实际，谈点我关于输电线路杆塔塔头设计的一点心得体会，偏颇或不到之处请予指正。
關键词：输电线路 杆塔 塔头 间隙 设计
中图分类号： S611文献标识码：A文章编号：
1 概述
工程背景：定远—张桥110kV线路工程，由滁州定远变110kV构架起，至张桥变110kV构架止；线路全线采用同塔双回架设，导线采用LGJ-240/30钢芯铝绞线，地线一根采用GJ-80镀锌钢绞线、另一根采用16芯OPGW复合地线光缆；设计气象条件采用2510气象区。沿已建成城市型道路采用钢管杆，其余采用自立式角钢塔架设。2012年该工程在安徽省电力公司组织开展的110kV输变电工程优秀设计评选中获得二等奖。
鉴于滁州定远—张桥110kV线路工程建设规模，在设计之初，该工程便按设计创优工程进行设计。由于线路工程杆塔费用所占工程本体投资比例较高，故结合工程实际情况，设计人员提出对线路杆塔塔头进行设计控制，确保了工程建设的合理性和经济性。本篇重点论述杆塔规划中塔头设计规划，包括导线间水平距离、导线垂直相间距离、导地线水平偏移、导地线空间距离及地线间的距离、防雷保护角及空气间隙等六个方面内容。
2 塔头设计规划
2.1 导线间水平距离
档距中央导线间水平距离主要决定于大风引起的导线不同步摆动（或舞动）的条件，保证在正常工作电压下不应使空气间隙击穿。对于操作过电压和雷电过电压，由于其与大风工况同时出现并引起导线不同步摆动（或舞动）的概率较小，因此不作为确定档距中央导线间水平距离的控制条件。
导线不同步摆动（或舞动）的条件的产生，除风的作用外又与其他许多因素有关，因此各国确定导线水平距离的数据或公式是根据线路的大量运行经验得出的。对1000m以下档距导线水平线间距离宜按式(2.1)计算
(2.1)
式中
D——导线水平线间距离，m
ki ——悬垂绝缘子串系数，见表2.1
——悬垂绝缘子串长度，m
U——送电线路标称电压，kV
——导线最大弧垂，m
注：一般情况下，使用悬垂绝缘子串的杆塔，其水平线间距离与档距的关系可按规范中规定取值。
表2.1悬垂绝缘子串系数ki
2.2 导线垂直相间距离
导线垂直排列的垂直线间距离 宜采用式(2.1)计算结果的 75%。定远—张桥110kV线路工程直线塔均采用了悬垂绝缘子串，其垂直线间距离不宜小于表2.2所列数值。
表 2.2 使用悬垂绝缘子串杆塔各导线间水平距离和垂直距离单位（m）
注：本工程主要采用1H模块角钢塔及部分自行设计的钢管杆，其中使用悬垂绝缘子串直线钢管杆11基，直线角钢塔55基。
2.3 导地线水平偏移
根据规范规定，上下层相邻线间或地线与相邻导线间的最小水平偏移按下表2.3-1取值。考虑导线的分裂间距后，本工程上下层相邻导线间的水平偏移按0.5m设计，地线与相邻导线间的水平偏移按0.6m～0.7m设计。
表 2.3-1 上下层相邻线间或地线与邻导线间的最小水平偏移 单位（m）
注：无冰区可不考虑水平偏移。设计冰厚5mm 地区，上下层相邻导线间或地线与相邻导线间的水平偏移，可根据运行经验参照表2.3适当减少。设计冰厚15mm 地区，新规程没有规定，结合《110～500kV架空输电线路设计技术规程》（DL/T 2092-1999）的规定，填写表2.3-1。
安徽省在2008年1月份也发生多处覆冰倒塔事故，同时考虑到本工程位于皖北地区，属于轻冰区，故角钢塔部分相邻导地线间水平偏移、导线间水平偏移按设计冰厚10mm进行设计，具体规划设计值如下表2.3-2。
表2.3-2相邻导地线、导线之间水平偏移值
2.4 导地线空间距离及地线间的距离
线路档距中央导线和地线间的空间距离应按雷击档距中央地线时不致使二者间的空气间隙击穿来确定。
对于一般档距，由于档距长度不是很大，当雷击档距中央地线时，在雷电流未达到最大值之前，从杆塔接地装置反射回来的负波已达到雷击点，因而限制了雷击点的电位升高。根据我国大量的运行经验，在一般档距的档距中央，导线与地线间的距离，应按下式计算：
S≥0.012L+1 （式2.4）
式中：S——导线与地线间的距离 m；
L——档距 m。
注:设计条件：气温15℃，无冰、无风（本公式只适用于一般档距）
2.5 防雷保护角
新规范规定：对于同塔双回或多回路，110kV杆塔上地线对边导线的保护角不宜大于10°，220kV及以上线路的保护角均不宜大于0°本工程所有杆塔均按照双地线设计。采用10°保护角将雷击跳闸率有效地控制在预期值范围内。导线、地线间的距离应满足其规范要求。
2.6 空气间隙
2.6.1 塔头空气间隙的确定
对输电线路而言，塔头各种空气间隙的确定，是塔头尺寸确定及塔头结构设计的基础。因此，各种空气间隙的确定是研究的核心问题之一。
风偏后导线对杆塔的最小空气间隙，应分别满足工频电压、操作过电压及雷电过电压的要求。
2.6.2 高海拔修正
由于本工程线路经过地区海拔高度均在1000米以下， 故不在对海拔高度进行修正。
2.6.3 工频电压间隙
根据《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》(DL/T 620-1997)的规定：风偏后线路导线对杆塔空气间隙的工频50%放电电压U50％应符合下式要求：
U50 ％ ≥K2·Um / (2.6-1)
式中：
K2 ——线路空气间隙工频电压统计配合系数，本线路绝缘子型式为I串，取1.40 。
Um ——最高运行电压 kV 。
本工程海拔≤1000m ，参照《110～750kV架空输电线路设计规范》有关规定选取工频电压间隙距离0.25m 。
2.6.4 操作过电压间隙
根据《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》(DL/T 620-1997)的规定：风偏后线路导线对杆塔空气间隙的正极性操作冲击电压波50%放电电压U50% 应符合下式要求：
U50 ％ ≥K3·US(2.6-2)
式中：
US － 线路相对地统计操作过电压， kV 。
K3 － 线路空气间隙操作过电压统计配合系数，本线路绝缘子型式为I串，取 1.10 。
参照《110～750kV架空输电线路设计规范》有关规定选取工频电压间隙距离0.70m 。
2.6.5 雷电过电压间隙
在雷電过电压情况下，其空气间隙的正极性雷电冲击放电电压应与绝缘子串的 50% 雷电冲击放电电压相匹配。不必按绝缘子串的50%雷电冲击放电电压的 100% 确定间隙，只需按绝缘子串的50%雷电冲击放电电压的80%确定间隙(按e级污秽区3.8cm/kV的要求的绝缘长度配合) 。
参照《110～750kV架空输电线路设计规范》有关规定选取工频电压间隙距1.00m。
2.6.6 带电作业间隙
在《带电作业工具基本技术要求及设计导则》标准中，规定可以接受的危险率水平为 1.0×10 -5 。 检修人员停留在线路上进行带电作业时，系统不可能发生合闸空载线路操作，并应推出重合闸。而单相接地分闸过电压是确定带电作业安全距离时必须考虑的过电压。
在海拔高度1000m以下地区，带电作业时，带电部分对杆塔与接地部分的校验间隙为1.0m，对操作人员需要停留工作的部位，还应考虑人体活动范围0.5m。
2.6.7 空气间隙结论
本工程线路合理选取空气间隙，对保证线路安全运行，有效控制工程投资十分重要。本线路所经地区海拔高度在10～1000米(黄海)之间，根据《110～750kV架空输电线路设计技术规范》的规定， 最终塔头空气间隙选取如表2.6.。
表2.6 双回路空气间隙及同时风速
注：对于操作人员需要停留工作的部位，还应考虑人体活动范围0.5m。（气温：15℃）。α值为风压不均匀系数。
杆塔全高超过40m有地线的杆塔，考虑每增加10m应加 1片绝缘子（相当于高度为146mm的绝缘子），其对应雷电过电压间隙应相应增大。本工程按此进行杆塔规划和风偏校验。
2.6.8 间隙圆图
（1）风偏角计算。计算直线塔悬垂串风偏角时，除跨越塔外，各塔型均以下导线为基准高度，分别推算上、中、下导线高空风压系数。计算悬垂绝缘子串风偏角时，采用复合绝缘子计算。当基本风速≥27m/s时，风压不均匀系数α取0.61，当20m/s≤基本风速＜27m/s时，取0.75，当基本风速＜20m/s时，取1.0。在具体工程校验杆塔电气间隙时，风压不均匀系数α随水平档距变化取值。计算跳线串风偏角时，按挂满重锤片后重量计算，风压不均匀系数取1.2。
参照以上原则分别计算出上、中、下相在最大风速、操作过电压、雷电过电压、带电作业等工况下的风偏角。
（2）串型设计。
直线塔按照双联I型串规划塔头，同时满足工程应用中挂两个独立单联作为双联I型串。
（3）塔头厚度影响。绘制铁塔间隙圆图时，应考虑塔头宽度的影响，在子导线的下导线处增加垂直下偏量和水平偏移量和水平偏移量，然后在此基础上绘制间隙圆。各塔型的垂直下偏量和水平偏量应根据各塔型的具体规划条件经计算合理确定。
3结束语
综上所述，输电线路杆塔塔头设计目标在于满足技术要求的条件下使工程造价最低。杆塔规划的系列塔型方案越多，综合造价就越低；本篇论文主要从杆塔塔头设计出发，通过实际工程及理论分析，包括对相邻导地线、导线与导线之间电气间隙的计算、防雷保护角计算及空气间隙圆图的绘制，为杆塔塔头设计提供了理论依据，对整个工程技术经济指标的控制起到了十分重要的意义。
参考文献：
[1]张殿生．电力工程高压送电线路设计手册（第二版）/国电公司，东北电力设计院编．2003（1）：120～134
[2]刘振亚．国家电网公司输变电工程通用设计110kV输电线路分册(2005年版)．国家电网公司颁布，2009(5)：204～230
關键词：输电线路 杆塔 塔头 间隙 设计
中图分类号： S611文献标识码：A文章编号：
1 概述
工程背景：定远—张桥110kV线路工程，由滁州定远变110kV构架起，至张桥变110kV构架止；线路全线采用同塔双回架设，导线采用LGJ-240/30钢芯铝绞线，地线一根采用GJ-80镀锌钢绞线、另一根采用16芯OPGW复合地线光缆；设计气象条件采用2510气象区。沿已建成城市型道路采用钢管杆，其余采用自立式角钢塔架设。2012年该工程在安徽省电力公司组织开展的110kV输变电工程优秀设计评选中获得二等奖。
鉴于滁州定远—张桥110kV线路工程建设规模，在设计之初，该工程便按设计创优工程进行设计。由于线路工程杆塔费用所占工程本体投资比例较高，故结合工程实际情况，设计人员提出对线路杆塔塔头进行设计控制，确保了工程建设的合理性和经济性。本篇重点论述杆塔规划中塔头设计规划，包括导线间水平距离、导线垂直相间距离、导地线水平偏移、导地线空间距离及地线间的距离、防雷保护角及空气间隙等六个方面内容。
2 塔头设计规划
2.1 导线间水平距离
档距中央导线间水平距离主要决定于大风引起的导线不同步摆动（或舞动）的条件，保证在正常工作电压下不应使空气间隙击穿。对于操作过电压和雷电过电压，由于其与大风工况同时出现并引起导线不同步摆动（或舞动）的概率较小，因此不作为确定档距中央导线间水平距离的控制条件。
导线不同步摆动（或舞动）的条件的产生，除风的作用外又与其他许多因素有关，因此各国确定导线水平距离的数据或公式是根据线路的大量运行经验得出的。对1000m以下档距导线水平线间距离宜按式(2.1)计算
(2.1)
式中
D——导线水平线间距离，m
ki ——悬垂绝缘子串系数，见表2.1
——悬垂绝缘子串长度，m
U——送电线路标称电压，kV
——导线最大弧垂，m
注：一般情况下，使用悬垂绝缘子串的杆塔，其水平线间距离与档距的关系可按规范中规定取值。
表2.1悬垂绝缘子串系数ki
2.2 导线垂直相间距离
导线垂直排列的垂直线间距离 宜采用式(2.1)计算结果的 75%。定远—张桥110kV线路工程直线塔均采用了悬垂绝缘子串，其垂直线间距离不宜小于表2.2所列数值。
表 2.2 使用悬垂绝缘子串杆塔各导线间水平距离和垂直距离单位（m）
注：本工程主要采用1H模块角钢塔及部分自行设计的钢管杆，其中使用悬垂绝缘子串直线钢管杆11基，直线角钢塔55基。
2.3 导地线水平偏移
根据规范规定，上下层相邻线间或地线与相邻导线间的最小水平偏移按下表2.3-1取值。考虑导线的分裂间距后，本工程上下层相邻导线间的水平偏移按0.5m设计，地线与相邻导线间的水平偏移按0.6m～0.7m设计。
表 2.3-1 上下层相邻线间或地线与邻导线间的最小水平偏移 单位（m）
注：无冰区可不考虑水平偏移。设计冰厚5mm 地区，上下层相邻导线间或地线与相邻导线间的水平偏移，可根据运行经验参照表2.3适当减少。设计冰厚15mm 地区，新规程没有规定，结合《110～500kV架空输电线路设计技术规程》（DL/T 2092-1999）的规定，填写表2.3-1。
安徽省在2008年1月份也发生多处覆冰倒塔事故，同时考虑到本工程位于皖北地区，属于轻冰区，故角钢塔部分相邻导地线间水平偏移、导线间水平偏移按设计冰厚10mm进行设计，具体规划设计值如下表2.3-2。
表2.3-2相邻导地线、导线之间水平偏移值
2.4 导地线空间距离及地线间的距离
线路档距中央导线和地线间的空间距离应按雷击档距中央地线时不致使二者间的空气间隙击穿来确定。
对于一般档距，由于档距长度不是很大，当雷击档距中央地线时，在雷电流未达到最大值之前，从杆塔接地装置反射回来的负波已达到雷击点，因而限制了雷击点的电位升高。根据我国大量的运行经验，在一般档距的档距中央，导线与地线间的距离，应按下式计算：
S≥0.012L+1 （式2.4）
式中：S——导线与地线间的距离 m；
L——档距 m。
注:设计条件：气温15℃，无冰、无风（本公式只适用于一般档距）
2.5 防雷保护角
新规范规定：对于同塔双回或多回路，110kV杆塔上地线对边导线的保护角不宜大于10°，220kV及以上线路的保护角均不宜大于0°本工程所有杆塔均按照双地线设计。采用10°保护角将雷击跳闸率有效地控制在预期值范围内。导线、地线间的距离应满足其规范要求。
2.6 空气间隙
2.6.1 塔头空气间隙的确定
对输电线路而言，塔头各种空气间隙的确定，是塔头尺寸确定及塔头结构设计的基础。因此，各种空气间隙的确定是研究的核心问题之一。
风偏后导线对杆塔的最小空气间隙，应分别满足工频电压、操作过电压及雷电过电压的要求。
2.6.2 高海拔修正
由于本工程线路经过地区海拔高度均在1000米以下， 故不在对海拔高度进行修正。
2.6.3 工频电压间隙
根据《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》(DL/T 620-1997)的规定：风偏后线路导线对杆塔空气间隙的工频50%放电电压U50％应符合下式要求：
U50 ％ ≥K2·Um / (2.6-1)
式中：
K2 ——线路空气间隙工频电压统计配合系数，本线路绝缘子型式为I串，取1.40 。
Um ——最高运行电压 kV 。
本工程海拔≤1000m ，参照《110～750kV架空输电线路设计规范》有关规定选取工频电压间隙距离0.25m 。
2.6.4 操作过电压间隙
根据《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》(DL/T 620-1997)的规定：风偏后线路导线对杆塔空气间隙的正极性操作冲击电压波50%放电电压U50% 应符合下式要求：
U50 ％ ≥K3·US(2.6-2)
式中：
US － 线路相对地统计操作过电压， kV 。
K3 － 线路空气间隙操作过电压统计配合系数，本线路绝缘子型式为I串，取 1.10 。
参照《110～750kV架空输电线路设计规范》有关规定选取工频电压间隙距离0.70m 。
2.6.5 雷电过电压间隙
在雷電过电压情况下，其空气间隙的正极性雷电冲击放电电压应与绝缘子串的 50% 雷电冲击放电电压相匹配。不必按绝缘子串的50%雷电冲击放电电压的 100% 确定间隙，只需按绝缘子串的50%雷电冲击放电电压的80%确定间隙(按e级污秽区3.8cm/kV的要求的绝缘长度配合) 。
参照《110～750kV架空输电线路设计规范》有关规定选取工频电压间隙距1.00m。
2.6.6 带电作业间隙
在《带电作业工具基本技术要求及设计导则》标准中，规定可以接受的危险率水平为 1.0×10 -5 。 检修人员停留在线路上进行带电作业时，系统不可能发生合闸空载线路操作，并应推出重合闸。而单相接地分闸过电压是确定带电作业安全距离时必须考虑的过电压。
在海拔高度1000m以下地区，带电作业时，带电部分对杆塔与接地部分的校验间隙为1.0m，对操作人员需要停留工作的部位，还应考虑人体活动范围0.5m。
2.6.7 空气间隙结论
本工程线路合理选取空气间隙，对保证线路安全运行，有效控制工程投资十分重要。本线路所经地区海拔高度在10～1000米(黄海)之间，根据《110～750kV架空输电线路设计技术规范》的规定， 最终塔头空气间隙选取如表2.6.。
表2.6 双回路空气间隙及同时风速
注：对于操作人员需要停留工作的部位，还应考虑人体活动范围0.5m。（气温：15℃）。α值为风压不均匀系数。
杆塔全高超过40m有地线的杆塔，考虑每增加10m应加 1片绝缘子（相当于高度为146mm的绝缘子），其对应雷电过电压间隙应相应增大。本工程按此进行杆塔规划和风偏校验。
2.6.8 间隙圆图
（1）风偏角计算。计算直线塔悬垂串风偏角时，除跨越塔外，各塔型均以下导线为基准高度，分别推算上、中、下导线高空风压系数。计算悬垂绝缘子串风偏角时，采用复合绝缘子计算。当基本风速≥27m/s时，风压不均匀系数α取0.61，当20m/s≤基本风速＜27m/s时，取0.75，当基本风速＜20m/s时，取1.0。在具体工程校验杆塔电气间隙时，风压不均匀系数α随水平档距变化取值。计算跳线串风偏角时，按挂满重锤片后重量计算，风压不均匀系数取1.2。
参照以上原则分别计算出上、中、下相在最大风速、操作过电压、雷电过电压、带电作业等工况下的风偏角。
（2）串型设计。
直线塔按照双联I型串规划塔头，同时满足工程应用中挂两个独立单联作为双联I型串。
（3）塔头厚度影响。绘制铁塔间隙圆图时，应考虑塔头宽度的影响，在子导线的下导线处增加垂直下偏量和水平偏移量和水平偏移量，然后在此基础上绘制间隙圆。各塔型的垂直下偏量和水平偏量应根据各塔型的具体规划条件经计算合理确定。
3结束语
综上所述，输电线路杆塔塔头设计目标在于满足技术要求的条件下使工程造价最低。杆塔规划的系列塔型方案越多，综合造价就越低；本篇论文主要从杆塔塔头设计出发，通过实际工程及理论分析，包括对相邻导地线、导线与导线之间电气间隙的计算、防雷保护角计算及空气间隙圆图的绘制，为杆塔塔头设计提供了理论依据，对整个工程技术经济指标的控制起到了十分重要的意义。
参考文献：
[1]张殿生．电力工程高压送电线路设计手册（第二版）/国电公司，东北电力设计院编．2003（1）：120～134
[2]刘振亚．国家电网公司输变电工程通用设计110kV输电线路分册(2005年版)．国家电网公司颁布，2009(5)：204～230