基于柔性复合材料的输电线路防风偏杆塔的制作方法

本实用新型涉及一种输电线路防风偏杆塔的结构，具体的说是一种基于柔性复合材料的输电线路防风偏杆塔。
背景技术：
：我国特/超高压架空输电线路单回直线杆塔多采用酒杯型或猫头型结构，边导线多采用I型绝缘子串。在极端大风条件下，上述现有的I型绝缘子串易发生偏移，进而使现有的特/超高压架空输电线路直线杆塔易受极端天气影响，从而使特/超高压架空输电线路的边相导线风偏闪络事故呈高发趋势。在电力网中,悬垂绝缘子串使用量很大，其在风载作下的风偏大小对输电线路的安全运行影响极大。架空输电线路是组成电网的重要部分，它量多面广,分布在空旷田野、山谷丘陵、河网地带。架空输电线路主要由杆塔(电杆和铁塔)、导线、地线、绝缘子和金具等组成。当有横向水平风荷载或电线横向水平分力作用于悬垂绝缘子串上时，悬垂绝缘子串将产生横向偏斜。这种偏斜可能使悬垂绝缘子串下端的带电部分接近杆塔构件，当带电体离杆塔的距离小于要求的空气间隙时，则会发生风偏放电现象，从而导致能量损失和停电等故障。由于架空输电线路一年四季暴露于大气之中，直接受强风、覆冰、骤冷骤热等气候变化及强电磁场、强机械力、外界侵蚀严重等环境条件的影响，易导致线路中导线的损伤和断股；因氧化、腐蚀等原因而产生接触不良而造成的接头发热；一相断线；风偏掉闸；绝缘子的污闪、雨闪等安全隐患，给电网安全稳定运行带来影响。其中悬垂绝缘子串的风偏闪络是近年来电网故障中较为突出的一类。据相关文献说明，1999～2003年5年间，国网系统大于110kV的线路共发生风偏放电260多起,其中500kV线路风偏放电33起，涉及江苏、浙江、安徽、湖北、河南、山东、山西、北京、河北、内蒙古、黑龙江、辽宁等省市区。2004年以来，500kV线路风偏放电明显增多，1～7月就有21起,其中19起为直线塔风偏闪络，涉及区域包括河南、江苏、山西、山东、湖南、湖北、北京等地区。同时，南方电网公司的500kV线路亦发生多次风偏闪络事故；三亚某海军部队的田独-龙坡110kV线路及林旺-龙坡110kV线路，屡屡发生风偏线路跳闸故障。由于线路因风偏放电后重合闸不易成功，严重影响和威胁电网系统的安全运行，同时造成巨大的经济损失。如2013年8月14日(美国当地时间)下午4点，美国纽约市曼哈顿首先发生大面积停电，继而影响到美国东部和加拿大部分地区，导致工业生产、商业活动和交通运输陷入瘫痪。鉴于超/特高压输电线路的重要性，为保证高压输电线路的安全运行，深入研究超/特高压输电线路防风偏措施，提高输电线路的可靠性和经济性是十分必要的。随着超/特高压线路电压等级的提高，绝缘子串长随之增大，采用V型绝缘子串，对直线塔横担及耐张塔跳线支架长度提出了很高的要求，引起杆塔塔重增加；而采用常规I型绝缘子串时，杆塔横担长度主要受风偏间隙控制，造成线路水平间距增大，走廊宽度增加，采用常规I型绝缘子串时横担长度未能较V型串有大幅缩减，优势不明显，同时增加了风偏闪络的风偏。近几年，由于风偏闪络频繁发生，呈居高不下态势。为建设更加坚强的电网，输电线路杆塔防风偏优化研究迫在眉睫。因此，有必要对超/特高压输电线路防风偏技术进行了分析研究，提出了高压线路防风偏设计的技术思路，减少电网故障率，提高线路防风偏可靠性和安全性，为社会生产生活平稳顺利开展提供有力保障。目前，现有技术通常采用如下两种方式中的一种来解决上述边相导线风偏闪络问题：第一种是采用增加导线横担长度或采用V型绝缘子串，第二种是采用加装防风拉线或加装支撑绝缘子的措施。但是，上述第一种技术方案存在会大幅增加输电线路造价和走廊宽度的问题。上述第二种方式存在会使导线及金具活动受限，在长期风振影响下，导线及金具活动易受疲劳破坏，因此，采用上述第二种方式对线路运行存在工程允许范围安全隐患。技术实现要素：本实用新型的目的是为了提供一种基于柔性复合材料的输电线路防风偏杆塔，解决目前的特/超高压架空输电线路直线杆塔易受极端天气影响，风偏闪络事故多发的问题。为了实现上述目的，本实用新型的技术方案为：基于柔性复合材料的输电线路防风偏杆塔，包括塔身，塔身的顶部两端均连接有导线横担，其特征在于：还包括柔性阻拦索，所述柔性阻拦索由自上而下依次连接的联塔延长金具、第一带伞裙的柔性复合绝缘子、无伞裙的柔性复合绝缘子、第二带伞裙的柔性复合绝缘子、第一连接金具、拉索、第二连接金具、弹簧和第三连接金具，每个导线横担的空余端端部与塔身的中部之间均连接所述柔性阻拦索构成，所述联塔延长金具与导线横担的空余端端部连接，第三连接金具与塔身的中部连接。本实用新型主要用于在超/特高压输电线路中直线杆塔，基于塔身上的柔性复合材料拦阻索拦阻输电线路绝缘子串风偏，避免了以往工程中出现的导线对杆塔的风偏闪络问题，提高了输电线路安全可靠性，同时可减小大风地区输电线路走廊宽度，具有良好的实用价值。附图说明图1为本实用新型的结构示意图。图2为柔性阻拦索的结构示意图。图3为本实用新型的受力分析示意图。图4为本实用新型的受力分析示意图。图中1-塔身，2-导线横担，3-柔性阻拦索，31-联塔延长金具，32-带伞裙的柔性复合绝缘子，33-无伞裙的柔性复合绝缘子，34-第二带伞裙的柔性复合绝缘子，35-第一连接金具，36-拉索，37-第二连接金具，38-弹簧，39-第三连接金具。具体实施方式下面结合附图详细说明本实用新型的实施情况，但它们并不构成对本实用新型的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本实用新型的优点更加清楚和容易理解。参阅附图可知：基于柔性复合材料的输电线路防风偏杆塔，包括塔身1，塔身1的顶部两端均连接有导线横担2，其特征在于：还包括柔性阻拦索3，所述柔性阻拦索3由自上而下依次连接的联塔延长金具31、第一带伞裙的柔性复合绝缘子32、无伞裙的柔性复合绝缘子33、第二带伞裙的柔性复合绝缘子34、第一连接金具35、拉索36、第二连接金具37、弹簧38和第三连接金具39，每个导线横担2的空余端端部与塔身1的中部之间均连接所述柔性阻拦索3构成，所述联塔延长金具31与导线横担2的空余端端部连接，第三连接金具39与塔身1的中部连接。实际工作时，本实用新型的施工步骤如下：1、根据实际工程条件，确定杆塔规划和杆塔使用条件，所述实际工程条件包括允许水平档距、垂直档距、垂直系数、转角度数、海拔、气象条件、地形、导地线参数和实际排位情况；具体为：根据工程的海拔、气象条件、地形、导地线参数、实际排位情况等确定杆塔规划和杆塔使用条件。例如，海拔1500m以内，设计风速31m/s，导线采用6分裂LGJ-400/50的单回路线路，平地地形，根据排位成果的经济技术比较、工程经验和典型设计，其中1型直线塔的使用条件为水平档距450m，垂直档距600m，转角度数0°，计算呼高48m等。2、通过绝缘配合要求，确定导线悬垂串长，所述绝缘配合要求包括选择满足电气绝缘要求的绝缘子和塔头空气间隙。实际工作时，具体为：(1)绝缘配置原则(选择适当的绝缘子型式)在选择适当的绝缘子型式的过程中应当注意以下几个方面：1)注重绝缘配置原则的前瞻性，绝缘配置不仅要考虑当前的污秽情况，还要结合当地经济、环境发展状况，合理确定绝缘配置原则。2)在目前条件下，对于新建500kV(含330kV)及以上输变电工程原则上0级、Ⅰ级污秽地区提高一级绝缘配置，Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级污秽地区按照上限进行配置。(2)污秽等级划分a污区划分原则按照GB/T16434－1996《高压架空线路和发电厂、变电所环境污区分级及外绝缘选择标准》及Q/GDW152-2006《电力系统污区分级与外绝缘选择标准》的规定执行。b污区划分根据污区分布图及现场污源调查，确定线路沿线污秽区等级为表1中a,b,c,d,e中的哪一类。表1各污秽等级的爬电比距工程绝缘配置时各级污区爬电比距取上限值，如：d级污区统一爬电比距确定为50.4mm/kV，e级污区统一爬电比距确定为59.8mm/kV。(3)绝缘子选择根据输电线路外绝缘设计原则，绝缘子的选择应同时满足工频电压，操作过电压和雷电过电压三方面要求。由于线路绝缘子片数选择主要取决于工频电压下的污耐压特性，因此，一般是按污秽性能选定绝缘子片数，再校核操作及雷电冲击性能。对于复合绝缘子选择而言，一般按照瓷绝缘子选择片数后，再按照规程要求，确定复合绝缘子的爬电距离和结构高度。按《110kV～750kV架空输电线路设计规范》(GB50545-2010)推荐的按泄漏比距法计算绝缘子片数，并进行海拔修正。(1)由工频电压爬电距离所确定的线路每串绝缘子片数应符合下式要求：式中：m—每串绝缘子片数；Um—系统额定电压，kV；λ—爬电比距，cm/kV；L0—每片悬式绝缘子的几何爬电距离，cm；Ke—绝缘子爬电距离的有效系数，主要由各种绝缘子爬电距离在试验和运行中提高污秽耐压的有效性确定。(2)高海拔地区，随着海拔升高或气压降低，污秽绝缘子的闪络电压随之降低。高海拔地区悬垂绝缘子串的片数，宜按下式计算：式中：nH——高海拔地区每串绝缘子所需片数；H——海拔高度(km)；m1——特征指数，它反映气压对于污闪电压的影响程度，由试验确定。按照d，e级污区考虑，相应的750kV输电线路绝缘子片数如表2所示：表2海拔修正后盘式绝缘子片数配置b按操作过电压校核绝缘子片数如：750kV边相导线(采用I串)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％≥K3US＝1.27×1.8×800/√3/2＝1493kV计算中取绝缘配合系数—k3＝1.27，Us——操作过电压(kV)；经计算，正极性操作冲击电压波50％放电电压U50为1493kV。对高海拔正极性操作冲击电压波50％放电电压U50进行修正，如表3所示。表3高海拔正极性操作冲击电压波50％放电电压U50海拔1000m2000m50％放电电压15871688根据国内外有关研究单位的结论，1000～2000m海拔操作冲击电压波50％放电电压对应的绝缘子串长在4-5m之间，远小于按污耐压选择的绝缘子片数对应的结构高度，按照工频爬电比距确定的绝缘子片数满足操作过电压情况下的要求。c按雷电过电压校核绝缘子片上述所配置的最短绝缘子串绝缘长度考虑，雷电放电电压为3600～3800kV。当线路档距为450m、杆塔呼称高度为48m、避雷线保护角为10°、冲击接地电阻为7～15Ω及年平均雷暴日为40天时，雷击塔顶时的耐雷水平约为178～222kA，雷击跳闸率约为0.101～0.168次/100km·y，能满足雷电过电压的要求。d推荐采用的绝缘子污区按照d、e级污秽区，依据盘式绝缘子片数选择结果，按照《110kV～750kV架空输电线路设计规范》，重污区合成绝缘子爬电距离不应小于盘型绝缘子最小要求值的3/4且不小于2.8cm/kV，结构高度不低于80％。e级污区合成绝缘子参照d级污区合成绝缘子参数调爬，不增加结构高度。按照配置原则，悬垂绝缘子串合成绝缘子参数可选择如4所示：表4悬垂绝缘子(合成)参数表(4)塔头空气间隙的确定根据《110kV～750kV架空输电线路设计规范》，并结合其他750kV线路的设计经验，750kV单回线路空气间隙如表5所示。表5推荐空气间隙(m)根据绝缘子强度、联数、金具安全系数要求、杆塔挂点型式、金具连接等因素，悬垂绝缘子串配套金具长度，从而综合确定悬垂绝缘子长度。通过上述分析，带伞裙的柔性复合绝缘子与表4参数保持一致，结构高度为7150mm，各工况下的空气间隙与表5保持一致。c)线路走廊：对750kV输电线路的走廊宽度的确定，主要考虑以下因素：1)导线投影至房屋的水平距离应不小于6m，即距边导线6m以内的所有房屋须拆迁；2)距边导线6m以外的房屋，在无风时对房屋所在地面1.5m高处最大未畸变电场强度应不得大于4kV/m，最大风偏时保证净空距离11.0m，否则均应拆迁；一般按照边导线+安全距离(如：500kV边导线5m，750kV边导线6m,1000kV边导线7m)作为线路走廊宽度的边界范围。4、根据电气间隙要求、风偏拦阻角度需求等确定塔窗尺寸；通过设置最大风偏角限制(θ1),根据柔性拦阻绝缘子电气绝缘长度要求，结合杆塔布置，确定拦阻索整体长度，进而确定塔头尺寸。拦阻索中设计限动弹簧，保证导线在极端风速时，拦阻装置通过限动弹簧动作和柔性拦阻网(索)弯曲，释放绝缘子串风偏荷载，并将绝缘子串的最大风偏角限制在θ1以内。由于防风偏装置将绝缘子串的最大风偏角控制在θ1以内，导线间隙受以下条件控制：1、雷电过电压间隙；2、操作过电压间隙；3、带电作业间隙；4、θ1风偏情况下的工频电压间隙(本申请特殊要求)。如图2、图3、图4中拦阻索极限受力分析示意图所述，按照平行四边形法则，拦阻索静态受力有：F5＝F3/sin(θ3-θ4)θ3为拦阻索拦阻极限角度，具体数值根据需要设定，如35°；θ4为拦阻索下部与垂线的极限角度。其中，θ4＝θ1-θ5θ5＝arccos((x2+c2-L2)/2/x/c)c＝(x2+L2-2*x*L*cos(θ3-θ1))0.5x为拦阻装置初始总长度；L为绝缘子串长。F4＝F5*sin(θ5+θ3-θ1)5、根据防雷、导地线水平偏移等要求，确定地线支架长度和高度；6、根据塔头尺寸、绝缘配合要求、悬垂串长等参数，计算确定拦阻索机械强度和各组成部件长度和参数。柔性复合拦阻索的关键为柔性拦阻复合材料。输电线路用柔性相间间隔棒复合绝缘子具有较好的受弯性能和电气性能，柔性拦阻复合材料可以以柔性相间间隔棒复合绝缘子为基础研制。为保证线路运行安全和拦阻索使用寿命，导线在常见风速情况下应不碰撞拦阻索，可设定导线碰撞拦阻索的概率小于20％。例如：经计算，以乌鲁木齐附近大风分布特性为例，21.3m/s以上风速发生的概率小于20％，计算得到的绝缘子串摇摆角为39.6度。根据7A5-ZB1杆塔的结构和风速控制值，拦阻索与垂直方向的夹角定为40.4度，拦阻索总长度确定为25.6m。拦阻装置选定采用2根拦阻索，拦阻索间距根据杆塔结构确定为1600mm。一端挂点悬挂在绝缘子串挂点附近，另一端挂点悬挂在塔身处。为保证柔性复合材料的强度和绝缘性能，柔性绝缘子芯棒整体成型。外层结构采用三段式结构，两端采用带伞裙柔性复合绝缘子以增加爬电距离，保证绝缘配合要求。中间与导线碰撞位置采用无伞裙结构。根据绝缘配置要求，从复合材料与导线碰撞点看起，柔性复合绝缘子与横担接触点和柔性绝缘子与塔身方向拉索均需要考虑带伞裙复合绝缘子，干弧距离按6600mm考虑。两端带伞裙绝缘子的干弧距离为6600mm，结构高度均为7150mm。考虑防护金具半径为500mm，拦阻索弯曲后接触长度小于785mm，同时考虑拦阻索安装位置导线下倾100-300mm的富裕长度，为保证导线碰撞未安装伞裙的柔性复合材料，不带伞裙柔性复合绝缘子长度确定为大于1500mm。综合以上，柔性复合材料长度可按15800mm考虑。I型悬垂绝缘子串按8603mm考虑，挂点至分裂导线中心的长度8257mm，相对拦阻索安装位置(即距悬垂串中心线约800mm)导线下倾按100-300mm考虑。为保证导线碰撞无伞裙柔性复合材料中部，与横担连接部分的金具长度为450mm。拉索额定负荷应至少大于等于柔性绝缘子额定机械负荷。连接金具中增加DB挂板和PT挂板等可调金具，以局部灵活调整柔性拦阻索长度。根据7A5-ZB1杆塔的结构和风速控制值，拦阻索与垂直方向的夹角初定为40.4度，总长度初步确定为25.6m。7、计算杆塔负荷情况，完成杆塔结构设计。作用在杆塔上的荷载按其性质可分为永久荷载、可以变荷载和特殊荷载。一、永久荷载：包括杆塔自重力，电线、绝缘子、金具的重力及其它固定设备的重力。二、可变荷载：包括风荷载、电线和绝缘子上的覆冰荷载，电线和拉线的张力及施工检修时的临时荷载，结构变形引起的次生荷载以及各种振动动力荷载。三、特殊荷载：包括由于电线断线所引起的荷载和由地震引起的荷载，以及在山区或特殊地形地段，由于不均匀结冰所引起的不平衡张力等荷载。上诉各项荷载都可以根据计算需要，将它们分解成作用在杆塔上的横向荷载、纵向荷载和垂直荷载。计算杆塔负荷是指计算不同气象条件和外部条件下作用在杆塔上的荷载，用于确定杆塔部件的材料选型、组成、规格、连接方式等。实际工作时，本新型杆塔由柔性拦阻索和铁塔两部分组成。柔性拦阻索由联塔及延长金具、柔性复合绝缘子、弹簧、拉索及连接金具等部件组成。铁塔塔头型式可根据导线相间距、电磁环境、线路走廊等要求，经技术经济比较确定。拦阻索通过联塔金具分别于横担导线挂点附近和塔身相连。在大风极端气象条件下，由于拦阻索在物理上将线路风偏角度限制在极限允许角度以内，避免带电部分因大风造成的对塔身闪络放电事故，具有提高线路安全可靠性，缩减线路走廊的有益作用。导线横担长度和拦阻索布置角度需根据实际工程大风分布规律、电气间隙要求、拟定的拦阻风速等要求配合设计。根据塔头尺寸、绝缘配合要求、悬垂串长等参数，计算确定拦阻索机械强度和各组成部件长度和参数。根据杆塔负荷和拦阻索负荷，完成杆塔结构设计。其它未说明的部分均属于现有技术。当前第1页1 2 3