引言
輸電線路中相絕緣子串采用V型串能限制導線搖擺,縮小塔窗尺寸,改善鐵塔受力情況,從而達到既縮小線路走廊寬度,又減少鐵塔耗鋼量的目的。V型串雖然限制了串和導線的擺動,但是鐵塔瓶口電氣間隙校驗仍然是需要重視的環(huán)節(jié)。鐵塔瓶口電氣間隙指的是中相導線與塔身的最小距離,校驗得出的鐵塔瓶口電氣間隙偏小,導致需使用較大的鐵塔,會造成塔材大量浪費,經(jīng)濟指標差:校驗得出的鐵塔瓶口電氣間隙偏大,在大風作用下導線可能會對鐵塔構(gòu)件放電,造成線路跳閘,甚至可能對帶電作業(yè)的運維人員造成人身傷害。
目前鐵塔瓶口電氣間隙的校驗主要使用間隙圓法,該方法在校驗導線掛點處的電氣間隙時精度較高,在校驗塔窗出線處的電氣間隙時,該方法截取導線在塔窗出線處的垂直平面畫間隙圓校驗,把導線在塔窗出線處的位置當作導線與塔身最近的點,然而由于高差和小弧垂的影響,導線與塔身最近的點通常是在塔窗之外而不是塔窗出線處。此外,間隙圓法對于塔身厚度的處理通常是引入一個裕度o來考慮其對間隙的影響。由于各種直線塔塔身厚度、使用條件均不同,因此o不能準確反映塔身厚度的影響,若對于各種工況下的各種塔型均用CAD畫間隙圓校驗,則制圖的工作量十分巨大。
針對間隙圓法無法精確考慮高差和小弧垂的問題,本文介紹一種較為精確的鐵塔瓶口電氣間隙算法,通過建立鐵塔和導線空間幾何模型,推導空間幾何算法,利用該方法計算瓶口處導線與鐵塔間的最小距離,校驗中相使用V型絕緣子串時鐵塔瓶口電氣間隙是否滿足要求。
1V型絕緣子串和導線模型
單回路中相塔頭、V型絕緣子串、導線如圖1所示。
導線在塔窗中的瓶口高差和瓶口小弧垂計算方法如公式
(1）、公式（2）所示:
式中,h為瓶口高差:m為塔窗寬度的1/2:丑為導線懸掛點高差,比鄰塔高時為正,比鄰塔低時為負:1為檔距:/x為瓶口小弧垂:K為該耐張段的K值。
圖1單回路中相塔頭、V型絕緣子串、導線示意圖
由公式（1）（2）可知,檔距一定時,高差丑越大,瓶口高差就越大。此外,現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范規(guī)定,懸掛點的設(shè)計安全系數(shù)不應(yīng)小于2.25,大高差地形極易引起懸掛點設(shè)計安全系數(shù)大于2.25,此時需要對導線做放松處理,進一步增大瓶口小弧垂。綜合以上兩種因素,輸電線路中相使用V型絕緣子串時,鐵塔瓶口電氣間隙校驗是電氣設(shè)計中十分重要的一個環(huán)節(jié),特別是大高差地形。
2空間幾何算法公式推導
圖2所示為建立鐵塔、V型絕緣子串和導線的三維模型,通過模型分析可知,塔身與導線最近的點在下曲臂內(nèi)側(cè)主材上,求解鐵塔瓶口電氣間隙可轉(zhuǎn)換成求解導線與空間直線AB的最小距離。
因此,以V型絕緣子串面向線路前進方向左下方懸垂線夾為坐標原點o建立坐標系,x軸指向線路前進方向,垂直于線路前進方向向上為y軸,同時垂直于x軸和y軸且指向線路前進方向右側(cè)為:軸,求兩下曲臂內(nèi)側(cè)主材交點A坐標(x1,y1,:1),上曲臂內(nèi)側(cè)主材與下曲臂內(nèi)側(cè)主材交點B坐標(x2,z2,:2）,則
由于K值一般在0.2×10-3～0.5×10-3,K2取值區(qū)間為0.4×10-7～0.25×10-6,且由于所要研究的對象是瓶口電氣間隙,因此x0的取值范圍為0<x0<5,加上實際工程中i一般小于1,D1、D2、D3的取值一般小于10,因此K2(D32＋DEQ \* jc3 \* hps10 \o\al(\s\up 3()和-2Ki(D32＋DEQ \* jc3 \* hps10 \o\al(\s\up 3()-2KD1D2的值極小,對計算結(jié)果的影響可忽略不計,因此式(6)可簡化成式(7):
由式(3)、式(7)即可算出點P到空間直線AB的距離d。
3計算實例
3.1工程參數(shù)
以某500kV輸電線路#1塔為例,#1塔大號側(cè)出現(xiàn)大高差情況,導線下壓嚴重,需要精確校驗鐵塔瓶口電氣間隙。#1塔下相導線采用V型絕緣子串,串長度為7.215m,上曲臂內(nèi)側(cè)主材與下曲臂內(nèi)側(cè)主材交點處塔窗寬度一半為1.87m,兩下曲臂內(nèi)側(cè)主材交點處塔窗寬度為1.7m,#1塔大號側(cè)檔距為510m,#1塔掛線高程為947.885m,#2塔掛線高程為796.1m,所處耐張段K值為0.4211x10-3。
3.2計算結(jié)果
#1塔窗正面圖和間隙圓圖如圖3所示,在#1塔窗正面圖中以V型絕緣子串面向線路前進方向左下方懸垂線夾為坐標原點o建立坐標系,假設(shè)點M坐標為(x1,z1,:1）,N坐標為(x2,z2,:2）,根據(jù)前文分析和#1塔窗正面圖可得以下計算參數(shù):x1=1.87,z1=-6.655,:1=0.188,x2=1.7,z2=-1.47,:2=-4.888,#1大號側(cè)瓶口高差h=0.556m,瓶口小弧垂fx=0.400m,導線掛點高差/檔距=0.298,將上述參數(shù)代入公式(3）、公式(7）可得:
d與x0之間的關(guān)系如圖4所示,分析圖像可知,導線離開塔窗后與塔身的距離先減小后增大,導線與鐵塔最近點并不在塔窗出線處而是在導線離開塔窗后。出現(xiàn)這一情況是因為導線離開塔窗的一小段距離內(nèi),由于與臨塔高差大,下壓嚴重,垂直方向距離增加的幅度大于水平方向,因此導線與塔身距離越來越小,到達極值點后由于水平方向距離增加的幅度大于垂直方向,導線逐漸遠離桿塔,因此距離增大。極小值點坐標為(3.02,3.66）,鐵塔瓶口電氣間隙為3.66m,小于帶電檢修工況所需滿足的3.7m電氣間隙。因此,用空間幾何算法校驗鐵塔瓶口電氣間隙的結(jié)論為間隙不滿足要求。
3.3間隙圓法校驗瓶口間隙
如圖3所示,在#1塔窗平面圖中畫出下相導線瓶口高差和瓶口小弧垂,由于V型串限制了絕緣子串的擺動,而帶電檢修工況下所需滿足的電氣間隙又最大,因此只需畫帶電檢修工況下的間隙圓即可。分別以均壓環(huán)、導線在塔窗出線處為圓心,帶電檢修工況所需滿足的3.7m空氣間隙為半徑畫圓,發(fā)現(xiàn)間隙圓并未與塔身相交,帶電點距離塔身最小距離為3.79m。因此,用間隙圓法校驗鐵塔瓶口電氣間隙的結(jié)論為間隙滿足要求。
3.4校驗結(jié)果分析
根據(jù)上述校驗結(jié)果可知,空間幾何算法與間隙圓法得出的結(jié)論在鐵塔瓶口電氣間隙處于臨界值時存在差異,原因是輸電線路中相使用V型絕緣子串時,導線與鐵塔最近點并不在塔窗出線處而是在導線離開塔窗后,而間隙圓法是截取導線在塔窗出線處的垂直平面校驗間隙,忽略了導線離開塔窗后的下壓距離,因此求出的距離偏大,當瓶口間隙處于臨界值時,容易把間隙不滿足要求的塔位誤認為滿足要求,留下安全隱患。
4結(jié)語
（1）本文通過空間三維算法提出鐵塔瓶口電氣間隙和導線與懸掛點之間水平距離的關(guān)系,可用一元二次方程表示,發(fā)現(xiàn)導線離開塔窗后電氣間隙先減小后增大,與塔身最小距離出現(xiàn)在導線離開塔窗后的一小段距離之內(nèi),求取鐵塔瓶口電氣間隙即為求取一元二次方程的最小值。
（2）本文提出的空間三維算法,針對中相使用V型串的輸電線路建立了較為精確的計算模型,比間隙圓法、CAD三維模擬等方法更加簡便,且大大提高了計算精度。在工程實踐中可使用本文提出的算法精確計算鐵塔瓶口電氣間隙,確保間隙滿足要求。
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