提高桿塔水平檔距利用率的方法

楊 巍，朱天浩

(中國電力企業聯合會電力建設技術經濟咨詢中心，北京 100053)

1 概述

輸電線路設計中水平檔距利用率是指桿塔定位后實際水平檔距占所選塔型標準水平檔距的百分比。作為衡量桿塔利用率的一個重要指標，水平檔距利用率反映了桿塔規劃和選型的合理性，且與工程本體造價密切相關。

國家電網公司輸電線路通用設計(2011年版)根據電壓等級、回路數、導線截面、氣象條件、地形條件、海拔高度等使用條件的不同進行了塔型劃分，給出了不同條件組合下的塔型。目前這項標準化成果已在全國多數地區得到廣泛應用。本文從輸電線路水平檔距利用率的計算方法出發，對國內不同地區的采用通用設計模塊進行設計的220 kV輸電線路初步設計階段的水平檔距利用率進行了統計，發現目前初步設計階段水平檔距利用率普遍較低，分析了原因。在線路路徑選擇時，受地形地貌、城市規劃和各種障礙物的限制，耐張塔的位置和數量相對較固定，當路徑一旦確定，懸垂型桿塔的合理選型和布置即對桿塔利用率的提高起主要作用，因此本文主要提出了導線截面、設計風速或海拔高度等設計條件與通用設計對應不同時，如何通過對懸垂型桿塔進行水平檔距的折算后,合理選擇塔型提高水平檔距利用率。

2 水平檔距利用率

2.1 水平檔距利用率的計算方法

一條輸電線路的水平檔距利用率是指全線桿塔的實際水平檔距之和占其標準水平檔距之和的百分比，見式(1)。為簡化計算，可用線路路徑長度近似代替全線桿塔的實際水平檔距之和。輸電線路中水平檔距利用率越高，對應的塔材指標越經濟，通常將利用率100%時稱為桿塔的滿負荷設計。在工程實際中由于受各種因素制約，利用率100%基本無法實現。但在桿塔規劃和選型中，可將滿負荷的設計理念與工程實際相結合，最大限度的提高水平檔距利用率，控制工程造價。

式中：S為線路路徑長度；LHi為桿塔標準水平檔距；Ni為相同塔型的基數；n為塔型種類；KH為線路水平檔距利用率。

2.2 水平檔距利用率統計

在此選擇國內不同地區具有代表性的20條220 kV輸電線路，對其在初步設計階段的各項指標和相應的水平檔距利用率等進行統計，并按水平檔距利用率由小到大排列后得到表1。表1中線路路徑長度均在10.0 km以上，均采用了國家電網公司輸電線路通用設計塔型進行設計，且都是近兩年內的初步設計工程。

表1 水平檔距利用率統計

根據表1可知，50%的線路水平檔距利用率小于75%，90%的線路單公里塔數高于通用造價水平。分析其原因：(1)選擇塔型時簡單以大代小，缺乏必要的檔距折算。(2)起始塔型設置不合理。(3)塔型規劃不合理。(4)耐張塔比例高。

以表1中工程1為例，該線路平均檔距為 376 m，其中 SZ1、SZ2、SZ3和 SZ4型懸垂型鐵塔規劃比例為2.1%、18.2%、29.4%和20.3%，SZ1標準水平檔距380 m，其余塔型標準水平檔距均大于500 m，顯然塔型使用比例不合理，設計過保守，不滿足經濟性要求。

3 桿塔荷載

桿塔荷載可分解為橫向荷載，縱向荷載，垂直荷載，見圖1，分別由風，不平衡張力，導線自重和冰重等引起。桿塔重量主要取決于桿塔所承受荷載的大小。對于常規輕(中)冰區線路而言，在正常運行情況下，懸垂型桿塔的前后兩檔內的導地線張力相等，縱向荷載為0；垂直荷載主要由導地線、絕緣子、金具和冰重引起，對桿塔受力不起控制作用；橫向荷載是指由大風引起的風荷載，分為導地線風荷載，塔身風荷載和絕緣子串風荷載3部分。懸垂型桿塔主要受風荷載控制，因此懸垂型桿塔主要根據其風壓的不同對水平檔距進行折算后選型。耐張型桿塔主要受縱向不平衡張力控制，風荷載和垂直荷載對耐張塔影響相對較小，轉角角度不同的時縱向荷載相差較大，耐張型桿塔主要根據其角度的不同對水平檔距進行折算后選型。

圖1 導線受力示意圖

根據GB50545－2010《110 kV～750 kV架空輸電線路設計規程》10.1.18條規定，導線及地線水平風荷載和塔身風荷載標準值分別按式(2)和式(5)計算。

其中：

式中：WF為垂直于導線及地線方向的水平風荷載標準值；W0為基準風壓標準值；V為基準高度為10 mm的風速；α為電線風壓不均勻系數；βc為500 kV和750 kV導線及地線風荷載調整系數；μz為風壓高度變化系數；μsc電線體形系數；d為導線和地線外徑或覆冰時的計算外徑；Lp為桿塔水平檔距；B為覆冰時風荷載增大系數；θ為風向與電線軸向間的夾角，gH為導線單位長度上的風荷載。

式中：Ws為桿塔風荷載標準值；μs為構件體形系數；As為構件承受風壓的投影面積計算值；βz為桿塔風荷載調整系數。

4 提高水平檔距利用率的方法

國家電網輸電線路通用設計按電壓等級，回路數，導線截面，氣象條件，地形條件，海拔高度對桿塔模塊進行了劃分。桿塔選型時若設計條件與通用設計完全相同，可直接套用相應模塊；若設計條件與通用設計不完全相同，應根據桿塔承受荷載對水平檔距折算后選擇安全性和經濟性較佳的塔型。

4.1 導線截面不同

從式(2)可以看出，導線截面只與d和μsc有關，從式(5)看導線截面與塔身風壓無直接關系。以一條220 kV線路為例，說明如果通用設計中無對應導線截面時如何合理選擇懸垂塔塔型。該線路導線采用2×JL/G1A－500/45型鋼芯鋁絞線，同塔雙回路架設，設計風速29 m/s，覆冰10 mm，海拔1000 m以下，地形為平地100%。

為確保安全性，選擇2F4模塊進行設計(對應導線為2×630/45型鋼芯鋁絞線，其余設計條件與該工程一致)，按式(2)對2F4模塊中懸垂型桿塔進行水平檔距折算得表2。

表2 2F4型懸垂型桿塔水平檔距折算

以呼高27 m的2F4－SZ1型懸垂塔為例，其標準水平檔距為350 m，檔距折算如式(6)。

式中：gH630/29為2×630/45型鋼芯鋁絞線在29m/s風速下的導線風荷載，gH500/29為2×500/45型鋼芯鋁絞線在29 m/s風速下的導線風荷載。

從表2看出，折算后2F4型懸垂塔的起始檔距由350 m增加至392 m，若線路平均檔距較小時該起始檔距顯然偏大，可對2F3—SZ1型塔(設計風速27 m/s，其余均與2F4相同)進行檔距折算，如式(2)。同時考慮塔身風壓引起的檔距折減，校驗塔頭間隙，若滿足將其作為起始塔型。

風速27 m/s的鐵塔用在29 m/s風速的線路中，引起塔身風荷載變化相應水平檔距折減39.79 m，即Lp=300 m。

2F3－SZ1較2F4－SZ1的起始塔重量每基可降低0.407 t，相應基礎工程量也將減少。對于線路較長時工程本體投資的節約將尤為顯著。

4.2 設計風速不同

由式(2)和(5)看出，導地線風荷載和桿塔的塔身風荷載均與設計風速的平方v2成正比，可見風速v是影響桿塔風荷載的主要因素。現以一條設計風速為28 m/s的220 kV輸電線路為例，說明通用設計中無對應風速時如何選擇塔型。該線路單回路架設，導線采用2×LGJ－400/35型鋼芯鋁絞線，覆冰10 mm，海拔1000 m以下，地形為平地100%。

對于長度較短的線路，為兼顧設計效率和安全性，可選擇2B5模塊(對應設計基本風速29 m/s，其余條件與該工程均相同)。對呼高27 m的2B5－SZ1型起始塔進行檔距折算，見式(8)。由于設計風速小于2B5，顯然塔身風荷載和塔頭間隙均可滿足要求。對于長度較長或平均檔距較小的線路，經過折算后的水平檔距裕度偏大時，應優先取2B3型塔進行檔距折算，見式(9)。同時還要考慮塔身風荷載增大引起的檔距折減，校驗塔頭間隙。

除合理選擇起始塔型外，還應重視各塔型分配，呼高和經折算后的水平檔距若滿足使用條件，應優先采用SZ1型懸垂塔，盡量減少SZ2、SZ3和SZ4型懸垂塔。交叉跨越處應優先選用SZK型跨越塔，若折算后水平檔距不滿足再選擇SZ3型懸垂塔。

4.3 海拔高度不同

根據GB50545－2010《110 kV～750 kV架空輸電線路設計規程》表7.0.9－1和7.0.12條規定，110 kV～500 kV線路海拔間隙可按表3修正。

表3 220 kV帶電部分與桿塔構件(包括拉線，腳釘等)的最小間隙(m)

通用設計中按海拔高度分1000 m及以下、1000 m～2000 m兩檔塔型。對于海拔高度在1000 m的基礎上上浮不多的線路，應根據沿線污穢等級選擇絕緣子片數后，按照表3中最小間隙的要求，對通用設計中1000 m及以下模塊相應塔型的塔頭間隙進行校驗，滿足最小間隙要求可優先選用，若不滿足再選取通用設計中對應海拔1000 m～2000 m模塊塔型。

4.4 耐張型桿塔的檔距折算

在實際使用時耐張塔的角度和水平檔距裕度一般較大，因此當角度不夠時，應將檔距裕度折算到使用角度上，增大角度使用范圍；當水平檔距不夠時，應將角度裕度折算到水平檔距上，增大水平檔距使用范圍。應根據實際需要對角度或檔距進行互相折算后，再靈活運用的工程實際中，使滿負荷設計的理念充分運用到工程實際中。

4 結論

導線截面或設計風速與通用設計不同時，若以大代小選擇塔型，應對導地線風荷載引起的懸垂型桿塔的水平檔距進行折算，此時由于實際使用條件小于通用設計中對應塔型的使用條件，塔身風壓沒有增加，無需折算檔距，可留足裕度，確保安全。

線路平均檔距較小時，可以小代大選擇比設計風速稍小的桿塔作為起始塔型，此時除應對導地線風荷載引起的水平檔距折算外還應考慮塔身風壓增加引起的檔距折減，校驗塔頭間隙。

在污染較輕地區，若線路的海拔高度在1000m的基礎上上浮不多時，可先對相應海拔1000m以下的鐵塔塔頭間隙進行校驗，若滿足最小間隙要求可優先采用。

工程實際中，若耐張塔的水平檔距或角度比其使用上限小的多時，應根據實際需要對水平檔距或角度進行相互折算，盡量將裕度用滿。

總之，在塔型規劃和選型時，應以滿負荷和精細化設計的理念，在滿足安全性的前提下力求經濟性，確保工程本體投資更加合理。

[1]GB50545—2010，110 kV～750 kV架空輸電線路設計規范[S]．

[2]國家電網公司基建部．國家電網公司輸電電工程通用設計：110(66)～500 kV輸電線路分冊[M]：北京：中國電力出版社，2011．

[3]東北電力設計院．電力工程高壓送電線路設計手冊第二版[M]．北京：中國電力出版社，2002．

[4]任宗棟，等．輸電線路桿塔水平檔距折算方法[J]．電力建設，2011，(5)，39－41．

[5]國家電網公司．輸變電工程通用設計220 kV輸電線路分冊，2011版[K]．北京：中國電力出版社，2011．

[6]國家電網公司．輸變電工程通用造價220 kV輸電線路分冊，2010版[K]．北京：中國電力出版社，2010．