福建省内架空输电线路工程绿色设计探讨

2022-11-15李宏进翁兰溪陈旭林池金明

能源与环境 2022年4期

李宏进翁兰溪陈旭林池金明

（中国电建集团福建省电力勘测设计院有限公司福建福州 350003）

0 引言

2019 年9 月，《国务院办公厅转发住房城乡建设部关于完善质量保障体系提升建筑工程品质指导意见的通知》（国办函〔2019〕92 号）提出了推行绿色建造方式，建立健全绿色建筑标准体系。2021 年3 月，《绿色建造技术导则（试行）》（建办质〔2021〕9 号）对绿色建造提出了各项基本规定。2021 年10 月，中共中央办公厅、国务院办公厅《关于推动城乡建设绿色发展的意见》提出实现全过程绿色建造、发展装配式建筑、加强建筑材料循环、传统建筑业转型升级等内容。同年国家电网有限公司文件《国家电网有限公司关于全面推进输变电工程绿色建造的指导意见》（国家电网基建〔2021〕367 号）中绿色建造内容要求涵盖工程策划、设计、施工、移交全过程。本文以莆田地区某220 kV 工程为例，从导线选型、金具选择、铁塔设计、基础选型、数字化设计等方面探讨分析福建省架空输电线路工程绿色设计技术，为今后福建省内类似工程的建设提供参考。

1 工程概况

该工程位于福建莆田地区，新建线路长度约29.85 km，设计风速为37 m/s，导线选用2×630/45，2 根地线均为OPGW-150 复合光缆地线，全线采用单、双、四回路混合架设，所经区域地貌属于平地、山地、丘陵、滩涂等地貌单元，平丘段交通方便，山地交通一般。架空线路工程设计主要分为电气设计和结构设计，下文将从这2 个方面进行探讨。

2 电气部分

电气绿色设计包含了路径选择、线路走廊、导地线、金具与绝缘子、防雷与接地等内容，本部分主要从导线选型、金具设计、接地设计3 个方面进行绿色设计的探讨。

2.1 导线设计

架空输电线路的导线要有良好的导电率和一定的机械强度。目前常规的导线有钢芯铝绞线、铝包钢芯铝绞线、钢芯高导电率铝绞线、铝合金芯铝绞线等［1］。通过本体投资计算、电能损耗计算、最小年费计算，钢芯铝绞线、铝包钢芯铝绞线初期投资略低，随着年损耗小时数的增加，费用随之上升；节能导线（钢芯高导电率铝绞线、铝合金芯铝绞线）前期本体投资略高于普通导线（钢芯铝绞线、铝包钢芯铝绞线），主要是不同导线的单价不同。某季度的信息价如表1 所示，钢芯高导电率铝绞线较钢芯铝绞线每吨增加费用约300 元，价差可忽略不计，铝合金芯铝绞线较钢芯铝绞线每吨增加费用约2 600 元，费用增加约11.5%，节能导线随着年损耗小时数的增大，节能效果更加明显［1］。通过导线全寿命周期分析，福建省非沿海区域，导线建议优先采用钢芯高导电率铝绞线节能导线；沿海区域由于腐蚀性影响，经过经济比选后可选用铝合金芯铝绞线节能导线。

表1 导线信息价对比

本工程位于福建省大风速地区，若采用低风压导线，可以减小水平风荷载、垂直荷载、风偏角及纵向张力，提高输电线路的抗风能力。目前多个工程试点应用低风压导线，技术成熟以后省内可推广应用。

目前国内导线除了节能导线和低风压导线，各个厂家也进行了各种新型导线的研发，包括超高强度钢芯高强度铝合金绞线、耐蚀型铝包钢芯耐热铝合金绞线、绞合型复合材料芯架空导线、自阻尼导线等，省内工程可根据工程特点进行全寿命周期经济性对比后选用。

2.2 金具设计

导线金具采用节能金具，主要材料为铝合金，应用于导线悬垂线夹、均压屏蔽环、防振锤及间隔棒等，可有效防止磁滞、涡流损失以及电晕损耗，提高抗锈蚀能力。

2.3 接地设计

目前国内输电杆塔的接地装置材料主要采用热镀锌圆钢、镀铜圆钢、石墨基柔性接地材料、不锈钢复合接地体、离子接地体、接地模块。省内主要的接地方式为热镀锌圆钢，滨海滩涂段则优先采用铜覆钢接地装置。对于土壤电阻率偏高的地区、腐蚀性严重的区域，可使用石墨基柔性接地材料。该材料有良好的导电性能，抗拉、抗扭、抗弯，可有效地降低冲击接地电阻，同时运输和施工方便，但是工程费用会高于热镀锌圆钢接地方式，建议省内工程根据实际土壤电阻率及腐蚀情况进行选用。

通过对导线、金具、接地3 个方面设计的阐述，相关的技术已经在省内有应用，后续可在各个电压等级进行推广应用。

3 结构部分

结构部分从铁塔设计、基础设计及水保设计等3 个方面进行绿色设计的探讨。

3.1 铁塔设计

目前国内铁塔相关的技术包括高强钢杆塔、热轧耐候角钢塔、铝合金铁塔、亚光塔、5G 共享铁塔、复合材料横担、景观塔设计等。

省内的角钢塔和钢管塔使用材质包括Q235、Q355、Q420，使用高强钢Q420 可有效地降低杆塔重量和整体造价。国内特高压工程已经大规模使用大规格角钢，通过大规格角钢替代双拼、四拼角钢，减轻铁塔重量。福建沿海220 kV 线路大风速区原先使用的铁塔通过双拼普通角钢满足受力的要求，近年国网杆塔通用设计数据库正在修编。建议在福建省内部分220 kV 及110 kV 线路应用大规格角钢，减轻铁塔重量，同时铁塔物资招标也需同步更新。

耐候钢通过“以锈防锈”，取消加工过程中的酸洗、热镀锌等工艺，节省相关费用，利于环境保护，适用于福建沿海区域［2］。省内厦门梧侣到内官220 kV 输电线路有试点应用，线路目前已运行10 多年，运行状态良好。建议省内其他沿海区域可再试点应用，积累更多的经验，为以后的铁塔材料选择提供更多的依据。

5G 共享铁塔、复合材料横担、景观塔设计等相关的铁塔技术目前国内其他地区有相关的应用，福建省内输电线路可根据工程的实际情况进行应用，特别是景观塔的设计，可以使输电铁塔与大自然融合到一起，形成一道特别的风景线。

3.2 基础设计

省内常规基础平地段以灌注桩基础和板式基础为主，山丘段以挖孔基础和掏挖基础为主。随着对施工安全、机械化普及率及水保验收要求的提高，如何通过改变基础型式、减少土方量是近几年输电线路基础研究的主要内容。目前平地段基础研究的侧重点在于螺旋锚基础，山地段基础主要是微型桩基础和岩石锚杆基础。

螺旋锚基础是一种利用原状土的环保型基础，目前国内多家设计院依托线路工程进行相应的计算模型及仿真型试验研究。螺旋锚基础通过工厂标准化加工锚杆，质量可靠，现场进行机械化施工，施工效率、安全可靠，同时减少了现场混凝土及钢筋的用量，利于环保［3］。省内可依托多个平地段工程进行相关的试点应用，特别是福建沿海土壤腐蚀严重的地区，在试点应用过程中不断优化基础型式及构造，改善现有施工机械或研发新型施工机械，方便后续施工进场，减小施工工作面，提高机械施工效率，探索适合福建省内推广应用的螺旋锚基础。

山地微型桩基础桩径一般为300 mm～400 mm，桩径小于常规的挖孔基础，所需的挖孔扭矩力减小，使用的机械设备比旋挖钻机更加轻量化，方便机械设备进场，无需大规模修筑施工进场道路，从而实现山地基础机械化施工［4］。山地微型桩基础的推广应用可以提高工程的机械化率，保障施工安全，同时能兼顾工程所在地的环境保护和水土保持，降低对周边环境的影响［5］。目前省内已经在福厦特高压工程试点应用，省内其他工程可参照特高压试点应用的成果进行应用。

岩石锚杆基础技术则相对比较成熟，目前在省内多个工程已试点应用。岩石锚杆基础目前无法大规模推广应用主要受限于地形及地质情况，对塔位的坡度和岩石的完整性要求较高。白浙直流特高压积极推广岩石锚杆基础的应用，省内岩石锚杆基础可以参照其设计原则进行优化设计，减少土方开挖，实现机械化施工，使岩石锚杆基础使用更加普及。

未来几年，基础型式的优化设计是架空线路结构设计重点，相关单位都在进行各种试点研究。基础施工机械的研发也将进一步推进各种新型基础的普及，整个架空线路行业的进步需要业主、设计方、施工方、厂家共同的努力。

3.3 水保设计

为实现输电线路的环境友好原则，水保设计与线路本体设计同步进行设计、施工及验收，电力设计单位在可研及初设阶段根据设计原则计列相关费用。目前国内特高压工程施工图阶段开展“一塔一图”专项设计，结合塔基区和进场道路的地形地貌、植被类型及保护区划分类型，针对性提出工程、植被、临时相结合的综合防治措施，有效减少原地貌扰动、土地损坏和植被破坏，实现可持续发展。省内工程施工图阶段水保设计主要是水保单位在编辑报告，建议其参照“一塔一图”专项设计进行更加细化的设计。

通过对杆塔、基础、水保3 方面的阐述，结合目前国内新技术及福建省实际情况，适合的新技术可开展试点应用，不断总结应用经验，为新技术的落地提供依据。

4 数字化设计

目前架空线路数字化设计可实现线路方案三维可视化选线、电气间隙校验、连接与碰撞校核、施工进场道路设置、铁塔组立模拟、交叉跨越施工模拟等内容，常规内容不再赘述，本部分主要探讨一下GIS 三维场景的构建及路径方案优选。

4.1 GIS 三维场景构建

随着数字化设计在电力行业的持续发展，福建院组织研发人员，开发了CAD/GIS 集成平台。测量工程师通过无人机低空摄影技术/倾斜摄影对电力通道进行数据采集，采集到的数据上传到CAD/GIS 集成平台进行识别处理，生成房屋、道路、林木等地物，赋予相应的属性，同时能导出相应的数据文件。三维设计平台读取该数据文件，实现通道原景重现，如图1 所示，重现的通道基本与现实场景一致，设计可利用重现的通道进行房屋拆迁、树木砍伐等工程量统计。

图1 输电线路通道原景构建

4.2 路径方案优选

设计人员在重现的三维通道进行路径方案比选，及时避让生态敏感区、村庄及密集房屋、已有的各种设施障碍物等。同时实现二维三维联动排位，排杆数据可实时生成二维断面图，方便设计人员合理的布置塔位，选择铁塔呼高，优化线路转角，提高杆塔使用率。比选方案确定后可快速统计工程量，供设计人员参考，如图2、图3 所示。目前倾斜摄影在线路工程试点应用，主要原因在于测量采集到数据量较大，三维软件只能处理几公里的数据量。若是长线路，则操作会出现卡顿，三维软件需进一步优化计算，才能有利于该技术的推进。