劉利林，周魁，馬凌，高選

(中南電力設(shè)計院，武漢市，430071)

0 引言

“十二五”期間，國家電網(wǎng)公司規(guī)劃投資5 000億元，將建設(shè)特高壓輸電線路4萬km、變電(換流)容量4.3億kVA，到2015年建成“三縱三橫”特高壓交流骨干網(wǎng)架和11回特高壓直流輸電工程，形成大規(guī)?！拔麟姈|送”、“北電南送”的能源配置格局［1］。為了節(jié)省輸電走廊、提高線路走廊的輸電功率，后續(xù)規(guī)劃的特高壓交流輸電線路大多采用同塔雙回輸電技術(shù)［2］。對于特高壓交流同塔雙回輸電線路，由于其桿塔高、桿塔重，桿塔費(fèi)用所占工程總投資的比例增大，針對這一問題，本文將探討其經(jīng)濟(jì)檔距，這對于桿塔規(guī)劃的優(yōu)化和降低工程總投資具有重要意義。

1 理想平地條件下的經(jīng)濟(jì)檔距計算

理想平地可視作線路工程的一種特殊情況，即全線路的高程相等，沿線任何一點(diǎn)均可以設(shè)立桿塔。在理想平地上排出塔位的桿塔塔高、檔距、弧垂均相同，在某一塔高和檔距時工程總費(fèi)用最低。此種情況下的塔高和檔距稱為理想經(jīng)濟(jì)塔高和經(jīng)濟(jì)檔距。

在理想平地情況下，桿塔高度計算公式為

式中:K為定位弧垂系數(shù);L為檔距，m;λ為絕緣子串長度，m;d為對地距離，m。

理想平地工程最低總費(fèi)用［3-4］為

式中:Cmin為從線路起點(diǎn)到終點(diǎn)最低總費(fèi)用;mi為在 i檔距下線路的桿塔數(shù)量;Ci為在i檔距下1基桿塔的塔材費(fèi)用;Di為在 i檔距下1基桿塔的絕緣子串費(fèi)用;Ei為在 i檔距下1基桿塔的基礎(chǔ)費(fèi)用;Fi為在 i檔距下1基桿塔的其他費(fèi)用。

通過式(2)可算出在理想平地條件下，不同檔距時的工程總費(fèi)用，通過比較工程總費(fèi)用即可求出經(jīng)濟(jì)檔距(經(jīng)濟(jì)塔高)。圖1為按導(dǎo)線8×JL/G1A-630/45、對地距離為21 m、最大覆冰為10 mm、最大風(fēng)速為27 m/s氣象條件的特高壓交流同塔雙回線路，在不同檔距條件下的檔距與每km工程總費(fèi)用的關(guān)系。

圖1 檔距與每km工程總費(fèi)用關(guān)系Fig.1 Relationship between total cost per km and span

由圖1中的曲線可以看出，在檔距為598 m(對應(yīng)塔高為61 m)時，每km工程總費(fèi)用最低，因此可以確定特高壓交流同塔雙回輸電線路工程在理想平地情況下的經(jīng)濟(jì)檔距為598 m(對應(yīng)的經(jīng)濟(jì)塔高為61 m)。

2 敏感性分析

2.1 氣象條件的影響

工程的實(shí)際條件與理想平地存在較大的差異，因此理想平地條件下計算出的經(jīng)濟(jì)檔距僅具有參考價值，研究實(shí)際工程的經(jīng)濟(jì)檔距還需要考慮諸多因素的影響。下面就從氣象條件、地形條件、導(dǎo)線型式、對地距離及鐵塔材料等5個方面，針對特高壓交流同塔雙回路輸電線路的經(jīng)濟(jì)檔距作敏感性分析。

不同風(fēng)速條件下檔距與每km工程總費(fèi)用關(guān)系曲線如圖2所示，圖中曲線0為理想平地條件下檔距與每km工程總費(fèi)用的關(guān)系曲線，曲線1為風(fēng)速取30 m/s時的情形，其他條件與曲線0一致。由圖2可以看出，曲線0與曲線1的結(jié)論一致，即:在檔距為598 m(相應(yīng)塔高為61 m)時每km工程總費(fèi)用最低。由此可見，風(fēng)速由27 m/s增至30 m/s時，經(jīng)濟(jì)檔距的變化很小，基本一致。

圖2 不同風(fēng)速條件下檔距與每km工程總費(fèi)用關(guān)系曲線Fig.2 Relationship between total cost per km and span under different wind speeds

不同覆冰條件下檔距與每km工程總費(fèi)用關(guān)系曲線如圖3所示，圖3中曲線2、3為理想條件下(指沿線任何一點(diǎn)均可以設(shè)立桿塔，下同)風(fēng)速為30 m/s、15 mm覆冰的山地區(qū)段每km工程總費(fèi)用與檔距的關(guān)系，對地距離、導(dǎo)線型式等與曲線0一致，但導(dǎo)線K值變化較大，取9.14e-5(代表檔距按500 m)。當(dāng)檔距小于500 m時按雙聯(lián)Ⅰ串300 kN級絕緣子計算，檔距大于500 m但小于580 m時按雙聯(lián)Ⅰ串420 kN級絕緣子計算，檔距大于580 m時按雙聯(lián)Ⅰ串550 kN級絕緣子計算，其中曲線2按復(fù)合絕緣子考慮，曲線3按盤式絕緣子考慮。

由圖3可以看出，曲線3的拐點(diǎn)(指總費(fèi)用最低點(diǎn)，下同)受盤式絕緣子價格差異的影響較大，檔距為507和587 m時絕緣子費(fèi)用的增加使工程總費(fèi)用陡然增加，因此拐點(diǎn)出現(xiàn)在檔距為496 m時(相應(yīng)塔高為56 m)。曲線2的拐點(diǎn)出現(xiàn)在549 m左右(相應(yīng)塔高為61 m)，相比曲線0減小了許多，導(dǎo)線K值的明顯增大是主要原因，因?yàn)镵值若變大，則同等呼高的桿塔所能設(shè)置的檔距會減小。

圖3 不同覆冰條件下檔距與每km工程總費(fèi)用關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between total cost per km and span under different ice coating thicknesses

綜上所述，在理想條件下風(fēng)速的變化對經(jīng)濟(jì)檔距影響較小，而覆冰厚度的增加會導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)檔距減小。

2.2 地形條件變化后的影響

不同地形條件下檔距與每km工程總費(fèi)用關(guān)系曲線如圖4所示，圖4中曲線0為理想平地條件下檔距與每km工程總費(fèi)用的關(guān)系曲線，曲線1為風(fēng)速為30 m/s、15 mm覆冰的山地區(qū)段每km工程總費(fèi)用與檔距的關(guān)系，其他條件與曲線0一致。

由圖4可以看出，在曲線0與曲線1的情形下，每工程總費(fèi)用相差不大，且隨檔距的增加其變化趨勢大致相同。雖然在曲線1的情形下，單基鐵塔估算質(zhì)量比曲線0重約13.4%，但在山地條件下(曲線1)單基混凝土量及單基土方量較平地(曲線0)均有顯著減小，因此就出現(xiàn)了曲線1的工程總費(fèi)用比曲線0稍低的現(xiàn)象，但兩者相差不大，且其變化趨勢大致相同。

由此可得:在理想條件下，地形的變化對經(jīng)濟(jì)檔距的影響較小。但實(shí)際上山區(qū)塔位受地形條件的影響很大，尤其對于特高壓同塔雙回輸電線路，其桿塔重、根開大，在山地區(qū)段塔位選擇較為困難，且在林區(qū)要考慮增大對地距離高跨樹木的方案，因此山地區(qū)段能立塔的位置為一系列離散的點(diǎn)，這與理想平地條件下的情況有顯著不同。所以山地區(qū)段輸電線路的經(jīng)濟(jì)檔距，應(yīng)著重根據(jù)實(shí)際工程的排位情況進(jìn)行統(tǒng)計分析與比較，理想條件下計算出的經(jīng)濟(jì)檔距只能作為參考。

圖4 不同地形條件下檔距與每km工程總費(fèi)用關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between total cost per km and span under different terrain conditions

2.3 導(dǎo)線型式的影響

不同導(dǎo)線型式下檔距與每km工程總費(fèi)用［5］關(guān)系曲線如圖5所示，圖5中曲線0為理想平地條件下檔距與每km工程總費(fèi)用的關(guān)系曲線，曲線1為導(dǎo)線為8×720 mm2時(K值取7.80e-5)的情形，且在檔距大于480 m、小于570 m時按雙聯(lián)Ⅰ串300 kN級復(fù)合絕緣子計算，檔距大于570 m、小于620 m時按雙聯(lián)Ⅰ串420 kN級復(fù)合絕緣子計算，檔距大于620 m時按雙聯(lián)Ⅰ串550 kN級復(fù)合絕緣子計算［6-7］，其他條件與曲線0一致。

由圖5看出，曲線1由于導(dǎo)線截面由8×630 mm2變?yōu)?×720 mm2，荷載的增加導(dǎo)致鐵塔、基礎(chǔ)及土方量均大幅增加，從而工程總費(fèi)用相比于曲線0有較大的增加。同時曲線1的拐點(diǎn)所對應(yīng)的檔距比曲線0的要小，其主要原因是由于荷載的增加，使得在一定的檔距情況下(如檔距大于570 m時)絕緣子強(qiáng)度等級就要由雙聯(lián)300 kN級增至雙聯(lián)420 kN級，于是絕緣子費(fèi)用的陡然增加導(dǎo)致了拐點(diǎn)較曲線0提前到來。

圖5 不同導(dǎo)線型式下檔距與每km工程總費(fèi)用關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between total cost per km and span under different conductor types

2.4 對地距離的影響

對于某些特殊地段如集中林區(qū)、自然保護(hù)區(qū)等，由于環(huán)境保護(hù)的要求，需采取高跨林木或提高對地距離改善電磁環(huán)境指標(biāo)，因此，探討對地距離的增加對經(jīng)濟(jì)檔距的影響很有意義。

不同對地距離下檔距與每km工程總費(fèi)用關(guān)系曲線如圖6所示，圖6中曲線0為理想平地條件下檔距與每km工程總費(fèi)用的關(guān)系曲線(對地距離為21 m)。曲線1、2為與曲線0同等條件下，對地距離分別為24、27 m時［8］，檔距與每km工程總費(fèi)用的關(guān)系曲線。

由圖6可以看出，隨著對地距離的增加，經(jīng)濟(jì)檔距相應(yīng)減小。由式(1)可得

由式(3)可知:相同塔高(假定其塔重也相等)時，對地距離d取值越大，相應(yīng)的檔距L值會變小，這與圖6的結(jié)論是一致的。

圖6 不同對地距離下檔距與每km工程總費(fèi)用關(guān)系曲線Fig.6 Relationship between total cost per km and span under different ground clearances

2.5 塔材的影響

圖1中的曲線是按全部鐵塔塔材為普通鋼管(1.1萬元/t)考慮。部分桿塔塔材采用大角鋼、部分采用普通鋼管時，檔距與每km工程總費(fèi)用的關(guān)系如圖7所示。圖7中曲線0為圖1中的曲線，曲線1為檔距小于630 m時塔材采用大角鋼、檔距大于630 m時采用普通鋼管、其他條件與曲線0均相同時的情形，其中角鋼按0.75萬元/t計算。

圖7 塔材不同時檔距與每km工程總費(fèi)用關(guān)系曲線Fig.7 Relationship between total cost per km and span under different tower materials

由圖7可以看出，對于曲線1，檔距為598 m(對應(yīng)的塔高為61 m)時，每km工程總費(fèi)用最低，這與曲線0的結(jié)論一致。但同時可以看到，在檔距為640 m時，工程總費(fèi)用發(fā)生了躍變，這是因?yàn)樵跈n距大于630 m時塔材由角鋼換成了普通鋼管，因此使得工程總費(fèi)用陡然增加。由此可得，若在曲線的拐點(diǎn)(檔距為598 m時)之前，比如檔距大于587 m時塔材采用普通鋼管、檔距不超過587 m時采用大角鋼，則曲線拐點(diǎn)就在檔距為587 m時出現(xiàn)，相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)檔距為587 m(對應(yīng)的塔高為60 m)。

從上面的分析中可得到如下啟示:若實(shí)際工程中推薦主力型直線塔塔材采用大角鋼、其余直線塔采用鋼管，則在作桿塔規(guī)劃時，應(yīng)保證主力型直線塔在呼稱高為63 m(3 m一級)時，其規(guī)劃的水平檔距能包絡(luò)住理想條件下的經(jīng)濟(jì)檔距。

3 不同電壓等級交流輸電線路經(jīng)濟(jì)檔距的比較

表1中列出了在理想平地條件下，不同電壓等級交流輸電線路的經(jīng)濟(jì)檔距的參考值范圍［9-10］。

由表1可看見，隨著電壓等級的增高，經(jīng)濟(jì)檔距也相應(yīng)增加。這是因?yàn)橐话闱闆r下，隨著交流輸電線路電壓等級的增高，導(dǎo)線截面、對地距離、單基鐵塔重量、絕緣子噸位等也相應(yīng)增大，從而導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)檔距亦隨之增大。

?

4 結(jié)論

(1)在理想平地條件下，交流輸電線路的經(jīng)濟(jì)檔距隨著電壓等級的增高而增大。通過計算與分析，特高壓交流同塔雙回路輸電線路在理想平地條件下的經(jīng)濟(jì)檔距為598 m，對應(yīng)的經(jīng)濟(jì)塔高為61 m。

(2)通過對經(jīng)濟(jì)檔距的敏感性分析，得到實(shí)際工程的經(jīng)濟(jì)檔距與工程的諸多具體條件有關(guān)，比如:電壓等級、氣象條件、地形條件、導(dǎo)線型式、對地距離、金具絕緣子型式、桿塔型式及鐵塔材料等。

(3)山地區(qū)段的經(jīng)濟(jì)檔距，在理想條件下與平丘段的基本一致，但對于實(shí)際工程，應(yīng)著重根據(jù)具體工程的排位情況進(jìn)行統(tǒng)計分析與比較，其理想條件下計算出的經(jīng)濟(jì)檔距只能作為參考。

(4)無論是平丘段還是山地段，對于特高壓交流同塔雙回輸電線路工程，尤其應(yīng)注意:在桿塔規(guī)劃時，應(yīng)使規(guī)劃的主力型直線塔的水平檔距包絡(luò)住理想條件下的經(jīng)濟(jì)檔距;在工程選線與終勘定位時，應(yīng)盡量放開檔距，向理想條件下的經(jīng)濟(jì)檔距靠攏，從而達(dá)到節(jié)省投資、降低工程總費(fèi)用的效用。

［1］張文亮，吳維寧，胡毅.特高壓輸電技術(shù)的研究與我國電網(wǎng)的發(fā)展［J］. 高電壓技術(shù)，2003，29(9):16-18.

［2］黃愛華，黃偉中.特高壓交流輸電線路采用同塔雙回路技術(shù)研討［J］. 華東電力，2009，37(4):568-573.

［3］李永雙，廖宗高，肖洪偉，等.直流UHV線路桿塔規(guī)劃及經(jīng)濟(jì)檔距的確定［J］. 高電壓技術(shù)，2008，34(6):1121-1125.

［4］李永雙，張國良.交流特高壓線路桿塔規(guī)劃及經(jīng)濟(jì)檔距研究［J］.電力建設(shè)，2007，28(4):7-10.

［5］陳媛，江衛(wèi)華，趙全江，等.雙回交流線路采用2分裂大截面導(dǎo)線的方案［J］. 電力建設(shè)，2010，31(5):30-34.

［6］Q/DG 1-A010—2008 1 000 kV交流架空輸電線路設(shè)計技術(shù)導(dǎo)則［S］.北京:中國電力工程顧問集團(tuán)公司，2008.

［7］GB/Z24842—2009 1 000 kV特高壓交流輸變電工程過電壓和絕緣配合［S］.北京，中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

［8］牛林，杜至剛，趙建國.1 000 kV級交流特高壓輸電線路導(dǎo)線最小對地距離研究［J］.電力自動化設(shè)備，2008，28(1):17-22.

［9］賈玉琢，王瑜，姜鳳龍.220 kV直線鋼管塔經(jīng)濟(jì)呼稱高的研究［J］.鋼結(jié)構(gòu)，2008，23(1):18-20.

［10］譚曉，明安持.500 kV線路高塔使用情況分析與研究［J］.中國電力，2003，36(1):60-62.