福建省內(nèi)110 kV 輸電線路工程低碳設(shè)計(jì)探討

李宏進(jìn) 陳旭林 林原辰 陳俊

（中國(guó)電建集團(tuán)福建省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司 福建福州 350003）

0 引言

為實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”的目標(biāo)，節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境、減少排放，全面推進(jìn)福建省輸變電工程低碳設(shè)計(jì)，國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司組織開展了2021 年福建省內(nèi)輸變電工程設(shè)計(jì)競(jìng)賽。福建院參加了線路部分的競(jìng)賽，通過對(duì)國(guó)內(nèi)新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備的對(duì)比分析，從路徑選擇、導(dǎo)地線選型、絕緣配合及防雷接地、桿塔設(shè)計(jì)、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、電纜優(yōu)化設(shè)計(jì)、環(huán)水保設(shè)計(jì)、全過程機(jī)械化施工技術(shù)、新型電力系統(tǒng)下智慧輸電線路、三維數(shù)字化設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行亮點(diǎn)設(shè)計(jì)。本文通過對(duì)部分設(shè)計(jì)亮點(diǎn)的重點(diǎn)論述，結(jié)合依托工程及福建省內(nèi)工程實(shí)際情況，探討符合福建省特色的低碳節(jié)能設(shè)計(jì)新技術(shù)。

1 依托工程概況

本工程依托福建泉州晉江官橋～加工區(qū)π 入后坑變、官橋～后坑π 入紫帽變110 kV 線路工程。線路采用單回路架空、雙回路架空和雙回路電纜混合架設(shè)，其中110 kV 紫帽進(jìn)線段、官加線改接段采用單回路架空架設(shè)，長(zhǎng)度為0.5 km；紫帽變至進(jìn)區(qū)大道南采用同塔雙回路架空架設(shè)，長(zhǎng)度為4.9 km；進(jìn)區(qū)大道南至后坑變采用雙回路電纜溝敷設(shè)，長(zhǎng)度為3.3 km［1］。

線路建設(shè)地點(diǎn)為泉州市晉江市、南安市，沿線海拔高程在0 m～100 m，沿線地形比例為平地51%、丘陵49%。沿線可利用的道路主要有324 國(guó)道、鄉(xiāng)村公路等，全線交通條件較好，如圖1 所示。

圖1 工程現(xiàn)狀

本依托工程有2 個(gè)特點(diǎn)：線路航空線范圍內(nèi)障礙物密集，如何合理規(guī)劃線路走向，工程造價(jià)最經(jīng)濟(jì)；線路位于福建沿海屬于大風(fēng)速區(qū)，如何采用新技術(shù)提高線路的抗風(fēng)能力，保證運(yùn)行安全。根據(jù)依托工程實(shí)際情況，本文將從架空線路電氣、結(jié)構(gòu)，電纜設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行低碳設(shè)計(jì)探討。

2 架空線路電氣部分

架空線路電氣低碳設(shè)計(jì)涵蓋了路徑選擇及優(yōu)化、導(dǎo)地線選型、絕緣子設(shè)計(jì)、防雷與接地等內(nèi)容，主要從路徑選擇和導(dǎo)線選擇2 個(gè)方面進(jìn)行低碳設(shè)計(jì)的探討。

2.1 路徑選擇及優(yōu)化

線路航空線附近有密集的居民區(qū)、規(guī)劃工業(yè)用地、城區(qū)大道等障礙物，本工程利用無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)對(duì)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集，利用自主研發(fā)的CAD/GIS 數(shù)字平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，同時(shí)導(dǎo)入到數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)進(jìn)行多方案對(duì)比選線。合理地利用對(duì)舊線路的開斷位置，與已建的官加線并行，優(yōu)化線路間距，節(jié)約線路走廊寬度，如圖2 所示；結(jié)合當(dāng)?shù)貐^(qū)域的規(guī)劃，利用城市道路綠化帶走線，減少占用城市土地資源；避讓基本農(nóng)田，采用電纜敷設(shè)方案從基本農(nóng)田的空隙中穿行。利用數(shù)字化技術(shù)可以搭建復(fù)原精確的工程模型，實(shí)現(xiàn)可視化設(shè)計(jì)，也將會(huì)不斷提升線路設(shè)計(jì)的精細(xì)化程度，實(shí)現(xiàn)各專業(yè)信息共享，如圖3 所示。

圖2 推薦方案與已建的官加線并行

圖3 通道原景搭建

2.2 導(dǎo)線選擇

依托工程位于福建沿海地區(qū)屬于大風(fēng)速區(qū)，基本設(shè)計(jì)風(fēng)速為33 m/s，提高線路的抗風(fēng)能力是本工程的設(shè)計(jì)重點(diǎn)，主要從導(dǎo)線部分進(jìn)行優(yōu)化選擇。對(duì)導(dǎo)線進(jìn)行了輸送容量、電阻損耗、經(jīng)濟(jì)性、工程費(fèi)用等方面進(jìn)行全壽命周期專題對(duì)比分析，低風(fēng)壓鋁合金芯高導(dǎo)電率鋁絞線JL3X/LHA1（DFY）-135/140 是最優(yōu)的選擇。對(duì)導(dǎo)線廠家進(jìn)行了國(guó)內(nèi)新型導(dǎo)線的調(diào)研，國(guó)內(nèi)廠家具備生產(chǎn)低風(fēng)壓鋁合金芯高導(dǎo)電率鋁絞線能力，導(dǎo)線的外側(cè)設(shè)計(jì)為特殊凹槽構(gòu)造，表面形成一定的粗糙度，從而降低導(dǎo)線的體型系數(shù)；導(dǎo)線的導(dǎo)電層采用特殊型線結(jié)構(gòu)，可以減小導(dǎo)線的外徑；導(dǎo)線體型系數(shù)和外徑的減小可降低其受到的風(fēng)荷載影響，能有效地減小耗鋼［2］。低風(fēng)壓鋁合金芯高導(dǎo)電率鋁絞線也是節(jié)能導(dǎo)線，可有效地減少電能損耗，符合低碳設(shè)計(jì)理念。在福建沿海地區(qū)大力推廣低風(fēng)壓節(jié)能導(dǎo)線的應(yīng)用，對(duì)新型導(dǎo)線的推廣應(yīng)用具有里程碑的意義，目前在福建莆田已有1 條110 kV 的線路工程試點(diǎn)應(yīng)用，后續(xù)隨著技術(shù)和工藝的進(jìn)步更多的新型節(jié)能導(dǎo)線應(yīng)用到線路工程中。

通過對(duì)CAD/GIS 數(shù)字平臺(tái)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)路徑多方案對(duì)比優(yōu)化、對(duì)低風(fēng)壓節(jié)能導(dǎo)線的選型比較等內(nèi)容闡述，從架空線路電氣專業(yè)角度實(shí)現(xiàn)低碳設(shè)計(jì)。

3 架空線路結(jié)構(gòu)部分

根據(jù)依托工程的實(shí)際情況，架空線路結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行了桿塔專項(xiàng)設(shè)計(jì)、基礎(chǔ)專項(xiàng)設(shè)計(jì)，從這2 個(gè)方面進(jìn)行低碳設(shè)計(jì)的探討。

3.1 桿塔專項(xiàng)設(shè)計(jì)

參照以往國(guó)網(wǎng)設(shè)計(jì)競(jìng)賽的經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)工程實(shí)際排桿情況進(jìn)行桿塔規(guī)劃設(shè)計(jì)，高強(qiáng)鋼選用、耐候鋼試點(diǎn)應(yīng)用，風(fēng)帆型、雁翅型景觀塔特殊設(shè)計(jì)等前沿的技術(shù)都會(huì)被提及。本次主要探討復(fù)合材料橫擔(dān)及5G 共享鐵塔。

本工程推薦方案一部分在進(jìn)區(qū)大道路邊綠化帶走線。泉州晉江地區(qū)經(jīng)濟(jì)相對(duì)發(fā)達(dá)，土地資源寶貴，如何減少塔基占地、減小線路的走廊寬度是本工程重點(diǎn)考慮的問題。常規(guī)的角鋼塔跟開大已經(jīng)不適合本工程，對(duì)鋼管桿和窄基鋼管塔的方案進(jìn)行了對(duì)比分析，雖鋼管桿單公里造價(jià)略高于窄基鋼管塔，但是鋼管桿的基礎(chǔ)范圍小于窄基鋼管塔的基礎(chǔ)范圍，更符合工程現(xiàn)狀，綜合考慮，仍建議采用鋼管桿。同時(shí)基于設(shè)計(jì)院自有專利技術(shù)“一種220 kV 鋼管桿復(fù)合材料橫擔(dān)”進(jìn)行110 kV鋼管桿的深化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)成“一拉兩壓”式復(fù)合橫擔(dān)，可有效縮短橫擔(dān)長(zhǎng)度、降低塔高、減少走廊寬度。國(guó)內(nèi)復(fù)合材料橫擔(dān)在不同地區(qū)、各種電壓等級(jí)都有試點(diǎn)應(yīng)用，特別是在1 000 kV 及800 kV 特高壓工程中有應(yīng)用，應(yīng)用情況良好。目前福建省內(nèi)主網(wǎng)復(fù)合材料橫擔(dān)暫時(shí)沒有應(yīng)用，可通過設(shè)計(jì)競(jìng)賽試點(diǎn)應(yīng)用，積累設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維等相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)省內(nèi)的推廣應(yīng)用提供借鑒。

5G 共享鐵塔也是近幾年的熱點(diǎn)，通過鐵塔資源的共享，實(shí)現(xiàn)電力鐵塔功能的延伸，從而節(jié)約土地、鋼材等資源，實(shí)現(xiàn)利益的最大化。共享鐵塔將融合電力和通信，發(fā)揮出“1+1>2”的作用，加快5G 技術(shù)的發(fā)展及推廣［3］。同時(shí)共享鐵塔可有效降低重復(fù)建設(shè)造成的新增成本，實(shí)現(xiàn)低碳可持續(xù)發(fā)展。

3.2 基礎(chǔ)專項(xiàng)設(shè)計(jì)

根據(jù)依托工程的地質(zhì)、地下水情況，適合的基礎(chǔ)型式平地段主要是灌注樁基礎(chǔ)和板式基礎(chǔ)，山丘段主要是挖孔基礎(chǔ)和掏挖基礎(chǔ)。上述基礎(chǔ)型式應(yīng)用比較成熟，但是隨著更加重視施工安全、普及機(jī)械化施工、水保同步驗(yàn)收，需要對(duì)原有的基礎(chǔ)型式進(jìn)行升級(jí)改造，提出適合低碳環(huán)保的新型基礎(chǔ)型式。

目前平地段新型基礎(chǔ)主要是螺旋錨基礎(chǔ)，國(guó)內(nèi)多家單位在進(jìn)行試點(diǎn)應(yīng)用。山地段的新型基礎(chǔ)主要是微型樁基礎(chǔ)，微型樁基礎(chǔ)的計(jì)算原理、試驗(yàn)效果等相關(guān)內(nèi)容需要等試點(diǎn)應(yīng)用情況統(tǒng)一驗(yàn)證，福建省內(nèi)微型樁基礎(chǔ)在福廈特高壓工程進(jìn)行試點(diǎn)應(yīng)用。山地段另外一種值得推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)型式為巖石錨桿基礎(chǔ)，也是本次設(shè)計(jì)競(jìng)賽的專題要求，開展適用于福建省內(nèi)的巖石錨桿基礎(chǔ)設(shè)計(jì)應(yīng)用研究。

國(guó)內(nèi)多家電力設(shè)計(jì)院根據(jù)省內(nèi)地質(zhì)情況開展了巖石錨桿基礎(chǔ)的試驗(yàn)與理論計(jì)算模型的研究，從不同的地質(zhì)形式、上拔承載力機(jī)理、破壞模型等方面進(jìn)行了研究，積累了諸多研究成果，在福建省內(nèi)可以借鑒應(yīng)用。

福建省山地面積約占全省陸地面積的75%，上層為土層、下部為巖石的地質(zhì)情況在省內(nèi)普遍常見。在上層為土層（厚度約為2.5 m～4.0 m），下部為巖層（包括微風(fēng)化、中風(fēng)化的各類巖石）的地質(zhì)條件非常適用巖石錨桿基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)院結(jié)構(gòu)人員從2014 年開始就開展巖石錨桿基礎(chǔ)的技術(shù)研究，并在省內(nèi)工程進(jìn)行試點(diǎn)應(yīng)用，可減小土方開挖，減少混凝土方量，減小對(duì)塔位周邊環(huán)境的破壞，試點(diǎn)應(yīng)用工程效果顯著。但是近幾年試點(diǎn)應(yīng)用的成果很難在省內(nèi)工程大力推廣，主要原因在于選擇的巖石錨桿塔位數(shù)量少且非連續(xù)性，施工單位機(jī)械進(jìn)場(chǎng)麻煩，最后都被挖孔基礎(chǔ)替代。為提高輸電線路的機(jī)械化施工率，減少土方開挖，保護(hù)自然環(huán)境，白浙直流特高壓工程對(duì)巖石錨桿基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行了重新梳理，調(diào)整了適用坡度及巖性的要求，省內(nèi)福廈特高壓工程基礎(chǔ)也參照該原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，后續(xù)省內(nèi)工程可參照白浙線、福廈特高壓工程的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行情況進(jìn)行借鑒。巖石錨桿基礎(chǔ)適用條件合理放寬，經(jīng)過大力的推廣應(yīng)用，也將成為常規(guī)基礎(chǔ)。

通過對(duì)桿塔、基礎(chǔ)2 方面的闡述，結(jié)合目前依托工程及福建省實(shí)際情況，適合的新技術(shù)可在試點(diǎn)工程中進(jìn)行應(yīng)用，不斷應(yīng)用、總結(jié)，整個(gè)行業(yè)才會(huì)進(jìn)步，才能實(shí)現(xiàn)低碳設(shè)計(jì)。

4 電纜部分

主要從電纜優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行探討，設(shè)計(jì)亮點(diǎn)包括大長(zhǎng)度電纜、新型電纜橋架方案、預(yù)制電纜溝/排管技術(shù)、電纜工井鋼模板與頂板兩合一技術(shù)、電纜三維數(shù)字化設(shè)計(jì)等內(nèi)容，本文主要介紹大長(zhǎng)度電纜及電纜三維數(shù)字化設(shè)計(jì)。

4.1 大長(zhǎng)度電纜

本工程電纜部分長(zhǎng)度為3.3 km，目前常規(guī)方案是按500 m左右進(jìn)行分段敷設(shè)，中間通過接頭來實(shí)現(xiàn)電纜的連續(xù)。接頭主要為絕緣接頭和接頭防火防爆盒，單個(gè)接頭的造價(jià)約為4 萬元。本工程設(shè)計(jì)需約42 個(gè)接頭，電纜接頭數(shù)量的增加加大了線路的投資，同時(shí)也增加了電纜線路的運(yùn)維難度，供電系統(tǒng)的故障率也相應(yīng)提高。結(jié)合現(xiàn)有工程應(yīng)用情況及國(guó)內(nèi)電纜生產(chǎn)情況提出大長(zhǎng)度電纜應(yīng)用方案。大長(zhǎng)度電纜可以取消或者減少中間接頭，經(jīng)過測(cè)算可以減少接頭數(shù)量18 個(gè)。國(guó)內(nèi)電纜廠家對(duì)大長(zhǎng)度電纜也進(jìn)行了相應(yīng)的研發(fā)，試點(diǎn)工程中也有應(yīng)用，生產(chǎn)成本和運(yùn)輸成本會(huì)高于普通的電纜長(zhǎng)度，但是敷設(shè)安裝施工周期、線路造價(jià)成本、運(yùn)營(yíng)維護(hù)、線路可靠性等方面，大長(zhǎng)度電纜都會(huì)優(yōu)于普通電纜長(zhǎng)度。目前福建省內(nèi)沒有工程應(yīng)用，可以在該依托工程進(jìn)行試點(diǎn)應(yīng)用，通過大長(zhǎng)度電纜的應(yīng)用可有效地減少電纜附件使用，減少故障點(diǎn)，提高線路安全可靠性，減少電纜線路的運(yùn)維工作量，從而推廣應(yīng)用到其他電纜工程［4］。

4.2 電纜三維數(shù)字化設(shè)計(jì)

相較于架空線路的三維數(shù)字化設(shè)計(jì)快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)電纜三維數(shù)字化設(shè)計(jì)進(jìn)展相對(duì)緩慢，目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上主流的電纜三維軟件為博超和道亨2 家。電纜三維數(shù)字化設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于電纜通道場(chǎng)景的還原，平臺(tái)能夠自動(dòng)解析地下管線數(shù)據(jù)的圖形和屬性信息，特別是解析與線路平行的地下管線，同時(shí)能夠進(jìn)行標(biāo)識(shí)，方便設(shè)計(jì)人員進(jìn)行判斷。目前勘測(cè)專業(yè)通過自主研發(fā)CAD/GIS 數(shù)字平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將各類管線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化輸出DXF 格式的測(cè)繪圖，電纜三維平臺(tái)讀取測(cè)繪圖，實(shí)現(xiàn)通道的還原，設(shè)計(jì)人員在數(shù)字化平臺(tái)進(jìn)行電纜路徑的選擇，隨時(shí)校驗(yàn)與現(xiàn)有管道的安全距離，規(guī)避障礙物，電纜三維可視化操作進(jìn)一步提升了設(shè)計(jì)速度和質(zhì)量。

5 結(jié)語

本文依托省內(nèi)設(shè)計(jì)競(jìng)賽工程進(jìn)行低碳設(shè)計(jì)探討，同時(shí)結(jié)合福建省沿海大風(fēng)速區(qū)、多山地等實(shí)際情況，主要探討了低風(fēng)壓節(jié)能導(dǎo)線、復(fù)合材料橫擔(dān)、巖石錨桿基礎(chǔ)等相關(guān)技術(shù)，節(jié)約塔材、減少走廊寬度、減少土方開挖、減少混凝土量等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)省內(nèi)線路工程低碳設(shè)計(jì)。