基于絕緣材料橫擔(dān)緊湊型輸電線(xiàn)路全壽命周期經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

鐘準(zhǔn)

摘 ?要：為了比較復(fù)合絕緣橫擔(dān)塔與傳統(tǒng)鐵塔的經(jīng)濟(jì)性差異，該文選擇實(shí)際220 kV輸電線(xiàn)路工程案例，通過(guò)對(duì)鐵塔使用方案替代，得出使用復(fù)合絕緣材料橫擔(dān)（下文簡(jiǎn)稱(chēng)復(fù)合橫擔(dān)）可大幅減小串長(zhǎng)，減小塔頭尺寸和線(xiàn)路走廊寬度，降低鐵塔高度，節(jié)省基礎(chǔ)材料用量等。結(jié)合工程實(shí)際進(jìn)行桿塔優(yōu)化排位計(jì)算，結(jié)果表明：相比傳統(tǒng)鐵塔，復(fù)合橫擔(dān)塔能節(jié)省20%～30%塔材耗量和10%左右基礎(chǔ)工程量，縮減走廊寬度高達(dá)15%～30%。最后綜合輸電線(xiàn)路一次性建設(shè)成本、運(yùn)維成本和后期事故損失成本3個(gè)方面的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比，得出基于復(fù)合橫擔(dān)的解決方案相較于傳統(tǒng)方案在電網(wǎng)建設(shè)全壽命周期內(nèi)具有明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：架空輸電線(xiàn)路;復(fù)合橫擔(dān);傳統(tǒng)鐵塔;全壽命經(jīng)濟(jì)性比較

中圖分類(lèi)號(hào)：TM726 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著電網(wǎng)建設(shè)的發(fā)展，架空輸電線(xiàn)路工程對(duì)鋼材的需求量日益增大，消耗了大量的資源，也造成了生態(tài)環(huán)境的嚴(yán)重污染;目前，節(jié)能環(huán)保倍受重視，新型節(jié)能環(huán)保材料用于替代或者部分替代鋼材應(yīng)用到輸電桿塔中具有工程價(jià)值。

通過(guò)合理的設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)復(fù)合材料新型桿塔，可達(dá)到以下4個(gè)預(yù)期效果。1）性能更優(yōu)越：分利用復(fù)合材料的絕緣特性，縮短或去除懸垂絕緣長(zhǎng)度，降低線(xiàn)路風(fēng)偏閃絡(luò)概率。2）成本更經(jīng)濟(jì)：利用復(fù)合材料的絕緣特性，可有效縮短橫擔(dān)長(zhǎng)度、減小走廊寬度和拆遷費(fèi)用;降低塔高，減小導(dǎo)、地線(xiàn)荷載作用（風(fēng)荷作用、線(xiàn)條不平衡張力所產(chǎn)生的扭、彎矩），塔重降低、基礎(chǔ)混凝土量小，減小安裝、運(yùn)輸費(fèi)用。3）資源更節(jié)約：統(tǒng)鐵塔原材料為鐵礦石，需要大量進(jìn)口，而復(fù)合材料的主要原材料為二氧化硅礦石，中國(guó)蘊(yùn)藏量豐富，采用復(fù)合材料更有利于節(jié)約和有效利用本土資源。4）環(huán)境更友好：合成材料制品與鋼構(gòu)件相比，生產(chǎn)能耗低，減小環(huán)境污染;同時(shí)復(fù)合材料易加工、顏色可調(diào)，能夠與環(huán)境協(xié)調(diào)，可增強(qiáng)線(xiàn)路的環(huán)境友好性。

綜上所述，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)，在輸電線(xiàn)路工程中應(yīng)用復(fù)合材料，具有重要的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 復(fù)合橫擔(dān)塔塔頭布置

1.1 絕緣配置

該文選取220 kV單、雙回路復(fù)合橫擔(dān)直線(xiàn)塔作為設(shè)計(jì)案例，將各案例的典型工況作為設(shè)計(jì)輸入條件，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，規(guī)劃的復(fù)合橫擔(dān)塔使用條件見(jiàn)表2。

絕緣配置和防雷按照國(guó)標(biāo)（GB 50545—2010[1]，該文提及的GB 50545皆為該版本）進(jìn)行計(jì)算。

導(dǎo)線(xiàn)布置按照國(guó)標(biāo)（GB 50545—2010）進(jìn)行計(jì)算，由于復(fù)合橫擔(dān)塔本身具有絕緣特性，無(wú)需使用懸垂絕緣子，導(dǎo)線(xiàn)垂直線(xiàn)間距按照水平線(xiàn)間距計(jì)算結(jié)果的75%取值即可。

1.2 最小塔頭尺寸

案例1與案例2按照0.8 m串長(zhǎng)繪制間隙圓。相間距和防雷保護(hù)角均執(zhí)行國(guó)標(biāo)中要求。

針對(duì)2種案例的最小塔頭尺寸進(jìn)行了電磁環(huán)境模擬仿真，其結(jié)果均滿(mǎn)足GB 50545的相關(guān)要求。

1.3 最短金具串長(zhǎng)

由于鐵塔復(fù)合橫擔(dān)是絕緣體，導(dǎo)線(xiàn)可直接通過(guò)金具串掛在橫擔(dān)上，此種設(shè)計(jì)可以大幅降低由金具串風(fēng)偏導(dǎo)致的放電故障概率。但是需要考慮因?qū)Ь€(xiàn)斷線(xiàn)而產(chǎn)生的不平衡張力。根據(jù)GB 50545規(guī)定，懸垂塔導(dǎo)線(xiàn)的最不平衡張力應(yīng)滿(mǎn)足表10.1.7規(guī)定。按照該文2.2節(jié)中的技術(shù)條件，以連續(xù)5檔，選取第一檔50%子導(dǎo)線(xiàn)斷線(xiàn)的工況為例，計(jì)算出這2種案例在不同金具串長(zhǎng)（0.8 m，1 m，1.5 m，2 m和2.5 m）情況下分裂導(dǎo)線(xiàn)的縱向不平衡張力。桿塔分裂導(dǎo)線(xiàn)縱向不平衡張力均低于最大使用張力的10%，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。對(duì)于案例1和案例2，選取金具串長(zhǎng)為0.8 m。

綜合可知，對(duì)于復(fù)合材料直線(xiàn)塔，可以縮短橫擔(dān)長(zhǎng)度和塔頭尺寸，從而減小導(dǎo)線(xiàn)荷載和塔頭風(fēng)荷載作用，降低塔重和基礎(chǔ)作用力。

2 復(fù)合橫擔(dān)塔設(shè)計(jì)對(duì)比

以下復(fù)合橫擔(dān)塔的設(shè)計(jì)均遵循國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 5154—2012[2]。

2.1 220 kV單回路復(fù)合橫擔(dān)塔

對(duì)于220 kV的單回路復(fù)合橫擔(dān)桿塔，以南方電網(wǎng)公司220 kV輸變電工程通用設(shè)計(jì)直線(xiàn)塔2F1W8-ZH2作為對(duì)比對(duì)象，呼高取值為36 m。在相同設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下，建立上字型復(fù)合橫擔(dān)塔。2種鐵塔計(jì)算結(jié)果表明，將傳統(tǒng)酒杯塔改成復(fù)合橫擔(dān)上字型桿塔，與原酒杯塔相比，走廊寬度大幅減少53.4%，鋼材耗量減少31.88%，優(yōu)勢(shì)明顯。

2.2 220 kV雙回路復(fù)合橫擔(dān)塔

對(duì)于220 kV的雙回路復(fù)合橫擔(dān)桿塔，以南方電網(wǎng)公司220 kV輸變電工程通用設(shè)計(jì)直線(xiàn)塔2C2Wd-Z2作為對(duì)比對(duì)象，呼高取值為30 m。在相同設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下，建立傘型復(fù)合橫擔(dān)塔。2種鐵塔計(jì)算結(jié)果表明，220 kV雙回路復(fù)合橫擔(dān)塔外形與原典設(shè)塔的類(lèi)型一致，復(fù)合橫擔(dān)塔的塔高降低13%。其中，走廊寬度的降幅最大，減少39.71%，這對(duì)于征地成本昂貴的地區(qū)具有明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

3 復(fù)合橫擔(dān)塔在運(yùn)維上的優(yōu)勢(shì)

復(fù)合橫擔(dān)塔一方面由于使用了更為精簡(jiǎn)的塔身結(jié)構(gòu)，省去了傳統(tǒng)的絕緣子掛串，相比傳統(tǒng)鐵塔可以減少絕緣子清掃、更換等工作;另一方面可以使鐵塔的橫擔(dān)防腐除銹等相關(guān)維護(hù)工作大為減少。通過(guò)測(cè)算可以看出采用復(fù)合橫擔(dān)可以大幅度減少線(xiàn)路巡視頻率和絕緣子相關(guān)檢測(cè)項(xiàng)目及周期，經(jīng)濟(jì)效益巨大。

4 經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

4.1 架空輸電線(xiàn)路建設(shè)成本的分析

對(duì)220 kV單、雙回50 km輸電線(xiàn)路進(jìn)行計(jì)算分析，對(duì)比復(fù)合橫擔(dān)塔方案與傳統(tǒng)角鋼塔方案的經(jīng)濟(jì)性差異，其比較結(jié)果見(jiàn)表3。

從表3可以看出，在220 kV單回路輸電線(xiàn)路工程中，選取同樣使用條件下，復(fù)合橫擔(dān)塔可以降低呼高5.56%，節(jié)省塔材31.79%，縮窄水平線(xiàn)間距離53.41%，即線(xiàn)路走廊寬度減少53.41%。塔頭和塔身尺寸減小導(dǎo)致基礎(chǔ)方量減少31.79%。同時(shí)完全省去了傳統(tǒng)懸垂絕緣子串的材料和相關(guān)運(yùn)輸安裝的成本。從數(shù)據(jù)分析可以得出復(fù)合橫擔(dān)塔單基塔本體造價(jià)比傳統(tǒng)方案低4.83%，結(jié)合復(fù)合橫擔(dān)塔省塔基占地和走廊寬度的優(yōu)勢(shì)，綜合線(xiàn)路征地賠償費(fèi)用，單基塔靜態(tài)投資對(duì)比：復(fù)合橫擔(dān)塔低于傳統(tǒng)角鋼塔10.39%。

可以看出，在220 kV雙回路輸電線(xiàn)路工程中，在相同的使用條件下，復(fù)合橫擔(dān)塔可以降低呼高6.67%，節(jié)省塔材35.67%，縮窄水平線(xiàn)間距離39.71%，即線(xiàn)路走廊寬度減少39.71%。塔頭和塔身尺寸減小導(dǎo)致基礎(chǔ)方量減少35.67%。同時(shí)完全省去了傳統(tǒng)懸垂絕緣子串的材料和相關(guān)運(yùn)輸安裝的成本。

4.2 架空輸電線(xiàn)路運(yùn)維成本的分析

結(jié)合國(guó)內(nèi)架空輸電線(xiàn)路運(yùn)行過(guò)程中的維護(hù)工作，可以大致測(cè)算一條輸電線(xiàn)路在設(shè)計(jì)壽命（30年）內(nèi)的后期運(yùn)維成本。結(jié)合4.1節(jié)的結(jié)論，復(fù)合橫擔(dān)塔在運(yùn)維期間的優(yōu)勢(shì)非常明顯。

根據(jù)調(diào)研資料顯示，大部分架空輸電線(xiàn)路事故發(fā)生在絕緣子處。而復(fù)合橫擔(dān)采用優(yōu)異的復(fù)合材料，具有良好的力學(xué)性能和優(yōu)異的抗污、抗紫外線(xiàn)性能。經(jīng)過(guò)嚴(yán)苛的實(shí)驗(yàn)論證，復(fù)合橫擔(dān)可做到線(xiàn)路全壽命周期免（少）維護(hù)，能大大提高輸電線(xiàn)路的可靠性，減少事故停電損失。提高電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性才是真正從本質(zhì)上降低電網(wǎng)建設(shè)全壽命周期的投資成本。

5 結(jié)論

該文以實(shí)際220 kV輸電線(xiàn)路工程為例，通過(guò)對(duì)其鐵塔使用復(fù)合橫擔(dān)進(jìn)行方案替代并進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)合工程實(shí)際進(jìn)行桿塔優(yōu)化排位，選取適合復(fù)合橫擔(dān)塔的經(jīng)濟(jì)定位呼高、檔距，進(jìn)而減少線(xiàn)路鐵塔數(shù)量和工程相關(guān)材料用量。通過(guò)計(jì)算分析可以得到以下主要結(jié)論。1）對(duì)于復(fù)合材料直線(xiàn)塔，可縮短橫擔(dān)長(zhǎng)度和塔頭尺寸，從而減小導(dǎo)線(xiàn)荷載和塔頭風(fēng)荷載作用，可降低塔重和基礎(chǔ)作用力，可降低塔重和基礎(chǔ)作用力，節(jié)省工程投資，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。2）相較于對(duì)應(yīng)的傳統(tǒng)方案，220 kV單回路復(fù)合橫擔(dān)塔呼高可下降2 m左右，走廊寬度大幅減少53.4%，鋼材耗量減少31.88%;220 kV雙回路復(fù)合橫擔(dān)塔呼高可下降2 m左右，塔高降低13%，走廊寬度大幅減少39.71%。全線(xiàn)使用復(fù)合橫擔(dān)塔方案，可以降低工程總體造價(jià)，相較于傳統(tǒng)方案，經(jīng)濟(jì)性?xún)?yōu)勢(shì)非常明顯。3）以30年計(jì)算，通過(guò)模型測(cè)算可以得出，采用復(fù)合橫擔(dān)可以大幅度減少因絕緣子清掃、RTV噴涂和防鳥(niǎo)設(shè)備安裝等相關(guān)運(yùn)維費(fèi)用支出。相對(duì)于傳統(tǒng)瓷、玻璃或復(fù)合絕緣子線(xiàn)路運(yùn)維，可以大幅度減少線(xiàn)路巡視頻率和絕緣子相關(guān)檢測(cè)項(xiàng)目及周期。

綜合架空輸電線(xiàn)路一次性建設(shè)成本、運(yùn)維成本和后期事故損失成本3個(gè)方面的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比，基于復(fù)合橫擔(dān)的架空輸電線(xiàn)路解決方案相較于傳統(tǒng)方案在電網(wǎng)建設(shè)全壽命周期內(nèi)具有明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

參考文獻(xiàn)

[1]中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì).110 kV～750 kV架空輸電線(xiàn)路設(shè)計(jì)規(guī)范 GB 50545—2010[S].中國(guó)計(jì)劃出版社，2010：24-30.

[2]電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院.架空輸電線(xiàn)路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定 DL/T 5154—2012[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2012：40-44.