古交电厂三期500 kV送出工程四回路杆塔设计优化

王金龙，牛克想

（中国能源建设集团山西省电力勘测设计院有限公司，山西 太原 030001）

0 引言

古交电厂位于太原市西约60 km的古交市，是典型的大型坑口发电厂。古交电厂三期工程为2×660 MW低热值煤发电项目，该项目加大了低劣质煤的利用水平，减轻洗煤厂煤泥和洗中煤对环境的影响，是灰渣综合利用的典型循环经济项目，是洁净能源综合利用工程，该项目被列为山西省重点工程。

古交电厂三期500 kV送出工程起于古交电厂三期工程所在地，止于晋中1000 kV洪相站，线路全长119.9 km。古交电厂至交城县广兴村区域线路压覆采空区和计采区，采用2条单回路架设；广兴村至1000 kV洪相站采用同塔双回架设。

在交城县广兴村受广兴村房屋密集区、广兴220 kV变电站及出线、多个铸管厂、卦山玄中寺风景名胜区的制约，线路走廊极为狭窄。但在该走廊内需建设本工程的两回500 kV线路、蒙西—晋中1000 kV双回特高压线路以及规划的云顶山送出的两回500 kV线路工程，即在该狭窄的走廊内需架设四回500 kV线路和两回1000 kV线路。

经过充分论证，在该走廊内蒙西—晋中1000 kV线路同塔双回架设，本工程双回线路和规划的两回500 kV线路同塔四回路架设，该方案符合《关于印发蒙西—晋中1000 kV交流输变电工程可行性研究报告评审意见的通知》（电规规划〔2017〕107号）[1]的要求。500kV同塔四回路架设在山西省内尚属首例，为此，设计人员结合相关设计规范[2-4]对杆塔规划和结构设计进行了详细的研究。

1 塔型选择及结构优化

1.1 塔头形式选择

本文以直线塔为例对塔头形式选择进行分析。根据导线排列形式不同，塔头形式可分为六层横担的垂直排列（见图1）、四层横担的三角排列（见图2） 和三层横担的垂直排列（见图3） 3种。

本工程四回路段线路长2.23 km，共有9基塔，其中直线塔5基，耐张塔4基。四回路段与广兴220 kV变电站出线交叉跨越较多，需要跨越11回110 kV线路和1回220 kV线路，直线塔呼高51～75 m，耐张塔呼高42 m。

500 kV线路V型串层间距14～15 m，若采用六层横担，直线塔全高将达150 m，杆塔需特殊考虑并按大跨越塔设计，且铁塔根开达35 m，故不推荐六层横担垂直排列方案。四层横担三角排列和三层横担垂直排列布置方式的走廊宽度相当，但四层横担较三层横担塔增高约15 m，塔质量增加约5%～8%，故本工程推荐采用三层横担垂直排列方式。

图1 六层垂直排列

图2 四层三角排列

图3 三层垂直排列

1.2 构件断面选择

对于大荷载铁塔，断面分别有两种形式：Q420大截面组合角钢塔和钢管塔。角钢塔的优势在于加工、运输、安装方便；缺点为构件承载力不足，需要采用双、四组合断面构件，塔的质量较大。钢管塔的优势在于构件断面特性较好，构件承载力较高；缺点是钢管塔制造加工复杂、焊接量大。通过进行钢管塔和角钢塔的技术经济比较，结果显示：角钢塔较钢管塔的质量增加20%～25%（如表1所示），根据当期物质招标单价，采用钢管塔较角钢塔节约投资6%～11%，约137万元，故本工程推荐采用钢管塔。

表1 钢管塔和角钢塔技术经济比较

1.3 杆塔构件材质选择

钢管塔广泛应用于双回路交流1000 kV特高压工程，其主材材质为Q345。近年来国内高强钢管研究取得了一定的进展，Q420和Q460高强钢管在工程中都取得了试点应用，本节简要分析探讨Q420和Q460高强钢管应用的可行性及其经济性。

经计算分析，采用Q420钢管方案，塔的质量较Q345钢管方案有明显降低，直线塔降低约5.6%～6.3%，耐张塔降低约5.1%；采用Q460钢管方案，塔的质量较Q345钢管方案降低更为明显，直线塔降低约9.8%～10.3%，耐张塔降低约7.0%。采用高强钢管时基础作用力的降低，将进一步降低造价，理论上具有较大的经济优势。Q345钢管方案与Q420钢管方案塔的质量对比见表2，Q345钢管方案和Q460钢管方案塔的质量对比见表3。

Q420和Q460高强钢管具有较高的强度，可明显降低塔的质量，提高加工效率，与Q345钢管

表2 Q345钢管方案与Q420钢管方案塔的质量对比

1.4 法兰选型

图4 刚性法兰（有劲法兰）

钢管塔主材由法兰连接，法兰主要采用刚性法兰和锻造法兰（如图4、图5所示）。塔相比，Q420高强钢管塔可平均节省塔的质量5.5%左右，Q460高强钢管塔可平均节省塔的质量8.7%左右，具有较大的经济优势。经过调研，对于Q460高强钢管，现有国内塔厂需通过精细化操作来控制焊接质量，其产能较小，目前工艺条件下成品质量不易把控；对于Q420高强钢管，国内塔厂已具备了批量加工和生产的能力，但需开展法兰、插板等相关配套研究，本工程四回路段线路长2.23 km，仅9基塔，且工期极为紧张，暂不推荐采用Q420高强钢管。故本工程推荐采用Q345钢管。

表3 Q345钢管方案和Q460钢管方案塔的质量对比

图5 锻造法兰（带颈对焊法兰）

刚性法兰刚度好、强度高，但需大量的手工焊接，加工效率低下，好在本工程只有9基塔，总焊接工程量不是太大；锻造法兰加工周期短、焊接工作量小，但需向厂家定制，周期较长，成本较高（单价为刚性法兰的2～2.5倍）。

以本工程所采用的刚性法兰和对应的锻造法兰为例，进行技术经济比较，锻造法兰综合造价为刚性法兰的116%～212%，具体情况如表4所示。锻造法兰、刚性法兰质量和造价比趋势见图6。

图6 锻造法兰、刚性法兰质量和造价比趋势图

1.5 走廊宽度优化

四回路塔用于走廊极为拥挤地段，走廊宽度优化具有重要意义。采用V型串能有效限制摇摆角，减少走廊宽度。首先，根据摇摆角、电气间隙、导地线水平偏移、层间距、杆塔结构布置等因素确定靠近塔身侧V串夹角为96.3°，然后根据风偏角、档距分布、垂直档距和水平档距的比值关系、线间距以及导地线水平偏移等因素对外侧两回路的V串夹角优化为86.3°，横担长度减少1.8 m，线路走廊减少3.6 m，塔的质量节约1.7%～2.8%。

表4 刚性法兰和锻造法兰技术经济比较

2 结论

a）本工程塔头形式采用三层横担垂直排列方式，较四层横担节约塔的质量5%～8%。

b）经过经济技术比较，本工程四回路塔推荐采用钢管塔，比角钢塔节约投资约137万元。

c）根据计算分析、加工工艺以及工期要求等综合因素，本工程四回路塔钢管材质推荐采用Q345。

d）本工程推荐采用刚性法兰，锻造法兰综合造价为刚性法兰的116%～212%，锻造法兰经济性较差。

e）通过优化导线V串夹角，横担长度减少1.8 m，线路走廊减少3.6 m，塔的质量节约1.7%～2.8%。

通过上述计算分析和设计优化，合理选择了杆塔布置形式、杆塔主材截面形式及其材质，优化了钢管主材连接方式及线路走廊宽度，有效降低了工程投资。本工程2018年7月投产以来运行良好，为省内500 kV四回路塔设计积累了经验。