110kV雙回線路輸電塔導(dǎo)地線安全系數(shù)及經(jīng)濟(jì)檔距研究

摘

要：110kV雙回線路輸電工程在滿足相同技術(shù)要求的前提下，采用窄基角鋼塔、窄基鋼管塔與鋼管桿3種輸電塔方式，針對(duì)導(dǎo)線安全系數(shù)K=2.5～8，設(shè)計(jì)檔距150～550m的不同設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析和比較。經(jīng)過各方案比選，研究發(fā)現(xiàn)線路采用窄基角鋼塔和鋼管塔時(shí)，導(dǎo)線安全系數(shù)取6.0，地線安全系數(shù)取8.5，檔距為350m時(shí)最經(jīng)濟(jì)；采用鋼管桿時(shí)，安全系數(shù)取6.0，地線安全系數(shù)取8.5，檔距為270m時(shí)最經(jīng)濟(jì)。關(guān)鍵詞：輸電塔；雙回線路；安全系數(shù)；經(jīng)濟(jì)檔距

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引言高壓輸電線路是電能輸送的載體，是重要的生命線工程。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及國家電網(wǎng)公司智能電網(wǎng)規(guī)模的逐年擴(kuò)大，輸電通道資源日益緊張，采用常規(guī)的角鋼塔已難以滿足通道寬度要求。輸電線路窄基塔具有占地小、外形美觀、便于運(yùn)輸組裝等優(yōu)點(diǎn)，能解決目前輸電線路走廊占地與城市規(guī)劃的矛盾。輸電線路窄基塔與城區(qū)規(guī)劃綠化帶相結(jié)合，落實(shí)線路路徑，能解決目前城區(qū)建設(shè)高壓輸電線路走廊和鐵塔占地與城市規(guī)劃矛盾的問題。當(dāng)前國家電網(wǎng)公司通用設(shè)計(jì)中的窄基塔模塊數(shù)量較少，通用性有限，因此，結(jié)合工程實(shí)際情況開展窄基桿塔、基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮窄基塔在通道緊張地區(qū)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步深化窄基塔的應(yīng)用，在保證特高壓輸電技術(shù)可靠性的前提下，對(duì)于降低工程造價(jià)指標(biāo)具有重要意義。為提高工程前期桿塔選型的科學(xué)性，降低工程造價(jià)，本文采用現(xiàn)行的電力建設(shè)工程計(jì)算規(guī)定和定額，從造價(jià)角度對(duì)角鋼塔、鋼管桿與窄基鋼管塔3種輸電塔的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了差異化分析。與普通角鋼塔相比，窄基鋼管塔結(jié)構(gòu)簡單、外形美觀，與城市環(huán)境更加協(xié)調(diào)；與鋼管桿相比，窄基鋼管塔更通透，經(jīng)濟(jì)性更好。本文針對(duì)線路路徑特點(diǎn)，對(duì)單公里一個(gè)耐張段內(nèi)桿塔、基礎(chǔ)，分別采用窄基角鋼塔、窄基鋼管塔和鋼管桿的不同方案，導(dǎo)線安全系數(shù)取K=2.5～8，設(shè)計(jì)檔距150～550m，進(jìn)行造價(jià)分析，選擇窄基桿塔最經(jīng)濟(jì)的導(dǎo)地線安全系數(shù)和桿塔型式。

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工程概況本工程為110kV雙回線路，位于公路邊綠化帶內(nèi)的通道緊張地區(qū)，綠化帶寬度為4m，全線采用窄基桿塔架空方案。全線路徑長5km，其中每公里均為1個(gè)耐張段，線路地區(qū)地勢(shì)平坦，存在兩處交叉跨越，一處跨越110kV線路，另一處下穿220kV線路。導(dǎo)線型號(hào)為2×JL/G1A-300/25，地線型號(hào)為JLB20A-100。線路位于公路邊綠化帶內(nèi)，綠化帶寬度4m；綠化帶樹木自然生長高度取10m（除穿越220

kV線路檔考慮砍伐樹木外，其他檔樹木均按照高跨考慮）。通道內(nèi)地面高程均按照0m考慮。起止點(diǎn)塔型按照直線型耐張塔考慮。絕緣裝置中，懸垂串和跳線串均采用70kN級(jí)FXBW1-110/70型復(fù)合絕緣子；耐張串采用雙聯(lián)9片120kN級(jí)雙傘形防污型瓷質(zhì)絕緣子U120BP/146D。

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比選方案2.1

導(dǎo)線安全系數(shù)的設(shè)定導(dǎo)線安全系數(shù)越小，走廊拆遷費(fèi)用越少，塔重增多；導(dǎo)線安全系數(shù)越大，走廊拆遷費(fèi)用越多，塔重減小。根據(jù)不用安全系數(shù)對(duì)典型直線塔和耐張塔進(jìn)行計(jì)算，選取合適的導(dǎo)地線安全系數(shù)。規(guī)范規(guī)定安全系數(shù)=拉斷力/運(yùn)行張力，《110～750kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50545—2010）5.0.7條規(guī)定：導(dǎo)、地線在弧垂最低點(diǎn)的安全系數(shù)不應(yīng)小于2.5。目前，我國國網(wǎng)通用設(shè)計(jì)規(guī)劃所有110kV桿塔模塊中，角鋼塔導(dǎo)線安全系數(shù)通常為2.5，鋼管桿導(dǎo)線安全系數(shù)通常為8.0。當(dāng)導(dǎo)線安全系數(shù)較小時(shí)，導(dǎo)線弧垂較小，可以使用呼高較小的塔，但與此同時(shí)，導(dǎo)線運(yùn)行張力較大，使得耐張塔增重明顯。當(dāng)導(dǎo)線安全系數(shù)較小時(shí)，相同檔距下導(dǎo)線弧垂較大，為了滿足安全距離要求，需要使用呼高較大的塔，或減小使用檔距，這也是通常鋼管桿規(guī)劃安全系數(shù)大、檔距小的原因。使用較小的檔距，也意味著使用更多的桿塔，這無疑會(huì)增加工程造價(jià)。因此，需要對(duì)不同導(dǎo)線安全系數(shù)下的架線立塔方案進(jìn)行比選，本文對(duì)導(dǎo)線安全系數(shù)K=2.5～8（步長=0.5）下的12種排塔方案進(jìn)行比較，以得到適用于窄基桿塔的最優(yōu)安全系數(shù)。2.2

地線安全系數(shù)的設(shè)定規(guī)范規(guī)定了地線設(shè)計(jì)安全系數(shù)不應(yīng)小于導(dǎo)線的安全系數(shù)。在工程設(shè)計(jì)中不僅需要根據(jù)地線拉斷力選取，還應(yīng)保證與導(dǎo)線弧垂相協(xié)調(diào)，本次比選方案的導(dǎo)地線安全系數(shù)配合方案如表1所示。2.3

檔距的設(shè)定根據(jù)邊界條件中給出的通道平面圖，該路徑一共有5km，每公里均為一個(gè)耐張段，針對(duì)這一特點(diǎn)，不考慮交叉跨越的情況下，對(duì)1km線路的安全系數(shù)和檔距進(jìn)行分析，不僅可以節(jié)約大量工作，也能較為準(zhǔn)確的得出整條線路結(jié)果。因此，對(duì)1km長度下一個(gè)耐張段提出2～7檔線的6種立塔方案，根據(jù)此方法，規(guī)劃桿塔使用檔距如表2所示，在滿足綠化帶樹木自然生長高度取10m的安全距離條件下，進(jìn)行排塔位工作。2.4

桿塔型式目前，在110kV雙回路窄基輸電線路桿塔設(shè)計(jì)中，主要分為三種桿塔型式：窄基角鋼塔、窄基鋼管塔和鋼管桿。窄基角鋼塔，塔材均為角鋼材料，采購容易，具有大規(guī)模生產(chǎn)、單件重量較輕等突出優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用廣泛，窄基鐵塔屬于空間桁架結(jié)構(gòu)。窄基鋼管塔，只有塔身主材為鋼管，其余均為角鋼材料，相比窄基角鋼塔，焊接量大，主材采用法蘭連接，桿件承載力，塔身?xiàng)U件更加通透，外形更加美觀，窄基鋼管塔也屬于空間桁架結(jié)構(gòu)，適用于荷載較大的窄基塔。鋼管桿，鋼管桿結(jié)構(gòu)形式簡潔，塔頭尺寸小，占地面積小，施工安裝周期短，構(gòu)件單重較大，對(duì)交通運(yùn)輸要求高，通常在城區(qū)廣泛使用，整體造價(jià)偏高，鋼管類似于懸臂結(jié)構(gòu)，桿頂位移大，桿件主要受彎矩控制。2.5

技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析本工程導(dǎo)線安全系數(shù)為6，地線安全系數(shù)為8.5，設(shè)計(jì)水平檔距350m進(jìn)行窄基塔的規(guī)劃與設(shè)計(jì)。根據(jù)上述情況，選擇分別對(duì)窄基角鋼塔、窄基鋼管塔和鋼管桿，不同安全系數(shù)和檔距下的塔重、基礎(chǔ)工程量進(jìn)行分析，得到各方案造價(jià)，該造價(jià)僅包含桿塔、基礎(chǔ)和絕緣本體費(fèi)用。其中，窄基角鋼塔單價(jià)取6760元/t，窄基鋼管塔單價(jià)取7800元/t，鋼管桿單價(jià)取6604元/t，基礎(chǔ)單價(jià)取2200元/m3，直線塔絕緣費(fèi)用取1.6萬元/基（按雙串計(jì)費(fèi)），轉(zhuǎn)角塔絕緣費(fèi)用取6.2萬元/基。比選排塔安全系數(shù)≥3.5的兩檔線方案中，直線塔高度超過了45m，且與轉(zhuǎn)角塔高差超過了15m，這對(duì)于地勢(shì)平坦的城區(qū)來說，這樣的排塔位結(jié)果顯然是不合理的，考慮到城區(qū)線路的美觀性，將直線與轉(zhuǎn)角塔高差≥15m的方案全部舍棄。

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經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比選3.1

比選結(jié)果圖1～圖3分別反映了不同水平檔距下窄基角鋼塔、窄基鋼管塔與鋼管桿的造價(jià)曲線。在安全系數(shù)保持不變時(shí)，工程造價(jià)呈曲線趨勢(shì)變化，從圖中可以看出工程造價(jià)先減小，然后開始增大。3.2

結(jié)論分析對(duì)于方案A和方案B，當(dāng)導(dǎo)線安全系數(shù)K≤6時(shí)，檔距為350m造價(jià)最低；當(dāng)K＞6時(shí)，檔距為270m造價(jià)最低；對(duì)于方案C，當(dāng)導(dǎo)線安全系數(shù)K≤3.5時(shí)，檔距為350m造價(jià)最低，當(dāng)3.5＜K≤7時(shí)，檔距為270m造價(jià)最低，當(dāng)K＞7時(shí)，檔距為180m造價(jià)最低，單公里2檔線方案，設(shè)計(jì)檔距550m，雖然桿塔和基礎(chǔ)數(shù)量最少，但是造價(jià)偏高，不適用。對(duì)于方案A和方案B，當(dāng)導(dǎo)線安全系數(shù)K=6時(shí)，檔距為350m造價(jià)最低，是最經(jīng)濟(jì)的。對(duì)于方案C，當(dāng)導(dǎo)線安全系數(shù)K=7時(shí)，檔距為350m造價(jià)最低，是最經(jīng)濟(jì)的。對(duì)比各塔型最優(yōu)方案，方案A窄基角鋼塔造價(jià)最低，方案B窄基鋼管塔造價(jià)次之，方案C鋼管桿造價(jià)最高。因此，本工程導(dǎo)線安全系數(shù)為6，地線安全系數(shù)為8.5，按水平檔距350m進(jìn)行窄基塔的規(guī)劃與設(shè)計(jì)。

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導(dǎo)地線布置設(shè)計(jì)理論《110～750kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)于塔頭布置采用的水平線間距離、垂直線間距離、地線保護(hù)等做出了詳細(xì)規(guī)定：（1）導(dǎo)線水平排列時(shí)，鄰相導(dǎo)線間的水平線間距離為：

（1）式中，D為導(dǎo)線水平線間距離；λ為懸垂串長；U為輸電線路標(biāo)稱電壓；K為系數(shù)，檔距1000m以內(nèi)取0.65；k為懸垂絕緣子串系數(shù)，具體如表3所示；fmax為桿塔線距所允許的最大弧垂。（2）導(dǎo)線垂直排列的垂直線間距離，宜采用水平線間距離計(jì)算結(jié)果的75%。使用懸垂絕緣子串的最小垂直線間距離宜符合表4的規(guī)定。（3）同塔雙回路，不同回路的相導(dǎo)線間水平或垂直距離應(yīng)比上述要求增加0.5m。（4）桿塔上兩根地線之間的距離，不宜超過地線與導(dǎo)線間垂直距離的5倍。在一般檔距的檔距中央，導(dǎo)線與地線間的距離，應(yīng)按下式計(jì)算：

（2）式中，S為導(dǎo)線和地線間的距離；L為檔距。（5）對(duì)于同塔雙回路，110kV及以上線路的雙地線保護(hù)角不宜大于10°。

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結(jié)論（1）窄基塔結(jié)構(gòu)合理、安全可靠，提高了輸電線