遼南電網冰厚調整對500 kV線路投資的影響分析

楊振國，高培國，韓 彬，從培元，姜然凇

(1.中國電力工程顧問集團東北電力設計院有限公司，吉林 長春 130021；2.國網遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110004)

繼2008年南方電網冰災之后，2015年11月7日，我國遼寧南部(以下簡稱“遼南”)地區的營口及大連一帶也發生了重覆冰災害，大連市瓦房店局部地區高壓輸電線路導線覆冰厚度達到30～40 mm(折算標準冰厚)，造成多條線路跳閘、塔身局部區段受損以及停運。比照2012年版遼寧電網冰區分布圖可以看出，該覆冰厚度重現期不低于100年。鑒于此，國網遼寧省電力有限公司于2017年對冰區分布圖進行了重新修訂，將遼南地區局部區域覆冰厚度進行了適當提高，其中影響500 kV線路設計的50 a一遇重現期冰區分布圖由原10 mm覆冰提高至15～20 mm。

覆冰厚度的提高將直接導致后續高壓輸電線路的整體投資增加，主要體現在塔材用量及基礎混凝土用量兩個方面。據此，本文著重針對本次覆冰厚度調整對500 kV輸電線路本體投資的影響進行分析，為后續工程設計覆冰厚度的選取決策提供參照依據。

1 遼南地區500 kV線路概況

截至2017年末，遼南地區500 kV主網架情況見圖1。

圖1 遼南地區500 kV網架連接示意圖

從圖1中可以看出，遼南地區本次覆冰厚度調整涉及500 kV網架大體范圍為：西起營口市營口電廠、瓦房店市紅沿河核電站；東至莊河市莊河電廠及500 kV黃海變；北至營口市500 kV渤海變；南至大連市500 kV雁水變。該范圍基本覆蓋了西側臨海的2/3面積營口地區以及瓦房店、莊河以南的整個大連地區，共涉及500 kV變電站7座，分別為：渤海變、南海變、瓦房店變、黃海變、金家變、南關嶺變及雁水變。該區域內涉及現有主要500 kV線路情況見表1，線路地形情況見圖2。

從表1可以看出，遼南地區主要500 kV線路除1988年投運的少數500 kV線路有部分采用4×300 mm2截面導線外，近年的線路截面均以4×400 mm2及4×630 mm2為主，這與國家電網公司500 kV典型設計桿塔模塊采用的導線形式是相同的，因此本文以4×400 mm2及4×630 mm2單雙回路塔型作為分析依據。據此，本文選擇《國家電網公司輸變電工程通用設計(2011年版)110(66)～500 kV輸電線路分冊》[1]中相應不同氣象區單雙回路500 kV桿塔模塊進行相應工程量計算對比，見表2。

圖2 線路地形分布情況概況圖

表1 遼南主要500 kV線路概況

表2 500 kV線路桿塔模塊選擇

遼南地區500 kV線路設計基本風速有三種：28.6 m/s、30.5 m/s及32.5 m/s。結合各工程設計情況以及遼寧電網風區圖(50年一遇，2013版)可以看出，大連瓦房店紅沿河核電站、大連220 kV普蘭店變電站、大連金州220 kV馬場變大體連線以西的臨海大連地區位于30.5 m/s、32.5 m/s風速區，其余大連地區及營口地區位于28.6 m/s風速區。事實上，不同導線覆冰厚度對塔重及基礎混凝土量的影響與27 m/s風區規律是一樣的，因此，為簡化分析的邊界條件，本文將鐵塔的設計風速統一按27 m/s考慮。

此外，經計算，表1中各線路所有桿塔總數為2 694基，其中直線塔總數為2 072基，耐張塔總數為622基，平均耐張塔占比為23%，直線塔占比為77%。當然不難計算，每個工程的轉角塔比例從11.9%～42.6%均有所區別，但為了反映整個區域的情況本文列出了迄今所有線路的塔數信息，不剔除其中個別少數轉角比例偏高或偏低的線路。該地域經濟相對發達，障礙物設施較多，轉角比例偏高。同時特殊指出，根據圖2可以看出遼南地區地形以平地及低山丘陵為主，線路本體投資受地形影響相對較小。

2 覆冰厚度調整對塔重的影響分析

根據表2所選各相應500 kV單雙回路桿塔模塊對各型桿塔進行塔重對比分析，見表3。

由表3可知，除5E7/5E1直線塔塔重比較結果較為異常外，其他模塊各塔型的比較均在合理范圍內。主要原因為5E7直線塔導線采用6相V串的懸掛方式，而5E1則采用6相I串的懸掛方式，由于懸掛方式的不同，V串塔較I串塔層間距增加約8%，橫擔長度長36%，鐵塔擋風面積增加了20%左右，最終導致了雙回路V串塔較I串塔重。經進一步計算分析，雙回路V串直線塔較I串塔塔重平均增加18%，如果將這部分影響考慮進去，即：將5E1、5E7直線塔均按I串懸掛方式進行塔重比較，則5E7/5E1塔重平均增加32.45%－18%=14.45%，與其他模塊的比較規律基本一致。

綜上所述，導線覆冰由10 mm增加到15 mm，其他邊界條件相同，直線塔塔重平均增加(13.25%+15.15%+ 15.25%+14.45%)/4=14.5%，耐張塔塔重平均增加(12.15%+ 8.85%+9.85%+ 10.50%)/4=10.3%。此外，從表3還可以看出，單雙回路平均塔重的增幅是基本相當的。

表3 典型鐵塔重量的對比

3 覆冰厚度調整對基礎混凝土量的影響分析

當鐵塔設計的導線覆冰由10 mm變為15 mm，其他邊界條件不變的情況下，鐵塔的擋風面積、重量會在一定程度上增加，又因鐵塔的基礎作用力控制工況為大風工況，理論上，在基礎根開不變的情況下，下壓力會有所增加，而上拔力則可能會減小(因塔重增加)。但由于導線覆冰厚度變化很小，塔重及擋風面積的增加對作用力的影響不大，此覆冰厚度對基礎作用力的影響很有限，本文摘取文獻中典型的2型直線塔和耐張塔進行了基礎作用力的比較，詳細情況見表4，對比的基本情況與上面的分析基本吻合。

由表4比較結果可知，導線覆冰厚度由10 mm變為15 mm時，直線塔的上拔力平均增加1.0%，下壓力平均增加2.9%；耐張塔的上拔力平均增加5.4%，下壓力平均增加10.7%。按照上述作用力變化測算，直線塔基礎混凝土增加范圍在1.0%～2.9%左右，平均增加1.95%；耐張塔混凝土增加范圍在5.4%～10.7%，平均增加8.1%。

表4 鐵塔基礎作用力的對比

4 覆冰厚度調整對線路投資的影響

計算覆冰厚度調整對線路投資的影響程度，需要分別得到塔重以及混凝土量對線路本體投資影響所占的比重，為此對近年遼南區域幾條典型500 kV線路工程本體投資進行了歸納，具體情況見表5。

表5 遼南典型500 kV線路安裝工程費

從表5中近年遼南地區4條典型500 kV線路的安裝工程費情況可以看出，混凝土工程(含安裝)投資占比約為14.9%，桿塔工程(含安裝)投資占比約為47.7%。

由此，當500 kV線路設計冰厚由10 mm增加至15 mm時，根據前文遼南地區線路直線塔、耐張塔比例以及直線塔、耐張塔塔重及混凝土量增加比例情況，可以計算出對工程本體投資的影響比例如下：

對于20 mm冰區，在文獻中沒有相應典型桿塔模塊數據供詳細技術比較分析，在我國東北地區也未有采用過該覆冰厚度的重冰區條件設計的線路，缺少可參考的實際工程數據。20 mm重冰區較常規10 mm輕冰區線路的桿塔塔頭尺寸、垂直荷載以及不平衡張力均增加較大，導致桿塔重量及基礎混凝土量隨之大幅上升。同時，受重覆冰導線弧垂特性影響，重冰區線路桿塔平均檔距更小(平均300 m左右)，且耐張段長度更短，不超過3 km，因此，重冰區桿塔數量及耐張塔比例也較常規輕冰區線路增加顯著。

由于影響線路本體投資的各項主要影響指標均變化較顯著，從具體技術角度分析20 mm冰區線路投資增加幅度是較為復雜的。從《電網工程限額設計控制指標(2008年水平)》中可以查得，10 mm及20 mm冰區4×400 mm2單回500 kV線路山地地形主要技術指標見表6。

表6 500 kV單回線路主要技術指標

根據表6可以計算得到，20 mm冰區塔材單公里指標為10 mm冰區的2.38倍，混凝土單公里指標為1.48倍。耐張塔比例的提高是由于重冰區耐張段長度降低引起的，遼南地區500 kV線路如采用20 mm重冰區設計，也會由于耐張段長度的特殊要求而相應增加耐張塔比例。重冰區塔材及混凝土量上升幅度較大，因此，該兩項投資在本體投資中所占比例均較10 mm冰區線路工程有明顯提高。通過我國西南地區有關20 mm重冰區線路工程本體投資情況統計，混凝土工程(含安裝)投資占比約為20%，桿塔工程(含安裝)投資占比約為55%。據此推算，遼南地區采用20 mm重冰區設計時本體投資較10 mm冰區增加倍數約：

不難算出，表6中本體投資20 mm冰區增加倍數為168%，與上述計算結果基本相當，因此，平均增加比約為65%。

5 結語

遼南地區電網本次50年一遇設計覆冰厚度調整區域近年新建的單雙回路500 kV線路導線型式為4×400 mm2及4×630 mm2。遼南地區500 kV線路平均耐張塔比例約為23%；直線塔比例約為77%。500 kV線路線路設計覆冰厚度由10 mm增加到15 mm時，直線塔塔重平均增加約14.5%；耐張塔塔重平均增加約10.3%。500 kV線路設計覆冰厚度由10 mm增加到15 mm時，直線塔基礎混凝土用量平均增加約1.95%；耐張塔混凝土用量平均增加約8.1%。

整體來看，遼南地區500 kV線路地形以平地及低山丘陵為主，線路本體投資受該兩種地形影響相對較小。遼南地區線路設計覆冰厚度由10 mm增加到15 mm時，500 kV線路單雙回路綜合本體投資將平均增加約7%；遼南地區線路設計覆冰厚度由10 mm增加到20 mm時，500 kV線路單雙回路綜合本體投資將平均增加約65%。

特別指出，本文僅對覆冰厚度由10 mm調整到15 mm時投資的普遍增加情況進行了詳細的技術經濟計算及論述，受篇幅所限對于增加至20 mm的情況僅進行大體量級的參照比對介紹。事實上，建國以來不僅遼南地區，整個東北地區的500 kV線路也未有過采用20 mm重覆冰設計的線路，對本次調整冰區圖中20 mm的區域整體抬高至此厚度設計標準，筆者認為是沒有必要的，相應增加桿塔稀有覆冰驗算工況時適當提高抗冰強度即可，對本體投資影響可以接受。

參考文獻:

[1] 劉振亞．國家電網公司輸變電工程通用設計(2011年版)110(66)～500 kV輸電線路分冊[M]．北京：中國電力出版社，2011．

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[3] GB 50545－2010．110 kV～750 kV架空輸電線路設計規范[S]．

[4] 陳立新．電網工程限額設計控制指標(2008年水平) [M]．北京：中國電力出版社，2009．