提高杆塔水平档距利用率的方法

2015-03-20朱天浩

电力勘测设计 2015年1期

杨巍，朱天浩

(中国电力企业联合会电力建设技术经济咨询中心，北京 100053)

1 概述

输电线路设计中水平档距利用率是指杆塔定位后实际水平档距占所选塔型标准水平档距的百分比。作为衡量杆塔利用率的一个重要指标，水平档距利用率反映了杆塔规划和选型的合理性，且与工程本体造价密切相关。

国家电网公司输电线路通用设计(2011年版)根据电压等级、回路数、导线截面、气象条件、地形条件、海拔高度等使用条件的不同进行了塔型划分，给出了不同条件组合下的塔型。目前这项标准化成果已在全国多数地区得到广泛应用。本文从输电线路水平档距利用率的计算方法出发，对国内不同地区的采用通用设计模块进行设计的220 kV输电线路初步设计阶段的水平档距利用率进行了统计，发现目前初步设计阶段水平档距利用率普遍较低，分析了原因。在线路路径选择时，受地形地貌、城市规划和各种障碍物的限制，耐张塔的位置和数量相对较固定，当路径一旦确定，悬垂型杆塔的合理选型和布置即对杆塔利用率的提高起主要作用，因此本文主要提出了导线截面、设计风速或海拔高度等设计条件与通用设计对应不同时，如何通过对悬垂型杆塔进行水平档距的折算后,合理选择塔型提高水平档距利用率。

2 水平档距利用率

2.1 水平档距利用率的计算方法

一条输电线路的水平档距利用率是指全线杆塔的实际水平档距之和占其标准水平档距之和的百分比，见式(1)。为简化计算，可用线路路径长度近似代替全线杆塔的实际水平档距之和。输电线路中水平档距利用率越高，对应的塔材指标越经济，通常将利用率100%时称为杆塔的满负荷设计。在工程实际中由于受各种因素制约，利用率100%基本无法实现。但在杆塔规划和选型中，可将满负荷的设计理念与工程实际相结合，最大限度的提高水平档距利用率，控制工程造价。

式中：S为线路路径长度；LHi为杆塔标准水平档距；Ni为相同塔型的基数；n为塔型种类；KH为线路水平档距利用率。

2.2 水平档距利用率统计

在此选择国内不同地区具有代表性的20条220 kV输电线路，对其在初步设计阶段的各项指标和相应的水平档距利用率等进行统计，并按水平档距利用率由小到大排列后得到表1。表1中线路路径长度均在10.0 km以上，均采用了国家电网公司输电线路通用设计塔型进行设计，且都是近两年内的初步设计工程。

表1 水平档距利用率统计

根据表1可知，50%的线路水平档距利用率小于75%，90%的线路单公里塔数高于通用造价水平。分析其原因：(1)选择塔型时简单以大代小，缺乏必要的档距折算。(2)起始塔型设置不合理。(3)塔型规划不合理。(4)耐张塔比例高。

以表1中工程1为例，该线路平均档距为 376 m，其中 SZ1、SZ2、SZ3和 SZ4型悬垂型铁塔规划比例为2.1%、18.2%、29.4%和20.3%，SZ1标准水平档距380 m，其余塔型标准水平档距均大于500 m，显然塔型使用比例不合理，设计过保守，不满足经济性要求。

3 杆塔荷载

杆塔荷载可分解为横向荷载，纵向荷载，垂直荷载，见图1，分别由风，不平衡张力，导线自重和冰重等引起。杆塔重量主要取决于杆塔所承受荷载的大小。对于常规轻(中)冰区线路而言，在正常运行情况下，悬垂型杆塔的前后两档内的导地线张力相等，纵向荷载为0；垂直荷载主要由导地线、绝缘子、金具和冰重引起，对杆塔受力不起控制作用；横向荷载是指由大风引起的风荷载，分为导地线风荷载，塔身风荷载和绝缘子串风荷载3部分。悬垂型杆塔主要受风荷载控制，因此悬垂型杆塔主要根据其风压的不同对水平档距进行折算后选型。耐张型杆塔主要受纵向不平衡张力控制，风荷载和垂直荷载对耐张塔影响相对较小，转角角度不同的时纵向荷载相差较大，耐张型杆塔主要根据其角度的不同对水平档距进行折算后选型。

图1 导线受力示意图

根据GB50545－2010《110 kV～750 kV架空输电线路设计规程》10.1.18条规定，导线及地线水平风荷载和塔身风荷载标准值分别按式(2)和式(5)计算。

其中：

式中：WF为垂直于导线及地线方向的水平风荷载标准值；W0为基准风压标准值；V为基准高度为10 mm的风速；α为电线风压不均匀系数；βc为500 kV和750 kV导线及地线风荷载调整系数；μz为风压高度变化系数；μsc电线体形系数；d为导线和地线外径或覆冰时的计算外径；Lp为杆塔水平档距；B为覆冰时风荷载增大系数；θ为风向与电线轴向间的夹角，gH为导线单位长度上的风荷载。

式中：Ws为杆塔风荷载标准值；μs为构件体形系数；As为构件承受风压的投影面积计算值；βz为杆塔风荷载调整系数。

4 提高水平档距利用率的方法

国家电网输电线路通用设计按电压等级，回路数，导线截面，气象条件，地形条件，海拔高度对杆塔模块进行了划分。杆塔选型时若设计条件与通用设计完全相同，可直接套用相应模块；若设计条件与通用设计不完全相同，应根据杆塔承受荷载对水平档距折算后选择安全性和经济性较佳的塔型。

4.1 导线截面不同

从式(2)可以看出，导线截面只与d和μsc有关，从式(5)看导线截面与塔身风压无直接关系。以一条220 kV线路为例，说明如果通用设计中无对应导线截面时如何合理选择悬垂塔塔型。该线路导线采用2×JL/G1A－500/45型钢芯铝绞线，同塔双回路架设，设计风速29 m/s，覆冰10 mm，海拔1000 m以下，地形为平地100%。

为确保安全性，选择2F4模块进行设计(对应导线为2×630/45型钢芯铝绞线，其余设计条件与该工程一致)，按式(2)对2F4模块中悬垂型杆塔进行水平档距折算得表2。

表2 2F4型悬垂型杆塔水平档距折算

以呼高27 m的2F4－SZ1型悬垂塔为例，其标准水平档距为350 m，档距折算如式(6)。

式中：gH630/29为2×630/45型钢芯铝绞线在29m/s风速下的导线风荷载，gH500/29为2×500/45型钢芯铝绞线在29 m/s风速下的导线风荷载。

从表2看出，折算后2F4型悬垂塔的起始档距由350 m增加至392 m，若线路平均档距较小时该起始档距显然偏大，可对2F3—SZ1型塔(设计风速27 m/s，其余均与2F4相同)进行档距折算，如式(2)。同时考虑塔身风压引起的档距折减，校验塔头间隙，若满足将其作为起始塔型。

风速27 m/s的铁塔用在29 m/s风速的线路中，引起塔身风荷载变化相应水平档距折减39.79 m，即Lp=300 m。

2F3－SZ1较2F4－SZ1的起始塔重量每基可降低0.407 t，相应基础工程量也将减少。对于线路较长时工程本体投资的节约将尤为显著。

4.2 设计风速不同

由式(2)和(5)看出，导地线风荷载和杆塔的塔身风荷载均与设计风速的平方v2成正比，可见风速v是影响杆塔风荷载的主要因素。现以一条设计风速为28 m/s的220 kV输电线路为例，说明通用设计中无对应风速时如何选择塔型。该线路单回路架设，导线采用2×LGJ－400/35型钢芯铝绞线，覆冰10 mm，海拔1000 m以下，地形为平地100%。

对于长度较短的线路，为兼顾设计效率和安全性，可选择2B5模块(对应设计基本风速29 m/s，其余条件与该工程均相同)。对呼高27 m的2B5－SZ1型起始塔进行档距折算，见式(8)。由于设计风速小于2B5，显然塔身风荷载和塔头间隙均可满足要求。对于长度较长或平均档距较小的线路，经过折算后的水平档距裕度偏大时，应优先取2B3型塔进行档距折算，见式(9)。同时还要考虑塔身风荷载增大引起的档距折减，校验塔头间隙。

除合理选择起始塔型外，还应重视各塔型分配，呼高和经折算后的水平档距若满足使用条件，应优先采用SZ1型悬垂塔，尽量减少SZ2、SZ3和SZ4型悬垂塔。交叉跨越处应优先选用SZK型跨越塔，若折算后水平档距不满足再选择SZ3型悬垂塔。

4.3 海拔高度不同

根据GB50545－2010《110 kV～750 kV架空输电线路设计规程》表7.0.9－1和7.0.12条规定，110 kV～500 kV线路海拔间隙可按表3修正。

表3 220 kV带电部分与杆塔构件(包括拉线，脚钉等)的最小间隙(m)

通用设计中按海拔高度分1000 m及以下、1000 m～2000 m两档塔型。对于海拔高度在1000 m的基础上上浮不多的线路，应根据沿线污秽等级选择绝缘子片数后，按照表3中最小间隙的要求，对通用设计中1000 m及以下模块相应塔型的塔头间隙进行校验，满足最小间隙要求可优先选用，若不满足再选取通用设计中对应海拔1000 m～2000 m模块塔型。