±800 kV特高壓直流耐張塔跳線的優(yōu)化方案

趙遠(yuǎn)濤，李京凱，劉文勛，徐維毅，李健，朱焰，于躍

(1.中南電力設(shè)計(jì)院，武漢市，430071;2.中國(guó)機(jī)械設(shè)備工程股份有限公司，北京市，100055)

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)特高壓直流輸電線路耐張塔跳線方案大多采用“鼠籠式”硬跳線或“鋁管式”硬跳線，能有效限制串偏、減少跳線擺動(dòng)［1］。然而與傳統(tǒng)軟跳線相比又存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)較貴、運(yùn)輸施工不便的缺點(diǎn)。本文以溪洛渡—浙西±800 kV特高壓直流輸電線路工程為例，對(duì)特高壓直流耐張塔采用軟跳線和硬跳線分別進(jìn)行間隙計(jì)算和塔頭設(shè)計(jì)，并結(jié)合當(dāng)前的電力材料價(jià)格，對(duì)各跳線方案下桿塔本體總投資進(jìn)行了比較，探討了是否能以“軟”代“硬”，達(dá)到降低工程造價(jià)、方便運(yùn)輸、施工及運(yùn)行維護(hù)的目的［2］。同時(shí)，本文結(jié)合硬跳成套價(jià)格變化，提出了采用軟跳或硬跳的邊界條件，達(dá)到了優(yōu)化跳線方案的目的。

1 設(shè)計(jì)條件

本文以溪洛渡—浙西±800 kV特高壓直流輸電線路工程為例，計(jì)算采用工況對(duì)應(yīng)的風(fēng)速與空氣間隙取值見表 1［3］。

表1 塔頭空氣間隙取值(海拔高度小于1 000 m)Tab.1 Clearance distance between conductors and tower(altitude less than 1 000 m)

按照設(shè)計(jì)要求，本工程跳線絕緣子串采用合成絕緣子，串長(zhǎng)取12 m，耐張塔極間距取18 m，設(shè)計(jì)塔頭時(shí)耐張塔呼高取45 m，如圖1所示。本工程導(dǎo)線選用6×LGJ-900/75鋼芯鋁絞線。塔高引起的塔質(zhì)量變化按1.45 t/m考慮，引起的橫擔(dān)變化按180 kg/m考慮［2］。

圖1 耐張塔型單線圖Fig.1 Sketch map of Tension tower

根據(jù)目前國(guó)內(nèi)大型金具生產(chǎn)廠家的平均報(bào)價(jià)，本文采用的材料計(jì)算價(jià)格為:硬跳4.2萬元/套，金具20元/kg，合成絕緣子3 200元/支，導(dǎo)線16 800元/t，角鋼6 800元/t。

2 風(fēng)偏計(jì)算

耐張塔的跳線本身在大風(fēng)情況下會(huì)發(fā)生較大偏移，其偏移值與風(fēng)速、導(dǎo)線形狀等多個(gè)因素有關(guān)。國(guó)內(nèi)對(duì)跳線本身的風(fēng)偏計(jì)算常用的計(jì)算方法［4］為

式中:v為跳線平均高度處的風(fēng)速，m/s;d為跳線外徑，cm;μ為跳線體型系數(shù)，跳線外徑小于17 mm或覆冰時(shí)取1.2，否則取1.1;α為風(fēng)壓不均勻系數(shù)，取1.2;p4為跳線單位長(zhǎng)度風(fēng)荷載，N/m;p1為跳線單位長(zhǎng)度自荷載，N/m。

跳線絕緣子串風(fēng)偏［5］為

式中:T為跳線張力，N;PI為絕緣子串水平荷載，PI=0.625v2AI×10-3，其中 AI為受風(fēng)面積;GI為絕緣子串垂直荷載，N;GZ為重錘垂直荷載，N;lH為跳線檔水平檔距，m;lV為跳線檔垂直檔距，m;K為跳線與垂直橫擔(dān)直線間的夾角;n為跳線分裂根數(shù)。

常見的硬跳方式有鼠籠式硬跳和鋁管式硬跳2種。鋁管式硬跳由于造價(jià)比鼠籠式更昂貴［5］，且在運(yùn)行中曾出現(xiàn)過管母脫落，因此本文中僅討論鼠籠式硬跳線。

當(dāng)采用鼠籠式硬跳線結(jié)構(gòu)時(shí)，由于支撐管的固定作用，在大風(fēng)情況下會(huì)發(fā)生整體偏移。此時(shí)的整體風(fēng)偏［6］為

式中:PC為支撐管風(fēng)荷載，N;GC為支撐管垂直荷載，N。

在最大風(fēng)速工況和操作過電壓工況下，單I軟跳、雙I軟跳和雙I硬跳的跳線、絕緣子串風(fēng)偏見表2～3。

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表3中單/雙I軟跳是指跳線采用單/兩支I串絕緣子與軟跳線的組合方式，雙I硬跳是指跳線采用2支I串絕緣子與硬跳線的組合方式，下文的單/雙V軟跳、雙V硬跳含義可類推。

從表2～3可以看出:

(1)在相同條件下，單I軟跳的串偏最大，雙I硬跳的串偏最小。顯然，這是由于硬跳的支撐鋼管、重錘等限制了絕緣子串的擺動(dòng)。

(2)隨著耐張塔轉(zhuǎn)角度數(shù)的增大，絕緣子串的串偏增大，這是由于跳線張力的水平分量隨轉(zhuǎn)角度數(shù)增大而增大的緣故。

在實(shí)際特高壓直流工程中，跳線串一般都采用V串，以盡量減少串偏、縮小塔頭、減小走廊占地［7］。從表2～3可知，在采用單I軟跳時(shí)，最大風(fēng)速下的串偏最大為44°，按照國(guó)內(nèi)工程經(jīng)驗(yàn)［8］，本文對(duì)V 型絕緣子串夾角按90°設(shè)計(jì)。

3 塔頭設(shè)計(jì)

3.1 V串跳線

耐張塔跳線采用單V軟跳、雙V軟跳和雙V硬跳等跳線方案時(shí)的橫擔(dān)長(zhǎng)度計(jì)算結(jié)果見表4。可以看出，V串跳線方案具有如下特性:(1)轉(zhuǎn)角度數(shù)為0°時(shí)，由于V串夾角90°控制，3種跳線所需的跳線橫擔(dān)長(zhǎng)都是20.3 m。(2)隨著轉(zhuǎn)角度數(shù)的增加，軟跳方案的橫擔(dān)變長(zhǎng)，而硬跳方案的橫擔(dān)幾乎不變。(3)雙V硬跳方案的橫擔(dān)長(zhǎng)度最短。

表4 V串跳線的橫擔(dān)長(zhǎng)度Tab.4 Length of cross arm for V-string jumper m

3種跳線的塔頭及控制點(diǎn)間隙圓如圖2所示。不難發(fā)現(xiàn)，硬跳方案的等效串長(zhǎng)比軟跳方案短(約1.4 m，見表5)，這就意味著當(dāng)耐張塔跳線對(duì)地距離控制時(shí)，可將軟跳方案改為硬跳方案，能有效增加跳線對(duì)地距離，從而降低塔高、節(jié)省塔材。

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因此，由于雙V硬跳方案具有:等效串長(zhǎng)短、跳線橫擔(dān)短的特性，在耐張塔跳線對(duì)地距離控制時(shí)，采用硬跳能比軟跳減小塔高、縮短橫擔(dān)，從而有效節(jié)省塔材，因此現(xiàn)有的大多數(shù)特高壓直流輸電線路都采用雙V硬跳方案。

3.2 I串跳線

雖然I串不能像V串一樣限制串偏，但由于采用I串時(shí)跳線絕緣子、金具的數(shù)量以及橫擔(dān)長(zhǎng)度都不相同，因此應(yīng)進(jìn)行綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。

根據(jù)計(jì)算，采用單I軟跳、雙I軟跳和雙I硬跳3種方案時(shí)的橫擔(dān)長(zhǎng)度和等效串長(zhǎng)見表6～7。

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可以看出，采用I串跳線時(shí)具有以下特性:(1)I串方案的橫擔(dān)長(zhǎng)度隨著轉(zhuǎn)角度數(shù)的增大而增大。(2)雙I硬跳的橫擔(dān)長(zhǎng)度最短。

3.3 小結(jié)

由以上分析可知:(1)無論V串還是I串，硬跳方案的塔材總是最省。(2)V串跳線橫擔(dān)長(zhǎng)度比I串跳線長(zhǎng)，但等效串長(zhǎng)比I串跳線短，故應(yīng)進(jìn)行綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。

4 綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

雖然采用硬跳線的塔材最省，但由于國(guó)內(nèi)的硬跳線價(jià)格比軟跳線要高［9］，本著優(yōu)化設(shè)計(jì)方案、節(jié)省工程總投資的原則，在滿足安全運(yùn)行的前提下，對(duì)跳線方案進(jìn)行本體投資綜合經(jīng)濟(jì)比較(未考慮走廊通道、運(yùn)輸、安裝等因素)。

結(jié)合工程實(shí)際情況，本文分“跳線對(duì)地控制耐張塔高”和“檔中控制耐張塔高”2種情況，對(duì)上述6種跳線的單基總投資差額進(jìn)行比較(本節(jié)計(jì)算過程中硬跳價(jià)格取固定值:4.2萬元/套，為溪洛渡—浙西±800 kV特高壓直流輸電線路工程初步設(shè)計(jì)階段的廠家報(bào)價(jià)平均值)，不同跳線方案的單基總投資差額隨轉(zhuǎn)角度數(shù)的變化如圖3所示，所有跳線方案的總投資均以雙V硬跳時(shí)的單基總投資為基準(zhǔn)求差值。從圖中可以看出，當(dāng)檔中控制耐張塔高時(shí)，單基總投資的最高方案和最低方案分別如下。

(1)轉(zhuǎn)角 0°～20°:單 I軟跳最低，雙 V 硬跳最高。

(2)轉(zhuǎn)角 40°～90°:雙 I軟跳最低，雙 V 硬跳最高。

當(dāng)跳線對(duì)地控制耐張塔高時(shí)，單基總投資的最高方案和最低方案分別如下。

(1)轉(zhuǎn)角 0°～40°:單 V 軟跳最低，雙 I硬跳最高。

(2)轉(zhuǎn)角 60°～90°:雙 V 軟跳最低，單 I軟跳最高。

圖3 不同跳線方案的單基總投資差額Fig.3 Total cost for different jumper types

可以得出以下結(jié)論:(1)軟跳線方案的總投資最低，硬跳線方案的總投資最高。(2)檔中控制塔高時(shí)I串跳線最省，V串跳線最貴;跳線對(duì)地控制塔高時(shí)V串跳線最省，I串跳線最貴。

5 硬跳價(jià)格敏感性分析

以上分析是基于硬跳價(jià)格固定不變的前提進(jìn)行，但事實(shí)上硬跳價(jià)格并不是固定值［10］。不同廠家、不同工程、不同招標(biāo)規(guī)模以及不同時(shí)期的硬跳價(jià)格都是不同的，甚至相差懸殊。基于此，下面將分析硬跳價(jià)格對(duì)跳線方案總投資的影響。

0°耐張塔以雙V硬跳時(shí)的單基總投資為基準(zhǔn)(差額為0)，對(duì)所有跳線方案的單基總投資求差額，結(jié)果如圖4所示。當(dāng)硬跳價(jià)格不同時(shí)，單基總投資最高和最低的跳線方案也發(fā)生變化。

圖4 硬跳價(jià)格對(duì)0°耐張塔總投資差額的影響Fig.4 Dependence of hard jumper price on total cost of tension tower

(1)檔中控制耐張塔高:硬跳價(jià)格為1萬元/套時(shí)，單基總投資最低的是雙I硬跳，最高的是雙V軟跳;硬跳價(jià)格為1.78萬元/套時(shí)，單I軟跳和雙I硬跳總投資相同，均為最低，雙V軟跳最高;硬跳價(jià)格高于2.5、5萬元/套時(shí)，單I軟跳總投資最低，雙V軟跳和雙V硬跳分別最高。

(2)跳線對(duì)地控制耐張塔高:硬跳價(jià)格為1、2.5萬元/套時(shí)，單基總投資最低的是雙V硬跳，最高的是單I軟跳;硬跳價(jià)格為2.93萬元/套時(shí)，單V軟跳和雙V硬跳總投資相同，均為最低，單I軟跳最高;硬跳價(jià)格為5萬元/套時(shí)，單V軟跳總投資最低，雙I硬跳最高。

為方便論述，將上述價(jià)格中的1.78萬元/套和2.93萬元/套稱作“臨界硬跳價(jià)格”。從而20°/40°/60°/90°耐張塔在“跳線對(duì)地控制”和“檔中控制”這2種情況下的“臨界硬跳價(jià)格”以及總投資最低的跳線方案見表8～9。

因此，可得出下述結(jié)論:

(1)單基總投資最低的方案并不是固定的，而是隨著硬跳價(jià)格變化而變化。當(dāng)硬跳價(jià)格低于對(duì)應(yīng)的“臨界價(jià)格”時(shí)，硬跳方案省投資，而超過該價(jià)格時(shí)軟跳方案省。

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(2)耐張塔轉(zhuǎn)角度數(shù)越大，臨界硬跳價(jià)格越高。

(3)檔中控制時(shí)I串方案省;跳線對(duì)地距離控制時(shí)V串方案省。

6 結(jié)語

本文以溪洛渡—浙西±800 kV特高壓直流輸電線路工程為依托，對(duì)耐張塔軟跳和硬跳2種方案進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，主要結(jié)論如下:

(1)特高壓直流輸電線路采用軟跳、硬跳方案在理論上都是可行的，實(shí)際工程中應(yīng)結(jié)合硬跳價(jià)格、塔位情況等具體分析。

(2)采用硬跳方案可以減小縮短橫擔(dān)、降低塔高，減小塔材投資，但可能增加跳線投資。

(3)溪洛渡—浙西±800 kV特高壓直流輸電線路工程平均硬跳價(jià)格(4.2萬元/套)大于臨界價(jià)格，故采用軟跳方案總投資最省。

(4)檔中控制時(shí)，I串跳線最省;跳線對(duì)地距離控制時(shí)，V串跳線最省。

(5)單基總投資最低的方案隨硬跳價(jià)格變化而變化。當(dāng)硬跳價(jià)格低于對(duì)應(yīng)的“臨界價(jià)格”時(shí)，硬跳方案省投資，而超過該價(jià)格時(shí)軟跳方案省。

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