輸電線路總體設(shè)計(jì)方案優(yōu)化探討

呂建國，白俊平，郭青

（中國能源建設(shè)集團(tuán)山西省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，山西太原030001）

輸電線路總體設(shè)計(jì)方案優(yōu)化探討

呂建國，白俊平，郭青

（中國能源建設(shè)集團(tuán)山西省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，山西太原030001）

介紹了以全壽命費(fèi)用成本最小為優(yōu)化目標(biāo)的輸電線路總體設(shè)計(jì)方案，針對(duì)工程特點(diǎn)，從路徑選擇優(yōu)化、導(dǎo)線增容節(jié)能、地線運(yùn)行方式、鐵塔型式優(yōu)化、基礎(chǔ)創(chuàng)新及優(yōu)化等方面進(jìn)行論述分析，貫徹全壽命周期管理理念，達(dá)到建設(shè)安全可靠、先進(jìn)適用、經(jīng)濟(jì)合理、資源節(jié)約、環(huán)境友好的輸電線路。

設(shè)計(jì)方案；全壽命周期；輸電線路

引言

輸電線路工程建設(shè)，按費(fèi)用的發(fā)生劃分為“規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工安裝、運(yùn)行維護(hù)、報(bào)廢回收”4個(gè)階段。輸電線路工程建設(shè)不是片面地要求控制單個(gè)環(huán)節(jié)投資最省，而是綜合考慮建設(shè)成本與運(yùn)行維護(hù)成本，合理確定整個(gè)輸電工程的可靠度，加強(qiáng)技術(shù)集成和統(tǒng)籌優(yōu)化，進(jìn)行多方案綜合比選和優(yōu)化。

輸電線路總體建設(shè)方案采用全壽命周期管理是一種趨勢(shì)，需在設(shè)計(jì)規(guī)劃階段中優(yōu)化投資成本、電能損耗、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)等各項(xiàng)因素的影響，減小全壽命周期費(fèi)用，提高線路穩(wěn)定運(yùn)行水平，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)安全化的要求，使得投資者獲得最大的收益。

本文以南方某地實(shí)際工程情況，從路徑選擇優(yōu)化、導(dǎo)線增容節(jié)能、地線運(yùn)行方式、鐵塔型式優(yōu)化、基礎(chǔ)創(chuàng)新及優(yōu)化等方面對(duì)工程總體建設(shè)方案進(jìn)行論述分析，提出推薦方案。

1 全壽命周期管理內(nèi)涵

從追求全壽命周期費(fèi)用最經(jīng)濟(jì)的立場(chǎng)出發(fā)，是要從壽命周期費(fèi)用和系統(tǒng)效率的關(guān)系進(jìn)行研究，同時(shí)將建設(shè)成本和運(yùn)行成本、報(bào)廢成本進(jìn)行權(quán)衡，壽命周期費(fèi)用評(píng)價(jià)是其實(shí)現(xiàn)的研究方法。

對(duì)于輸電建設(shè)項(xiàng)目而言，系統(tǒng)效率=輸送能力×可利用率×運(yùn)行的可靠性。

影響項(xiàng)目投資最大的階段，是占工程項(xiàng)目建設(shè)周期1/4的技術(shù)設(shè)計(jì)前的工作階段?？刂乒こ淘靸r(jià)的關(guān)鍵在于投資決策和設(shè)計(jì)階段。一般而言，設(shè)計(jì)方案的高可靠性、安全性和高標(biāo)準(zhǔn)，必然帶來高造價(jià)，隨之帶來的應(yīng)是運(yùn)營的低成本；反之，則將會(huì)使運(yùn)營成本提高。由于各項(xiàng)成本費(fèi)用均需考慮資金的時(shí)間價(jià)值，因此，適宜的設(shè)計(jì)方案將會(huì)使工程建設(shè)費(fèi)用最省、效益最大。

2 總體設(shè)計(jì)方案

2.1 工程概況

本工程線路長(zhǎng)度為42.5 km，2.0 km利用已建雙回線路，40.5 km為單回線路，其中32.0 km利用原有線路走廊，8.5 km為新建線路走廊。

地形比例劃分山區(qū)20%，丘陵60%，泥沼20%。沿線平丘交通運(yùn)輸便利，山區(qū)較差。海拔高度在50～400 m之間。

沿線分布有石膏礦、采石場(chǎng)、居民區(qū)密集區(qū)，路徑走廊緊張。

本工程單位靜態(tài)投資136.52萬元/km，建設(shè)期1年，由于建設(shè)期時(shí)間短，不考慮資金時(shí)間價(jià)值因素，運(yùn)行期維護(hù)考慮30年，殘值率為3%。本次分析不考慮大修成本。本線路最大利用小時(shí)數(shù)5 000 h，電網(wǎng)電價(jià)0.45元/（kW·h）。

2.2 路徑選擇優(yōu)化

本工程利用動(dòng)態(tài)衛(wèi)星地圖平臺(tái)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘查，進(jìn)行局部路徑優(yōu)化調(diào)整，在滿足地形地貌、走廊寬度基本要求下，使路徑走向安全可靠，對(duì)原路徑下居民生活區(qū)進(jìn)行避讓，進(jìn)一步優(yōu)化交叉跨越方案和塔位分布，改善交通條件，便于運(yùn)行維護(hù)。原有路徑年費(fèi)用指標(biāo)見表1。

表1 原有路徑年費(fèi)用指標(biāo)

優(yōu)化后，線路縮短0.5 km，減少跨越房屋60棟，可減少跨越費(fèi)用36萬元，減少煙花庫搬遷1處，可減少搬遷賠償費(fèi)用200萬元，優(yōu)化后線路一次性成本投入減少5.6萬元/km。由建設(shè)期投資折算到運(yùn)行維護(hù)期后，新建線路年費(fèi)用減少29萬元，電能損耗年費(fèi)用減少8萬元，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用減少4萬元，最終年費(fèi)用減少41萬元。

2.3 合理選擇導(dǎo)線，減少能耗

導(dǎo)線年費(fèi)用見圖1。

圖1 導(dǎo)線年費(fèi)用（投資回收率12%）

導(dǎo)線年費(fèi)用計(jì)算條件如下：

1）經(jīng)濟(jì)使用年限為20、30、40、50年，施工期按2年計(jì)，前一年投資為60%，后一年投資為40%；

2）年最大利用小時(shí)數(shù)5 000 h（對(duì)應(yīng)損耗小時(shí)數(shù)3 400 h）；

3）設(shè)備運(yùn)行維護(hù)費(fèi)率為1.4%；

4）電力工程回收率按工程投資的8%計(jì)；

5）電價(jià)按當(dāng)?shù)貙?shí)際上網(wǎng)電價(jià)0.45計(jì)。

計(jì)算結(jié)果表明：

1）使用年限增大時(shí)，年費(fèi)用減小；投資回收率增大時(shí)，年費(fèi)用增大；

2）導(dǎo)線截面積增大時(shí)，導(dǎo)線年費(fèi)用減?。?/p>

3）鋁截面相當(dāng)時(shí)，節(jié)能導(dǎo)線較普通鋼芯鋁絞線年費(fèi)用減小。以2×630 mm2為例，在τ=3 400 h、輸送功率300 MW、電價(jià)0.45元/（kW·h）計(jì)算條件下，鋼芯高導(dǎo)鋁絞線2×JL4/G1A-630/55年費(fèi)用減少0.37%、中強(qiáng)度全鋁合金絞線2×JLHA3-675年費(fèi)用減少0.76%，年費(fèi)用具有優(yōu)勢(shì)。

綜合考慮各種導(dǎo)線的電氣性能、機(jī)械性能、經(jīng)濟(jì)性能，采用中強(qiáng)度全鋁合金絞線2×JLHA3-675。

2.4 鐵塔型式優(yōu)化

對(duì)輸電線路而言，目前廣泛采用的塔型主要有酒杯塔和貓頭塔。1）酒杯塔的三相導(dǎo)線呈水平排列，橫擔(dān)長(zhǎng)度比貓頭塔要長(zhǎng)，所占的走廊較寬。2）而貓頭塔三相導(dǎo)線呈三角排列，中相導(dǎo)線要高，導(dǎo)致鐵塔的負(fù)荷增加，塔重要比酒杯塔重3%～8%。

按照上述原則，本著節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境、縮小輸電走廊寬度的目的，并結(jié)合本工程走廊擁擠的特殊性，綜合分析比較桿塔鋼材、導(dǎo)線金具、走廊寬度等各項(xiàng)指標(biāo)后，采用貓頭塔、中相V型串的方案。與酒杯塔相比，采用貓頭塔使得輸電走廊寬度明顯縮小；且采用中相V串的掛線方式，使得貓頭塔桿塔重量減小至與酒杯塔相當(dāng)。

2.5 基礎(chǔ)選擇

根據(jù)不同的地質(zhì)、地形及周邊環(huán)境，進(jìn)行基礎(chǔ)方案選擇，充分利用每個(gè)基礎(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保的目的，對(duì)山區(qū)巖石段、丘陵粉土段和軟弱地基分別優(yōu)化。

2.5.1 巖石地基

在山區(qū)采用的基礎(chǔ)型式主要有：巖石錨桿基礎(chǔ)、巖石嵌固基礎(chǔ)、掏挖基礎(chǔ)、人工挖孔樁基礎(chǔ)和板式基礎(chǔ)等。

巖石地基各種基礎(chǔ)型式工程量指標(biāo)表見下頁表2。

由以上分析可知：

1）開挖基礎(chǔ)造價(jià)高、土方量大，巖石地基一般不考慮板式基礎(chǔ)；

表2 巖石地基各種基礎(chǔ)型式工程量指標(biāo)表

2）微風(fēng)化和中風(fēng)化巖石地基推薦采用巖石錨桿基礎(chǔ)；

3）中風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化巖石地基推薦采用巖石嵌固基礎(chǔ)；

4）風(fēng)化層較厚或強(qiáng)風(fēng)化的巖石地基，直線塔推薦采用掏挖基礎(chǔ)，作用力較大的轉(zhuǎn)角塔推薦采用人工挖孔樁基礎(chǔ)。

2.5.2 丘陵粉土段

在丘陵粉土段采用的基礎(chǔ)型式主要有：直柱柔性基礎(chǔ)、斜柱柔性基礎(chǔ)、掏挖基礎(chǔ)、人工挖孔樁基礎(chǔ)。粉土地基各種基礎(chǔ)型式工程量指標(biāo)表（單腿量）見表3。

表3 粉土地基各種基礎(chǔ)型式工程量指標(biāo)表（單腿量）

由以上分析可知：

1）從造價(jià)、土方量和施工難度看，板式直柱和板式斜柱基礎(chǔ)無明顯優(yōu)勢(shì)；

2）粉土地基條件下，推薦采用掏挖基礎(chǔ)、板式基礎(chǔ)，在地勢(shì)陡峭或露頭較高塔基可考慮使用人工挖孔樁。

2.5.3 河網(wǎng)、泥沼等軟弱地基可采用微型樁板式復(fù)合基礎(chǔ)、灌注樁基礎(chǔ)、臺(tái)階式基礎(chǔ)?；A(chǔ)材料耗量見表4。

表4 基礎(chǔ)材料耗量

通過比較分析，微型樁板式復(fù)合基礎(chǔ)的混凝土耗量很低、基坑土方量較少、綜合造價(jià)比較低，作用力大的耐張塔效益越明顯。ZM2直線塔混凝土耗量臺(tái)階式基礎(chǔ)相比能夠減少約7%，綜合造價(jià)為灌注樁基礎(chǔ)的76.1%，臺(tái)階式基礎(chǔ)的79.4%；JC2耐張塔混凝土耗量臺(tái)階式基礎(chǔ)相比能夠減少約19%，綜合造價(jià)為灌注樁基礎(chǔ)的70.8%，臺(tái)階式基礎(chǔ)的69.4%。從基礎(chǔ)耗量、機(jī)械化程度及環(huán)保角度出發(fā)，推薦采用微型樁板式復(fù)合基礎(chǔ)。

3 結(jié)論

經(jīng)過綜合比較，推薦方案如下：

1）線路路徑推薦原路徑局部?jī)?yōu)化整體改造；

2）雙回路部分導(dǎo)線采用特強(qiáng)鋼芯軟鋁絞線1× AFSZ-400/52，單回路部分導(dǎo)線采用中強(qiáng)度全鋁合金絞線2×JLHA3-675；

3）地線運(yùn)行方式：普通地線、光纜均逐基接地；

4）單回路直線塔選用“I-V-I”掛線型式的貓頭型鐵塔；

5）微風(fēng)化和中風(fēng)化巖石地基推薦采用巖石錨桿基礎(chǔ)；中風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化巖石地基推薦采用巖石嵌固基礎(chǔ)；風(fēng)化層較厚或強(qiáng)風(fēng)化的巖石地基，直線塔、轉(zhuǎn)角塔推薦采用掏挖基礎(chǔ)，作用力較大的轉(zhuǎn)角塔推薦采用人工挖孔樁基礎(chǔ)；粉質(zhì)粘土地基條件下，直線塔推薦采用掏挖基礎(chǔ)，在地勢(shì)陡峭或露頭較高塔基可考慮使用人工挖孔樁。

4 展望

工程總體建設(shè)方案采用全壽命周期管理是一種趨勢(shì)，在全壽命周期成本管理理論的基礎(chǔ)上，在設(shè)計(jì)階段總體建設(shè)方案規(guī)劃中優(yōu)化投資成本、電能損耗、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)等各項(xiàng)因素的影響，可使全壽命周期費(fèi)用減少。

（編輯：王紅霖）

Optimization Design of Transmission Line

Lv Jianguo，Bai Junping，Guo Qing
（Shanxi Power Survey and Design Co.，Ltd.of Energy Construction Group of China，Taiyuan Shanxi 030001）

This paper describes the overall design scheme of transmission lines with the goal of minimizing the full life span cost. Aiming to characteristic of this project，it is analyzed and discussed from optimization of route selection，energy conservation and increasing capacity for wires，operating mode of ground lines，optimization of tower types，fundamental innovation and optimization，and implemented the concept of full life span cycle.In order to construct transmission lines with Therefore，lines can be constructed to safe and reliable，advanced and applicable，economical and reasonable，resource saving，and environment friendly transmission lines.

designing project；full life span cycle；transmission line

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2016.14.12

TM751

A

2095-0748（2016）14-0027-03

2016-05-20

呂建國（1972—），男，山西忻州人，本科，畢業(yè)于上海同濟(jì)大學(xué)，高級(jí)工程師，主要從事電網(wǎng)設(shè)計(jì)和管理工作；白俊平（1980—），男，山西忻州人，碩士，畢業(yè)于太原理工大學(xué)，高級(jí)工程師，主要從事電網(wǎng)設(shè)計(jì)和管理工作；郭青（1966—），男，湖北棗陽人，本科，畢業(yè)于武漢水利電力學(xué)院，高級(jí)工程師，主要從事電網(wǎng)設(shè)計(jì)工作。