电力线路杆塔间隙及摇摆角校验方法

1电力线路杆塔间隙及摇摆角校验方法－－间隙、间隙圆、摇摆角、临界曲线、Kv值浅析合肥*大海摘要：对于电力线路设计人员来说，间隙，是一个熟悉的名词。但是，怎样校验杆塔间隙？却众说纷纭，有人说应该看Kv值，有人说应该画间隙圆，有人说应该计算摇摆角，有人说应该使用垂直档距临界曲线……本文想就这一问题谈谈个人看法，希望对感兴趣的读者有所帮助。关键词：间隙，间隙圆，摇摆角，临界曲线，Kv值，垂直档距为了保证电力线路的安全运行，导线对杆塔必须有良好的绝缘。这个绝缘分为两个路径，一个是绝缘子串，另一个是导线对杆塔的间隙,简称“杆塔间隙”或“间隙”。线路各规范的“绝缘配合”章节，对杆塔间隙都作了具体规定。我们设计的杆塔间隙必须符合这些规定，才是合格设计。那么怎么判断间隙是否合格（或达标）呢？下面以直线悬垂杆塔为例，介绍六种校验方法。1杆塔间隙校验方法之一，间隙比较法。杆塔间隙校验最直观的方法就是“间隙比较法”，该方法可以用不等式（判别式）表达为：1.1........0DD规定间隙实际间隙采用该方法校验杆塔间隙的步骤如下：1.1确定容许间隙数值0D判别式（1.1）右边的规定间隙，就是现行规范规定的间隙数值。规定间隙也可以叫做“容许间隙”。GB50545-2010关于杆塔间隙容许值的规定如下：应用这些规定时,需要把握以下要点(参见表1):1)间隙容许值与电压等级有关，在表中容许值分电压等级列出；2)间隙容许值与工况有关,规范就“大风”“内过”“外过”“带电作业”四种工况的容许值作出了规定。我们只需要对这四种工况的杆塔间隙进行校验，四种工况的间隙均达标，即可判定线路间隙达标。我们把这四种工况谓之“校验工况”。23)不同校验工况,容许间隙不相同，同一校验工况，容许间隙是固定的。不随本校验工况的“气温”“风速”而变化。比如，110KV大风工况的间隙容许值为0.25米。气象区不同，基本风速也不同，有的是23.5m/s,有的是30m/s,但其杆塔间隙容许值0.25米始终不变。4)间隙的实际值，是随校验工况的风速变化的。比如，同一条线路的同型杆塔,如果通过基本风速为23.5m/s地区时，实际间隙为0.30米；那么通过基本风速为30m/s地区时，实际间隙会小于0.30米。5)间隙容许值与海拔高度有关，7.0.9和7.0.10附表只列出各种电压下在低海拔（海拔高度不足1000米）时的间隙容许值。海拔超过1000米时，需要按规范7.0.12条规定及其条文解释修正；6)另外，在以下两种情况下，也需要修正间隙容许值：按照规范7.0.8条要求，因高海拔需要增加悬垂串串长，或按7.0.2和7.0.3条要求，因高杆塔需要增加悬垂串串长时，雷电容许间隙也需相应增大。表1、杆塔间隙容许值简表1.2确定实际间隙数值D判别式（1.1）左边的实际间隙，可以是我们设计中“实际采用的间隙”，也可以是现场“实际测得的间隙”,实际间隙数值就是按照这个原则确定的。1.3比较实际间隙与容许间隙因为规范规定需要校验四种工况间隙，所以采用间隙比较法进行校验时，需要使用四个判别式：5.1......4.1......3.1.......2.1......044033022011DDDDDDDD带电工况容许间隙值带电工况杆塔间隙实际外过工况容许间隙值外过工况杆塔间隙实际内过工况容许间隙值内过工况杆塔间隙实际大风工况容许间隙值大风工况杆塔间隙实际可以看出，判别式右边的“容许间隙”，很容易查表确定。而左边的“间隙实际值”，就不容易确定。因为“间隙”的尺寸，不是导线与杆塔某一固定部件的距离，而是导线与无数杆塔部件之间的距离。可见，采用“间隙比较法”仅适用于少数固定间隙（比如避雷器引线对杆塔元件）的校验，为了校验导线对杆塔的大量间隙，需要采用其它方法。2杆塔间隙校验方法之二，间隙圆法。众所周知,杆塔定位过程中，始终要遵守一个原则：导线对地距离要处处大于规定限距。为此，使用了“切地线”的方法：为了使在“最大弧垂工况”下，导线与崎岖不平的“地面”，处处保持“安全限距”，我们把导线从悬点往下平3移一个“安全限距”的距离，画出一个“禁区”，这禁区的下边界线叫做“切地线”。只要切地线与“地面”（其实是纵断面）任何部位没有交叉点（可以相切），就可以判定导线对地距离是达标的。在塔头间隙校验中，我们可以套用“切地线”思路：为了在“四种校验工况”下，导线与形状多变的“塔头元件”，处处保持“容许间隙”及以上距离，我们在导线外表面像“覆冰”一样，加一个厚度等于容许间隙的“假想绝缘层”，这个绝缘层和导线一起形成一个“圆柱”。圆柱的横断面就是“间隙圆”（见图一）。间隙圆的圆心会因导线风偏沿着圆弧线AA移动，间隙圆则会划出一片“禁区”，禁区的外缘就是“切塔线”。只要杆塔元件在禁区之外（可以相切），就可以保证“杆塔间隙”达标。这就是校验杆塔间隙的第二种方法---间隙圆法。使用这种方法应该把握以下要点（参见表1）：1)间隙圆是以导线轴心为圆心，以“导线半径+容许间隙+裕度”为半径的圆。因为导线直径相对较小，可以纳入间隙圆裕度中予以考虑，这样，可以简化地认为间隙圆是以导线轴心为圆心，以容许间隙+裕度为半径的圆；2)间隙圆半径的裕度数值,在通用设计中有具体规定；3)四种校验工况的容许间隙不同，它们的间隙圆半径也不相同；4)因为同一电压级，同一校验工况的“容许间隙”是固定值，所以各工况“间隙圆半径”也是固定值，不因气温、风速、冰厚而改变；间隙圆法，可以较快地校验导线对众多杆塔元件间隙是否达标，但是，这种方法全过程就是“画”间隙圆。这种方法必须在CAD图上，按比例画图，然后观察“切塔线”与杆塔元件有没有相交之处，没有相交之处，即可判定间隙达标。这种方法解决了“大批间隙”的校验问题，但是只能在“画”的过程中判断，不能编程计算，速度太慢。于是人们又想出了基于计算的方法---摇摆角法。43杆塔间隙校验方法之三，摇摆角比较法。用摇摆角法校验杆塔间隙的步骤如下（以大风工况为例）：许摇摆角图二、作间隙圆确定容3.1画间隙圆，确定校验工况容许摇摆角带电外过内过大风，，，tgtgtgtg画间隙圆确定容许摇摆角的步骤为（以大风工况为例）：1）按比例绘制塔头CAD立面图；2）在图上标出悬垂串挂点的位置O；3）过O作垂线OA，在O正下方悬垂串长λ米处，标出导线悬点A的位置；4）以A为圆心以大风工况容许间隙0.25米+裕度为半径画“大风工况间隙圆A”；5）以挂点O为圆心，以串长λ为半径画弧AB,与塔头交与B；6）从第一个间隙圆圆心A开始，在AB弧上取多点为圆心，以0.25米+裕度为半径，向B方向画多个间隙圆，直到间隙圆与杆塔相切为止,设相切圆的圆心为C,那么AOC的度数，就是大风工况容许摇摆角Φ1，其正切值就是大风。其它校验工况容许摇摆角的确定方法如法炮制。可见，“容许摇摆角”也是“画出来的”。图三、图四、图五是几种容许摇摆角的画法示意图。从作间隙圆的过程可以看出，影响容许摇摆角带电外过内过大风，，，tgtgtgtg的因素如下：1）塔头尺寸。包括横担尺寸、线间距离、挂点位置…2）悬垂串长。3）容许间隙、间隙裕度。53摆角图三、大风工况容许摇2摆角图四、内过工况容许摇1摆角图五、外过工况容许摇63.2导出实际摇摆角计算公式,计算“实际摇摆角”：DJDJDJDJDJDJDJDJWWGGWWGGBOWAOWBBGAAGMMBOWAOWMBBGAAGMO5.0*cos5.0*sin*cos**cos*5.0*sin**sin*5.0*********2121得：由；风力力臂导线风荷载风力力臂悬垂串风荷载反时针力矩；重力臂导线重力重力臂悬垂串重力顺时针力矩：风偏后的力平衡方程式为转动轴，写出悬垂串看图六，以挂点一实际摇摆角计算公式之1.3...............5.05.0DJDJGGWWtg；导线各工况风力大比载；导线各工况重力大比载三实际摇摆角计算公式之二实际摇摆角计算公式之4334343.3....*/5.0/5.02.3..............5.05.0PPKPLGPLWtgLPGLPWtgVHJHJVJHJ四个校验工况下的“实际摇摆角”计算公式如下:4.3....5.05.034大风大风大风大风大风大风大风工况：实际VJHJLPGLPWtg5.3....5.05.034内过内过内过内过内过内过内过工况：实际VJHJLPGLPWtg6.3.....5.05.034外过外过外过外过外过外过外过工况：实际VJHJLPGLPWtg图图六、摇摆角计算示意77.3.....5.05.034带电带电带电带电带电带电带电工况：实际VJHJLPGLPWtg3.3比较实际摇摆角与容许摇摆角，进行摇摆角校验。如果杆塔每一个校验工况下的实际摇摆角，均小于该工况的容许摇摆角，那么该杆塔的间隙必然达标。写成公式就是：内过内过大风大风内过工况容许摇摆角内过工况实际摇摆角大风工况容许摇摆角大风工况实际摇摆角tgtgtgtg.带电带电外过外过带电工况容许摇摆角带电工况实际摇摆角外过工况容许摇摆角外过工况实际摇摆角tgtgtgtg摇摆角校验法中，“容许摇摆角”依然需要画图确定，实际摇摆角可以编程计算，计算速度可以大大提高。但是，这种方法的缺点是实际摇摆角需要“一基杆塔一基杆塔地计算出来”，速度很慢。为了进一步提高间隙校验效率，人们又想出了“临界垂直档距法”，或叫“临界垂档曲线法”。4杆塔间隙校验方法之四，垂档比较法。垂直档距比较法的思路和方法如下：4.1把“摇摆角校验公式”改造成确保摇摆角达标的“容许垂档方程”。以大风工况为例，其摇摆角校验公式为：][大风大风实际摇摆角tgtg以(3.4)式右边算式置换上式左边内容得：大风大风大风大风大风大风tgLPGLPWVJHJ345.05.0从上式中解出大风VL：大风大风大风大风大风大风大风大风大风大风大风大风tgLPWLPGtgLPGLPWHJVJVJHJ43345.05.05.05.0大风大风大风大风大风大风JHJVGtgLPWLP5.05.043大风大风大风大风大风大风大风3345.0*5.0PGtgPLPWLJHJV由不等号可以看出，左边垂直档距，是确保大风工况摇摆角达标的“最小垂档容许值”。我们将其加上方括号，并将右边表达式写成关于HL直线方程的形式：81.4............5.0*5.0**3334大风大风大风大风大风大风大风大风大风PGtgPWLtgPPLJJHV(4.1)式中的不等号换成等号就是确保摇摆角达标的“大风容许垂档方程”。其典型式为：2.4............................................................*大风大风大风bLkLHV3.4................................*2.434大风大风大风大风式的斜率为：tgPPk4.4............5.0*5.02.433大风大风大风大风大风大风式的截距为：PGtgPWbJJ4.2容许垂档曲线的绘制绘制“容许垂档曲线”步骤如下：1）画间隙圆,确定四个校验工况的容许摇摆角内过大风tg带电外过tgtg；2）把四个校验工况下的线路参数工况工况工况，，tgPP43代入（4.3）可以计算出，四个“容许垂档方程”的斜率带电外过内过大风kkkk,,,；3）把四个校验工况下的线路参数tgGWPJJ，,,3代入（4.4）式就可以计算出，四个“容许垂档方程”的截距带电外过内过大风bbbb,,,；这样四个“容许垂档方程”都