提高桿塔水平檔距利用率的方法

楊 巍，朱天浩

(中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)電力建設(shè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)咨詢中心，北京 100053)

1 概述

輸電線路設(shè)計(jì)中水平檔距利用率是指桿塔定位后實(shí)際水平檔距占所選塔型標(biāo)準(zhǔn)水平檔距的百分比。作為衡量桿塔利用率的一個(gè)重要指標(biāo)，水平檔距利用率反映了桿塔規(guī)劃和選型的合理性，且與工程本體造價(jià)密切相關(guān)。

國(guó)家電網(wǎng)公司輸電線路通用設(shè)計(jì)(2011年版)根據(jù)電壓等級(jí)、回路數(shù)、導(dǎo)線截面、氣象條件、地形條件、海拔高度等使用條件的不同進(jìn)行了塔型劃分，給出了不同條件組合下的塔型。目前這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)化成果已在全國(guó)多數(shù)地區(qū)得到廣泛應(yīng)用。本文從輸電線路水平檔距利用率的計(jì)算方法出發(fā)，對(duì)國(guó)內(nèi)不同地區(qū)的采用通用設(shè)計(jì)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)的220 kV輸電線路初步設(shè)計(jì)階段的水平檔距利用率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)目前初步設(shè)計(jì)階段水平檔距利用率普遍較低，分析了原因。在線路路徑選擇時(shí)，受地形地貌、城市規(guī)劃和各種障礙物的限制，耐張塔的位置和數(shù)量相對(duì)較固定，當(dāng)路徑一旦確定，懸垂型桿塔的合理選型和布置即對(duì)桿塔利用率的提高起主要作用，因此本文主要提出了導(dǎo)線截面、設(shè)計(jì)風(fēng)速或海拔高度等設(shè)計(jì)條件與通用設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)不同時(shí)，如何通過(guò)對(duì)懸垂型桿塔進(jìn)行水平檔距的折算后,合理選擇塔型提高水平檔距利用率。

2 水平檔距利用率

2.1 水平檔距利用率的計(jì)算方法

一條輸電線路的水平檔距利用率是指全線桿塔的實(shí)際水平檔距之和占其標(biāo)準(zhǔn)水平檔距之和的百分比，見(jiàn)式(1)。為簡(jiǎn)化計(jì)算，可用線路路徑長(zhǎng)度近似代替全線桿塔的實(shí)際水平檔距之和。輸電線路中水平檔距利用率越高，對(duì)應(yīng)的塔材指標(biāo)越經(jīng)濟(jì)，通常將利用率100%時(shí)稱為桿塔的滿負(fù)荷設(shè)計(jì)。在工程實(shí)際中由于受各種因素制約，利用率100%基本無(wú)法實(shí)現(xiàn)。但在桿塔規(guī)劃和選型中，可將滿負(fù)荷的設(shè)計(jì)理念與工程實(shí)際相結(jié)合，最大限度的提高水平檔距利用率，控制工程造價(jià)。

式中：S為線路路徑長(zhǎng)度；LHi為桿塔標(biāo)準(zhǔn)水平檔距；Ni為相同塔型的基數(shù)；n為塔型種類；KH為線路水平檔距利用率。

2.2 水平檔距利用率統(tǒng)計(jì)

在此選擇國(guó)內(nèi)不同地區(qū)具有代表性的20條220 kV輸電線路，對(duì)其在初步設(shè)計(jì)階段的各項(xiàng)指標(biāo)和相應(yīng)的水平檔距利用率等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并按水平檔距利用率由小到大排列后得到表1。表1中線路路徑長(zhǎng)度均在10.0 km以上，均采用了國(guó)家電網(wǎng)公司輸電線路通用設(shè)計(jì)塔型進(jìn)行設(shè)計(jì)，且都是近兩年內(nèi)的初步設(shè)計(jì)工程。

表1 水平檔距利用率統(tǒng)計(jì)

根據(jù)表1可知，50%的線路水平檔距利用率小于75%，90%的線路單公里塔數(shù)高于通用造價(jià)水平。分析其原因：(1)選擇塔型時(shí)簡(jiǎn)單以大代小，缺乏必要的檔距折算。(2)起始塔型設(shè)置不合理。(3)塔型規(guī)劃不合理。(4)耐張塔比例高。

以表1中工程1為例，該線路平均檔距為 376 m，其中 SZ1、SZ2、SZ3和 SZ4型懸垂型鐵塔規(guī)劃比例為2.1%、18.2%、29.4%和20.3%，SZ1標(biāo)準(zhǔn)水平檔距380 m，其余塔型標(biāo)準(zhǔn)水平檔距均大于500 m，顯然塔型使用比例不合理，設(shè)計(jì)過(guò)保守，不滿足經(jīng)濟(jì)性要求。

3 桿塔荷載

桿塔荷載可分解為橫向荷載，縱向荷載，垂直荷載，見(jiàn)圖1，分別由風(fēng)，不平衡張力，導(dǎo)線自重和冰重等引起。桿塔重量主要取決于桿塔所承受荷載的大小。對(duì)于常規(guī)輕(中)冰區(qū)線路而言，在正常運(yùn)行情況下，懸垂型桿塔的前后兩檔內(nèi)的導(dǎo)地線張力相等，縱向荷載為0；垂直荷載主要由導(dǎo)地線、絕緣子、金具和冰重引起，對(duì)桿塔受力不起控制作用；橫向荷載是指由大風(fēng)引起的風(fēng)荷載，分為導(dǎo)地線風(fēng)荷載，塔身風(fēng)荷載和絕緣子串風(fēng)荷載3部分。懸垂型桿塔主要受風(fēng)荷載控制，因此懸垂型桿塔主要根據(jù)其風(fēng)壓的不同對(duì)水平檔距進(jìn)行折算后選型。耐張型桿塔主要受縱向不平衡張力控制，風(fēng)荷載和垂直荷載對(duì)耐張塔影響相對(duì)較小，轉(zhuǎn)角角度不同的時(shí)縱向荷載相差較大，耐張型桿塔主要根據(jù)其角度的不同對(duì)水平檔距進(jìn)行折算后選型。

圖1 導(dǎo)線受力示意圖

根據(jù)GB50545－2010《110 kV～750 kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)程》10.1.18條規(guī)定，導(dǎo)線及地線水平風(fēng)荷載和塔身風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值分別按式(2)和式(5)計(jì)算。

其中：

式中：WF為垂直于導(dǎo)線及地線方向的水平風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值；W0為基準(zhǔn)風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)值；V為基準(zhǔn)高度為10 mm的風(fēng)速；α為電線風(fēng)壓不均勻系數(shù)；βc為500 kV和750 kV導(dǎo)線及地線風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)；μsc電線體形系數(shù)；d為導(dǎo)線和地線外徑或覆冰時(shí)的計(jì)算外徑；Lp為桿塔水平檔距；B為覆冰時(shí)風(fēng)荷載增大系數(shù)；θ為風(fēng)向與電線軸向間的夾角，gH為導(dǎo)線單位長(zhǎng)度上的風(fēng)荷載。

式中：Ws為桿塔風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值；μs為構(gòu)件體形系數(shù)；As為構(gòu)件承受風(fēng)壓的投影面積計(jì)算值；βz為桿塔風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)。

4 提高水平檔距利用率的方法

國(guó)家電網(wǎng)輸電線路通用設(shè)計(jì)按電壓等級(jí)，回路數(shù)，導(dǎo)線截面，氣象條件，地形條件，海拔高度對(duì)桿塔模塊進(jìn)行了劃分。桿塔選型時(shí)若設(shè)計(jì)條件與通用設(shè)計(jì)完全相同，可直接套用相應(yīng)模塊；若設(shè)計(jì)條件與通用設(shè)計(jì)不完全相同，應(yīng)根據(jù)桿塔承受荷載對(duì)水平檔距折算后選擇安全性和經(jīng)濟(jì)性較佳的塔型。

4.1 導(dǎo)線截面不同

從式(2)可以看出，導(dǎo)線截面只與d和μsc有關(guān)，從式(5)看導(dǎo)線截面與塔身風(fēng)壓無(wú)直接關(guān)系。以一條220 kV線路為例，說(shuō)明如果通用設(shè)計(jì)中無(wú)對(duì)應(yīng)導(dǎo)線截面時(shí)如何合理選擇懸垂塔塔型。該線路導(dǎo)線采用2×JL/G1A－500/45型鋼芯鋁絞線，同塔雙回路架設(shè)，設(shè)計(jì)風(fēng)速29 m/s，覆冰10 mm，海拔1000 m以下，地形為平地100%。

為確保安全性，選擇2F4模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)(對(duì)應(yīng)導(dǎo)線為2×630/45型鋼芯鋁絞線，其余設(shè)計(jì)條件與該工程一致)，按式(2)對(duì)2F4模塊中懸垂型桿塔進(jìn)行水平檔距折算得表2。

表2 2F4型懸垂型桿塔水平檔距折算

以呼高27 m的2F4－SZ1型懸垂塔為例，其標(biāo)準(zhǔn)水平檔距為350 m，檔距折算如式(6)。

式中：gH630/29為2×630/45型鋼芯鋁絞線在29m/s風(fēng)速下的導(dǎo)線風(fēng)荷載，gH500/29為2×500/45型鋼芯鋁絞線在29 m/s風(fēng)速下的導(dǎo)線風(fēng)荷載。

從表2看出，折算后2F4型懸垂塔的起始檔距由350 m增加至392 m，若線路平均檔距較小時(shí)該起始檔距顯然偏大，可對(duì)2F3—SZ1型塔(設(shè)計(jì)風(fēng)速27 m/s，其余均與2F4相同)進(jìn)行檔距折算，如式(2)。同時(shí)考慮塔身風(fēng)壓引起的檔距折減，校驗(yàn)塔頭間隙，若滿足將其作為起始塔型。

風(fēng)速27 m/s的鐵塔用在29 m/s風(fēng)速的線路中，引起塔身風(fēng)荷載變化相應(yīng)水平檔距折減39.79 m，即Lp=300 m。

2F3－SZ1較2F4－SZ1的起始塔重量每基可降低0.407 t，相應(yīng)基礎(chǔ)工程量也將減少。對(duì)于線路較長(zhǎng)時(shí)工程本體投資的節(jié)約將尤為顯著。

4.2 設(shè)計(jì)風(fēng)速不同

由式(2)和(5)看出，導(dǎo)地線風(fēng)荷載和桿塔的塔身風(fēng)荷載均與設(shè)計(jì)風(fēng)速的平方v2成正比，可見(jiàn)風(fēng)速v是影響桿塔風(fēng)荷載的主要因素?，F(xiàn)以一條設(shè)計(jì)風(fēng)速為28 m/s的220 kV輸電線路為例，說(shuō)明通用設(shè)計(jì)中無(wú)對(duì)應(yīng)風(fēng)速時(shí)如何選擇塔型。該線路單回路架設(shè)，導(dǎo)線采用2×LGJ－400/35型鋼芯鋁絞線，覆冰10 mm，海拔1000 m以下，地形為平地100%。

對(duì)于長(zhǎng)度較短的線路，為兼顧設(shè)計(jì)效率和安全性，可選擇2B5模塊(對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)基本風(fēng)速29 m/s，其余條件與該工程均相同)。對(duì)呼高27 m的2B5－SZ1型起始塔進(jìn)行檔距折算，見(jiàn)式(8)。由于設(shè)計(jì)風(fēng)速小于2B5，顯然塔身風(fēng)荷載和塔頭間隙均可滿足要求。對(duì)于長(zhǎng)度較長(zhǎng)或平均檔距較小的線路，經(jīng)過(guò)折算后的水平檔距裕度偏大時(shí)，應(yīng)優(yōu)先取2B3型塔進(jìn)行檔距折算，見(jiàn)式(9)。同時(shí)還要考慮塔身風(fēng)荷載增大引起的檔距折減，校驗(yàn)塔頭間隙。

除合理選擇起始塔型外，還應(yīng)重視各塔型分配，呼高和經(jīng)折算后的水平檔距若滿足使用條件，應(yīng)優(yōu)先采用SZ1型懸垂塔，盡量減少SZ2、SZ3和SZ4型懸垂塔。交叉跨越處應(yīng)優(yōu)先選用SZK型跨越塔，若折算后水平檔距不滿足再選擇SZ3型懸垂塔。

4.3 海拔高度不同

根據(jù)GB50545－2010《110 kV～750 kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)程》表7.0.9－1和7.0.12條規(guī)定，110 kV～500 kV線路海拔間隙可按表3修正。

表3 220 kV帶電部分與桿塔構(gòu)件(包括拉線，腳釘?shù)?的最小間隙(m)

通用設(shè)計(jì)中按海拔高度分1000 m及以下、1000 m～2000 m兩檔塔型。對(duì)于海拔高度在1000 m的基礎(chǔ)上上浮不多的線路，應(yīng)根據(jù)沿線污穢等級(jí)選擇絕緣子片數(shù)后，按照表3中最小間隙的要求，對(duì)通用設(shè)計(jì)中1000 m及以下模塊相應(yīng)塔型的塔頭間隙進(jìn)行校驗(yàn)，滿足最小間隙要求可優(yōu)先選用，若不滿足再選取通用設(shè)計(jì)中對(duì)應(yīng)海拔1000 m～2000 m模塊塔型。

4.4 耐張型桿塔的檔距折算

在實(shí)際使用時(shí)耐張塔的角度和水平檔距裕度一般較大，因此當(dāng)角度不夠時(shí)，應(yīng)將檔距裕度折算到使用角度上，增大角度使用范圍；當(dāng)水平檔距不夠時(shí)，應(yīng)將角度裕度折算到水平檔距上，增大水平檔距使用范圍。應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要對(duì)角度或檔距進(jìn)行互相折算后，再靈活運(yùn)用的工程實(shí)際中，使?jié)M負(fù)荷設(shè)計(jì)的理念充分運(yùn)用到工程實(shí)際中。

4 結(jié)論

導(dǎo)線截面或設(shè)計(jì)風(fēng)速與通用設(shè)計(jì)不同時(shí)，若以大代小選擇塔型，應(yīng)對(duì)導(dǎo)地線風(fēng)荷載引起的懸垂型桿塔的水平檔距進(jìn)行折算，此時(shí)由于實(shí)際使用條件小于通用設(shè)計(jì)中對(duì)應(yīng)塔型的使用條件，塔身風(fēng)壓沒(méi)有增加，無(wú)需折算檔距，可留足裕度，確保安全。

線路平均檔距較小時(shí)，可以小代大選擇比設(shè)計(jì)風(fēng)速稍小的桿塔作為起始塔型，此時(shí)除應(yīng)對(duì)導(dǎo)地線風(fēng)荷載引起的水平檔距折算外還應(yīng)考慮塔身風(fēng)壓增加引起的檔距折減，校驗(yàn)塔頭間隙。

在污染較輕地區(qū)，若線路的海拔高度在1000m的基礎(chǔ)上上浮不多時(shí)，可先對(duì)相應(yīng)海拔1000m以下的鐵塔塔頭間隙進(jìn)行校驗(yàn)，若滿足最小間隙要求可優(yōu)先采用。

工程實(shí)際中，若耐張塔的水平檔距或角度比其使用上限小的多時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要對(duì)水平檔距或角度進(jìn)行相互折算，盡量將裕度用滿。

總之，在塔型規(guī)劃和選型時(shí)，應(yīng)以滿負(fù)荷和精細(xì)化設(shè)計(jì)的理念，在滿足安全性的前提下力求經(jīng)濟(jì)性，確保工程本體投資更加合理。

[1]GB50545—2010，110 kV～750 kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．

[2]國(guó)家電網(wǎng)公司基建部．國(guó)家電網(wǎng)公司輸電電工程通用設(shè)計(jì)：110(66)～500 kV輸電線路分冊(cè)[M]：北京：中國(guó)電力出版社，2011．

[3]東北電力設(shè)計(jì)院．電力工程高壓送電線路設(shè)計(jì)手冊(cè)第二版[M]．北京：中國(guó)電力出版社，2002．

[4]任宗棟，等．輸電線路桿塔水平檔距折算方法[J]．電力建設(shè)，2011，(5)，39－41．

[5]國(guó)家電網(wǎng)公司．輸變電工程通用設(shè)計(jì)220 kV輸電線路分冊(cè)，2011版[K]．北京：中國(guó)電力出版社，2011．

[6]國(guó)家電網(wǎng)公司．輸變電工程通用造價(jià)220 kV輸電線路分冊(cè)，2010版[K]．北京：中國(guó)電力出版社，2010．