遼南電網(wǎng)冰厚調(diào)整對(duì)500 kV線路投資的影響分析

楊振國(guó)，高培國(guó)，韓 彬，從培元，姜然凇

(1.中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)東北電力設(shè)計(jì)院有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130021；2.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110004)

繼2008年南方電網(wǎng)冰災(zāi)之后，2015年11月7日，我國(guó)遼寧南部(以下簡(jiǎn)稱“遼南”)地區(qū)的營(yíng)口及大連一帶也發(fā)生了重覆冰災(zāi)害，大連市瓦房店局部地區(qū)高壓輸電線路導(dǎo)線覆冰厚度達(dá)到30～40 mm(折算標(biāo)準(zhǔn)冰厚)，造成多條線路跳閘、塔身局部區(qū)段受損以及停運(yùn)。比照2012年版遼寧電網(wǎng)冰區(qū)分布圖可以看出，該覆冰厚度重現(xiàn)期不低于100年。鑒于此，國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司于2017年對(duì)冰區(qū)分布圖進(jìn)行了重新修訂，將遼南地區(qū)局部區(qū)域覆冰厚度進(jìn)行了適當(dāng)提高，其中影響500 kV線路設(shè)計(jì)的50 a一遇重現(xiàn)期冰區(qū)分布圖由原10 mm覆冰提高至15～20 mm。

覆冰厚度的提高將直接導(dǎo)致后續(xù)高壓輸電線路的整體投資增加，主要體現(xiàn)在塔材用量及基礎(chǔ)混凝土用量?jī)蓚€(gè)方面。據(jù)此，本文著重針對(duì)本次覆冰厚度調(diào)整對(duì)500 kV輸電線路本體投資的影響進(jìn)行分析，為后續(xù)工程設(shè)計(jì)覆冰厚度的選取決策提供參照依據(jù)。

1 遼南地區(qū)500 kV線路概況

截至2017年末，遼南地區(qū)500 kV主網(wǎng)架情況見(jiàn)圖1。

圖1 遼南地區(qū)500 kV網(wǎng)架連接示意圖

從圖1中可以看出，遼南地區(qū)本次覆冰厚度調(diào)整涉及500 kV網(wǎng)架大體范圍為：西起營(yíng)口市營(yíng)口電廠、瓦房店市紅沿河核電站；東至莊河市莊河電廠及500 kV黃海變；北至營(yíng)口市500 kV渤海變；南至大連市500 kV雁水變。該范圍基本覆蓋了西側(cè)臨海的2/3面積營(yíng)口地區(qū)以及瓦房店、莊河以南的整個(gè)大連地區(qū)，共涉及500 kV變電站7座，分別為：渤海變、南海變、瓦房店變、黃海變、金家變、南關(guān)嶺變及雁水變。該區(qū)域內(nèi)涉及現(xiàn)有主要500 kV線路情況見(jiàn)表1，線路地形情況見(jiàn)圖2。

從表1可以看出，遼南地區(qū)主要500 kV線路除1988年投運(yùn)的少數(shù)500 kV線路有部分采用4×300 mm2截面導(dǎo)線外，近年的線路截面均以4×400 mm2及4×630 mm2為主，這與國(guó)家電網(wǎng)公司500 kV典型設(shè)計(jì)桿塔模塊采用的導(dǎo)線形式是相同的，因此本文以4×400 mm2及4×630 mm2單雙回路塔型作為分析依據(jù)。據(jù)此，本文選擇《國(guó)家電網(wǎng)公司輸變電工程通用設(shè)計(jì)(2011年版)110(66)～500 kV輸電線路分冊(cè)》[1]中相應(yīng)不同氣象區(qū)單雙回路500 kV桿塔模塊進(jìn)行相應(yīng)工程量計(jì)算對(duì)比，見(jiàn)表2。

圖2 線路地形分布情況概況圖

表1 遼南主要500 kV線路概況

表2 500 kV線路桿塔模塊選擇

遼南地區(qū)500 kV線路設(shè)計(jì)基本風(fēng)速有三種：28.6 m/s、30.5 m/s及32.5 m/s。結(jié)合各工程設(shè)計(jì)情況以及遼寧電網(wǎng)風(fēng)區(qū)圖(50年一遇，2013版)可以看出，大連瓦房店紅沿河核電站、大連220 kV普蘭店變電站、大連金州220 kV馬場(chǎng)變大體連線以西的臨海大連地區(qū)位于30.5 m/s、32.5 m/s風(fēng)速區(qū)，其余大連地區(qū)及營(yíng)口地區(qū)位于28.6 m/s風(fēng)速區(qū)。事實(shí)上，不同導(dǎo)線覆冰厚度對(duì)塔重及基礎(chǔ)混凝土量的影響與27 m/s風(fēng)區(qū)規(guī)律是一樣的，因此，為簡(jiǎn)化分析的邊界條件，本文將鐵塔的設(shè)計(jì)風(fēng)速統(tǒng)一按27 m/s考慮。

此外，經(jīng)計(jì)算，表1中各線路所有桿塔總數(shù)為2 694基，其中直線塔總數(shù)為2 072基，耐張塔總數(shù)為622基，平均耐張塔占比為23%，直線塔占比為77%。當(dāng)然不難計(jì)算，每個(gè)工程的轉(zhuǎn)角塔比例從11.9%～42.6%均有所區(qū)別，但為了反映整個(gè)區(qū)域的情況本文列出了迄今所有線路的塔數(shù)信息，不剔除其中個(gè)別少數(shù)轉(zhuǎn)角比例偏高或偏低的線路。該地域經(jīng)濟(jì)相對(duì)發(fā)達(dá)，障礙物設(shè)施較多，轉(zhuǎn)角比例偏高。同時(shí)特殊指出，根據(jù)圖2可以看出遼南地區(qū)地形以平地及低山丘陵為主，線路本體投資受地形影響相對(duì)較小。

2 覆冰厚度調(diào)整對(duì)塔重的影響分析

根據(jù)表2所選各相應(yīng)500 kV單雙回路桿塔模塊對(duì)各型桿塔進(jìn)行塔重對(duì)比分析，見(jiàn)表3。

由表3可知，除5E7/5E1直線塔塔重比較結(jié)果較為異常外，其他模塊各塔型的比較均在合理范圍內(nèi)。主要原因?yàn)?E7直線塔導(dǎo)線采用6相V串的懸掛方式，而5E1則采用6相I串的懸掛方式，由于懸掛方式的不同，V串塔較I串塔層間距增加約8%，橫擔(dān)長(zhǎng)度長(zhǎng)36%，鐵塔擋風(fēng)面積增加了20%左右，最終導(dǎo)致了雙回路V串塔較I串塔重。經(jīng)進(jìn)一步計(jì)算分析，雙回路V串直線塔較I串塔塔重平均增加18%，如果將這部分影響考慮進(jìn)去，即：將5E1、5E7直線塔均按I串懸掛方式進(jìn)行塔重比較，則5E7/5E1塔重平均增加32.45%－18%=14.45%，與其他模塊的比較規(guī)律基本一致。

綜上所述，導(dǎo)線覆冰由10 mm增加到15 mm，其他邊界條件相同，直線塔塔重平均增加(13.25%+15.15%+ 15.25%+14.45%)/4=14.5%，耐張塔塔重平均增加(12.15%+ 8.85%+9.85%+ 10.50%)/4=10.3%。此外，從表3還可以看出，單雙回路平均塔重的增幅是基本相當(dāng)?shù)摹?/p>

表3 典型鐵塔重量的對(duì)比

3 覆冰厚度調(diào)整對(duì)基礎(chǔ)混凝土量的影響分析

當(dāng)鐵塔設(shè)計(jì)的導(dǎo)線覆冰由10 mm變?yōu)?5 mm，其他邊界條件不變的情況下，鐵塔的擋風(fēng)面積、重量會(huì)在一定程度上增加，又因鐵塔的基礎(chǔ)作用力控制工況為大風(fēng)工況，理論上，在基礎(chǔ)根開不變的情況下，下壓力會(huì)有所增加，而上拔力則可能會(huì)減小(因塔重增加)。但由于導(dǎo)線覆冰厚度變化很小，塔重及擋風(fēng)面積的增加對(duì)作用力的影響不大，此覆冰厚度對(duì)基礎(chǔ)作用力的影響很有限，本文摘取文獻(xiàn)中典型的2型直線塔和耐張塔進(jìn)行了基礎(chǔ)作用力的比較，詳細(xì)情況見(jiàn)表4，對(duì)比的基本情況與上面的分析基本吻合。

由表4比較結(jié)果可知，導(dǎo)線覆冰厚度由10 mm變?yōu)?5 mm時(shí)，直線塔的上拔力平均增加1.0%，下壓力平均增加2.9%；耐張塔的上拔力平均增加5.4%，下壓力平均增加10.7%。按照上述作用力變化測(cè)算，直線塔基礎(chǔ)混凝土增加范圍在1.0%～2.9%左右，平均增加1.95%；耐張塔混凝土增加范圍在5.4%～10.7%，平均增加8.1%。

表4 鐵塔基礎(chǔ)作用力的對(duì)比

4 覆冰厚度調(diào)整對(duì)線路投資的影響

計(jì)算覆冰厚度調(diào)整對(duì)線路投資的影響程度，需要分別得到塔重以及混凝土量對(duì)線路本體投資影響所占的比重，為此對(duì)近年遼南區(qū)域幾條典型500 kV線路工程本體投資進(jìn)行了歸納，具體情況見(jiàn)表5。

表5 遼南典型500 kV線路安裝工程費(fèi)

從表5中近年遼南地區(qū)4條典型500 kV線路的安裝工程費(fèi)情況可以看出，混凝土工程(含安裝)投資占比約為14.9%，桿塔工程(含安裝)投資占比約為47.7%。

由此，當(dāng)500 kV線路設(shè)計(jì)冰厚由10 mm增加至15 mm時(shí)，根據(jù)前文遼南地區(qū)線路直線塔、耐張塔比例以及直線塔、耐張塔塔重及混凝土量增加比例情況，可以計(jì)算出對(duì)工程本體投資的影響比例如下：

對(duì)于20 mm冰區(qū)，在文獻(xiàn)中沒(méi)有相應(yīng)典型桿塔模塊數(shù)據(jù)供詳細(xì)技術(shù)比較分析，在我國(guó)東北地區(qū)也未有采用過(guò)該覆冰厚度的重冰區(qū)條件設(shè)計(jì)的線路，缺少可參考的實(shí)際工程數(shù)據(jù)。20 mm重冰區(qū)較常規(guī)10 mm輕冰區(qū)線路的桿塔塔頭尺寸、垂直荷載以及不平衡張力均增加較大，導(dǎo)致桿塔重量及基礎(chǔ)混凝土量隨之大幅上升。同時(shí)，受重覆冰導(dǎo)線弧垂特性影響，重冰區(qū)線路桿塔平均檔距更小(平均300 m左右)，且耐張段長(zhǎng)度更短，不超過(guò)3 km，因此，重冰區(qū)桿塔數(shù)量及耐張塔比例也較常規(guī)輕冰區(qū)線路增加顯著。

由于影響線路本體投資的各項(xiàng)主要影響指標(biāo)均變化較顯著，從具體技術(shù)角度分析20 mm冰區(qū)線路投資增加幅度是較為復(fù)雜的。從《電網(wǎng)工程限額設(shè)計(jì)控制指標(biāo)(2008年水平)》中可以查得，10 mm及20 mm冰區(qū)4×400 mm2單回500 kV線路山地地形主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表6。

表6 500 kV單回線路主要技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)表6可以計(jì)算得到，20 mm冰區(qū)塔材單公里指標(biāo)為10 mm冰區(qū)的2.38倍，混凝土單公里指標(biāo)為1.48倍。耐張塔比例的提高是由于重冰區(qū)耐張段長(zhǎng)度降低引起的，遼南地區(qū)500 kV線路如采用20 mm重冰區(qū)設(shè)計(jì)，也會(huì)由于耐張段長(zhǎng)度的特殊要求而相應(yīng)增加耐張塔比例。重冰區(qū)塔材及混凝土量上升幅度較大，因此，該兩項(xiàng)投資在本體投資中所占比例均較10 mm冰區(qū)線路工程有明顯提高。通過(guò)我國(guó)西南地區(qū)有關(guān)20 mm重冰區(qū)線路工程本體投資情況統(tǒng)計(jì)，混凝土工程(含安裝)投資占比約為20%，桿塔工程(含安裝)投資占比約為55%。據(jù)此推算，遼南地區(qū)采用20 mm重冰區(qū)設(shè)計(jì)時(shí)本體投資較10 mm冰區(qū)增加倍數(shù)約：

不難算出，表6中本體投資20 mm冰區(qū)增加倍數(shù)為168%，與上述計(jì)算結(jié)果基本相當(dāng)，因此，平均增加比約為65%。

5 結(jié)語(yǔ)

遼南地區(qū)電網(wǎng)本次50年一遇設(shè)計(jì)覆冰厚度調(diào)整區(qū)域近年新建的單雙回路500 kV線路導(dǎo)線型式為4×400 mm2及4×630 mm2。遼南地區(qū)500 kV線路平均耐張塔比例約為23%；直線塔比例約為77%。500 kV線路線路設(shè)計(jì)覆冰厚度由10 mm增加到15 mm時(shí)，直線塔塔重平均增加約14.5%；耐張塔塔重平均增加約10.3%。500 kV線路設(shè)計(jì)覆冰厚度由10 mm增加到15 mm時(shí)，直線塔基礎(chǔ)混凝土用量平均增加約1.95%；耐張塔混凝土用量平均增加約8.1%。

整體來(lái)看，遼南地區(qū)500 kV線路地形以平地及低山丘陵為主，線路本體投資受該兩種地形影響相對(duì)較小。遼南地區(qū)線路設(shè)計(jì)覆冰厚度由10 mm增加到15 mm時(shí)，500 kV線路單雙回路綜合本體投資將平均增加約7%；遼南地區(qū)線路設(shè)計(jì)覆冰厚度由10 mm增加到20 mm時(shí)，500 kV線路單雙回路綜合本體投資將平均增加約65%。

特別指出，本文僅對(duì)覆冰厚度由10 mm調(diào)整到15 mm時(shí)投資的普遍增加情況進(jìn)行了詳細(xì)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)計(jì)算及論述，受篇幅所限對(duì)于增加至20 mm的情況僅進(jìn)行大體量級(jí)的參照比對(duì)介紹。事實(shí)上，建國(guó)以來(lái)不僅遼南地區(qū)，整個(gè)東北地區(qū)的500 kV線路也未有過(guò)采用20 mm重覆冰設(shè)計(jì)的線路，對(duì)本次調(diào)整冰區(qū)圖中20 mm的區(qū)域整體抬高至此厚度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，筆者認(rèn)為是沒(méi)有必要的，相應(yīng)增加桿塔稀有覆冰驗(yàn)算工況時(shí)適當(dāng)提高抗冰強(qiáng)度即可，對(duì)本體投資影響可以接受。

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