由于蒙西电网的不断发展及用电负荷的不断增大，输电线路中常规导线需要通过增大导线截面或增加回路数才能满足用电负荷需要，从而使得碳纤维复合芯导线应运而生。经对比，相同截面的碳纤维复合芯导线的导电能力约是普通导线的1.5~1.8倍，例如截面2×240 mm²的碳纤维复合芯导线的导电能力相当于截面2×400 mm²的普通导线。由于碳纤维复合芯导线有以上优点，内蒙古电力（集团）有限责任公司（以下简称内蒙古电力公司）2013年的生产计划中有6项工程使用碳纤维复合芯导线建设线路。但是碳纤维复合芯导线的线膨胀系数与弹性模量会在80 ℃时发生突变，因此为配合碳纤维复合芯导线的使用，不可避免地需要设计新杆塔，规划新的塔头尺寸。本文采用国内广泛使用的悬链线应力状态方程式对碳纤维复合芯导线的物理参数、配合的地线型号及导地线安全系数等参数进行分析选取，从而实现对内蒙古电力公司2013年生产计划中的6项220 kV输电线路工程中杆塔塔头的设计规划。

内蒙古电力公司2013年生产计划中的6项220kV输电线路工程，所处地区的气象条件以大风风速27 m/s，覆冰厚度5 mm为主，但是为了使本次规划的杆塔在今后的工程应用中具有更广泛的适用性，新设计的杆塔参考国家电网公司220 kV典型设计2D1模块^[1]，采用大风风速27 m/s、覆冰厚度10 mm、最低温度-40 ℃和年平均气温5 ℃的气象组合进行规划设计。

碳纤维复合芯导线的常用型号有很多种，内蒙古电力公司2013年生产计划中的6项工程以双分裂JLRX1/F1A-240/35型碳纤维复合芯导线为主要使用型式，因此本文选择双分裂JLRX1/F1A-240/35型碳纤维复合芯导线进行杆塔塔头规划设计。

双分裂JLRX1/F1A-240/35型碳纤维复合芯导线具有单位长度质量小、计算拉断力大的特点，在相同的代表档距下比普通导线的弧垂小很多，因此对地线有不同的要求。根据导线、地线在档距中央距离及线路短路电流的要求，如果普通小弹性系数的地线配合碳纤维复合芯导线使用，需要大大提高杆塔地线支架的高度。经计算，如果选用JLB40型铝包钢绞线等普通地线配合安全系数为3.0的碳纤维复合芯导线，地线支架高度至少要提高至7 m左右，从而大大增加了塔的质量；同时由于塔头是线路的至高点，极易遭雷击，如果导线、地线在塔头处的距离偏大，就提高了绕击的可能性，降低线路的耐雷水平。因此本次设计不选用普通地线，而选用具有弹性系数较大的铝包钢绞线作为地线。经计算比较，JLB20型铝包钢绞线作为地线配合安全系数为3.0的碳纤维复合芯导线使用，地线支架高度为2 ~5 m，比选用其他地线更合理。

另外，根据以往工程经验，220 kV线路的最大短路电流很少超过48 kA，只有个别电厂采用220kV线路接入系统的短路电流出现大于48 kA的现象。经测算，JLB20A-120型铝包钢绞线能够达到48 kA的短路电流值。截面积小于JLB20A-120的铝包钢绞线短路电流不能满足一般工程要求；而截面积大于JLB20A-120 的JLB20A-150 铝包钢绞线虽然其短路电流更大，但其计算拉断力较大，对塔头的要求也高，作为一般工程使用过于浪费。

综上分析，决定选取JLB20A-120型铝包钢绞线作为新塔的地线。

由于碳纤维复合芯导线的物理特性在80 ℃时会发生突变，80 ℃以上和80 ℃以下的弹性系数和温度膨胀系数差别很大，因此选择80 ℃以上还是80 ℃以下的物理参数作为杆塔设计的参数，还需经分析确定。

只要是柔性导线，均能满足应力状态方程式^[2]：

式中σ₀₁、σ₀₂—2种工况下架空线水平应力，N；

γ₁、γ₂—2 种工况下架空线比载，N/（mm²·m）；

t₁、t₂—2种工况下架空线温度，℃；

L—档距，m；

α、E—架空线温度膨胀系数和弹性系数。

应力状态方程式是导线、地线2种工况之间的关系式，普通导线是将控制条件工况作为已知条件推导出其他工况，在此期间导线的物理特性不变，推导是连续的。由于碳纤维复合芯导线在80 ℃时的物理特性将发生突变，使其在80 ℃以下时可以将控制条件工况作为已知条件直接推导其他工况，在80 ℃以上时则不能用控制条件工况进行推导，必须以碳纤维复合芯导线在80 ℃以下的物理特性对应的应力状态推导80 ℃以上的物理特性对应的应力状态，即碳纤维复合芯导线的工况推导也是连续的，只是在80 ℃时发生1次突变。

通过上述方法推导发现，由于碳纤维复合芯导线在80 ℃以上时的弹性系数较大，温度膨胀系数较小，因此在工程应用中运行温度达到80 ℃以上时，导线的弧垂和应力随温度的变化非常小^[3]。

综上分析，在杆塔荷载计算时，选用碳纤维复合芯导线80 ℃以下（低温区段）的物理参数，应力偏大，杆塔荷载是安全合理的。在杆塔电气间隙计算时，经测算，通过应力状态方程式推导获得80 ℃以上时的电气间隙值与直接用80 ℃以下的物理参数获得的电气间隙计算值差别甚微，因此采用80 ℃以下的物理参数进行杆塔电气间隙计算同样可行。本次规划选择碳纤维复合芯导线80 ℃以下的物理参数进行工程设计。

对JLRX1/F1A-240/35型碳纤维复合芯导线及JLB20A-120地线安全系数的选择，直接关系到地线支架高度。地线支架高度基本与杆塔质量成正比。表 1为不同安全系数下的地线支架高度与杆塔质量对比。通过表 1中数据可以看出，第3组和第4组的经济性基本相当，且最好；但第3组比第4组的耐雷水平高，因此导线、地线的设计安全系数分别选为3.0和3.5。

表1(Table 1)

表 1 不同安全系数下的地线支架高度与杆塔质量

表 1 不同安全系数下的地线支架高度与杆塔质量

通过计算可以看出，如果碳纤维复合芯导线悬垂绝缘子串使用“V”形串，由于受夹角大小的控制，使得横担过长；而且如果采用碳纤维复合芯导线，同塔多回路塔设计也不宜采用“V”形串。碳纤维复合芯导线由于单位长度质量小、计算拉断力大，因此摇摆角较大，悬垂绝缘子串使用“I”形串更为合理。

本次设计海拔为2000 m以下。考虑以后工程应用，单回路悬垂绝缘子串选用16片，结构高度为2336 mm，爬电距离32.7 mm/kV，串长度3126 mm；双回路悬垂绝缘子串选用17 片，结构高度2482mm，爬电距离34.8 mm/kV，串长度3272 mm。

根据《GB 50545—2010 110 kV～750 kV架空输电线路设计规范》，计算杆塔电气间隙数据，如表 2所示^[4]。

表2(Table 2)

表 2 各工况下对应的杆塔电气间隙计算值

表 2 各工况下对应的杆塔电气间隙计算值

（1） 杆塔设计2根地线，地线对边导线的保护角单回路均不大于15°，双回路不大于0°。

（2） 杆塔上两地线间距不超过导线、地线间垂直距离的5倍。

（3） 档距中央导线、地线间的净空距离S 按GB50545—2010中的有关规定，在15 ℃气温、无风时S≥0.012L+1，其中L为档距。

塔头尺寸除了要满足防雷保护、电气间隙的要求外，还要满足导线相间距离要求，导线垂直布置时还要考虑导线水平位移距离及地线水平距离等。地线支架高度已计算出相应值（见表 1）。通过计算可知，只要满足杆塔电气间隙要求和防雷保护要求，两根地线水平距离即能满足要求，在进行杆塔结构计算时还可以根据杆塔质量对地线水平距离进行调整。

双回路导线水平位移要不小于1 m；通过计算可得，只要满足杆塔电气间隙要求，在极大档距800m内即能满足导线相间距离的要求，在杆塔结构计算时可以根据杆塔质量对导线相间距离进行调整。

双回路塔规划为鼓形塔。

单回路塔常采用酒杯形塔和猫头形塔2种。以220 kV线路24 m呼称高的酒杯形塔和猫头形塔2种主力型塔为例进行测算（见表 3），可以看出，在相同的使用条件下，酒杯形塔要比猫头形塔质量约小120 kg，因此本次杆塔规划为酒杯形塔。

表3(Table 3)

表 3 酒杯形塔与猫头形杆塔质量测算对比

表 3 酒杯形塔与猫头形杆塔质量测算对比

针对内蒙古电力公司2013年生产计划中的6项工程区域特点，杆塔按山区塔规划。通过计算发现，当杆塔KV值小于0.7时，在大风工况下绝缘子串摇摆角将会达到73°以上，若要满足杆塔电气间隙要求，必须做成“┒”形横担，而“┒”形横担结构相对复杂，实际工程中应用不多，因此本次设计不采用“┒”形横担，杆塔KV值控制在0.7以上。

参考国家电网公司220 kV典型设计山区杆塔规划^[2]，第1系列的KV值一般以0.8开始。为了尽量使杆塔规划经济合理，本次设计KV值在0.8和0.7之间增加了0.75系列，即直线Ⅰ型塔KV值取0.8，直线Ⅱ型塔KV值取0.75，直线Ⅲ型塔KV值取0.7。塔头尺寸规划结果见图 1所示。

图1(Figure 1)

图1 碳纤维复合芯导线杆塔塔头尺寸规划结果

利用以上方法设计的铁塔，整体布局简单，生产和使用方便，在实际的工程应用中档距利用系数较高，经济效益明显，安全可靠。内蒙古电力公司2013年生产计划6项工程中已经投运的黑河变—盛乐一站220 kV输电线路杆塔塔头采用以上设计规划，线路至今运行良好。

针对碳纤维复合芯导线杆塔塔头设计规划工作，提出如下建议：

（1） 在进行碳纤维复合芯导线杆塔设计时，选择碳纤维复合芯导线80 ℃以下的物理参数，既实用又能满足实际需求。

（2） 碳纤维复合芯导线单位长度质量小、计算拉断力大，相比普通导线，在相同的代表档距下其弧垂要小很多，所以在对应的地线选型时要考虑使用弹性模量和拉断力较大的地线。

（3） 对碳纤维复合芯导线杆塔进行规划时，对于单回路来说，一般情况下酒杯形塔相比猫头形塔更具优势^{[5, 6, 7, 8]}。