基于絕緣材料橫擔緊湊型輸電線路全壽命周期經濟性對比

鐘準

摘 ?要：為了比較復合絕緣橫擔塔與傳統鐵塔的經濟性差異，該文選擇實際220 kV輸電線路工程案例，通過對鐵塔使用方案替代，得出使用復合絕緣材料橫擔（下文簡稱復合橫擔）可大幅減小串長，減小塔頭尺寸和線路走廊寬度，降低鐵塔高度，節省基礎材料用量等。結合工程實際進行桿塔優化排位計算，結果表明：相比傳統鐵塔，復合橫擔塔能節省20%～30%塔材耗量和10%左右基礎工程量，縮減走廊寬度高達15%～30%。最后綜合輸電線路一次性建設成本、運維成本和后期事故損失成本3個方面的經濟性對比，得出基于復合橫擔的解決方案相較于傳統方案在電網建設全壽命周期內具有明顯的經濟優勢。

關鍵詞：架空輸電線路;復合橫擔;傳統鐵塔;全壽命經濟性比較

中圖分類號：TM726 ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

隨著電網建設的發展，架空輸電線路工程對鋼材的需求量日益增大，消耗了大量的資源，也造成了生態環境的嚴重污染;目前，節能環保倍受重視，新型節能環保材料用于替代或者部分替代鋼材應用到輸電桿塔中具有工程價值。

通過合理的設計，開發復合材料新型桿塔，可達到以下4個預期效果。1）性能更優越：分利用復合材料的絕緣特性，縮短或去除懸垂絕緣長度，降低線路風偏閃絡概率。2）成本更經濟：利用復合材料的絕緣特性，可有效縮短橫擔長度、減小走廊寬度和拆遷費用;降低塔高，減小導、地線荷載作用（風荷作用、線條不平衡張力所產生的扭、彎矩），塔重降低、基礎混凝土量小，減小安裝、運輸費用。3）資源更節約：統鐵塔原材料為鐵礦石，需要大量進口，而復合材料的主要原材料為二氧化硅礦石，中國蘊藏量豐富，采用復合材料更有利于節約和有效利用本土資源。4）環境更友好：合成材料制品與鋼構件相比，生產能耗低，減小環境污染;同時復合材料易加工、顏色可調，能夠與環境協調，可增強線路的環境友好性。

綜上所述，通過合理的設計，在輸電線路工程中應用復合材料，具有重要的經濟效益和社會效益。

1 復合橫擔塔塔頭布置

1.1 絕緣配置

該文選取220 kV單、雙回路復合橫擔直線塔作為設計案例，將各案例的典型工況作為設計輸入條件，具體數據見表1，規劃的復合橫擔塔使用條件見表2。

絕緣配置和防雷按照國標（GB 50545—2010[1]，該文提及的GB 50545皆為該版本）進行計算。

導線布置按照國標（GB 50545—2010）進行計算，由于復合橫擔塔本身具有絕緣特性，無需使用懸垂絕緣子，導線垂直線間距按照水平線間距計算結果的75%取值即可。

1.2 最小塔頭尺寸

案例1與案例2按照0.8 m串長繪制間隙圓。相間距和防雷保護角均執行國標中要求。

針對2種案例的最小塔頭尺寸進行了電磁環境模擬仿真，其結果均滿足GB 50545的相關要求。

1.3 最短金具串長

由于鐵塔復合橫擔是絕緣體，導線可直接通過金具串掛在橫擔上，此種設計可以大幅降低由金具串風偏導致的放電故障概率。但是需要考慮因導線斷線而產生的不平衡張力。根據GB 50545規定，懸垂塔導線的最不平衡張力應滿足表10.1.7規定。按照該文2.2節中的技術條件，以連續5檔，選取第一檔50%子導線斷線的工況為例，計算出這2種案例在不同金具串長（0.8 m，1 m，1.5 m，2 m和2.5 m）情況下分裂導線的縱向不平衡張力。桿塔分裂導線縱向不平衡張力均低于最大使用張力的10%，滿足設計規范要求。對于案例1和案例2，選取金具串長為0.8 m。

綜合可知，對于復合材料直線塔，可以縮短橫擔長度和塔頭尺寸，從而減小導線荷載和塔頭風荷載作用，降低塔重和基礎作用力。

2 復合橫擔塔設計對比

以下復合橫擔塔的設計均遵循國內標準DL/T 5154—2012[2]。

2.1 220 kV單回路復合橫擔塔

對于220 kV的單回路復合橫擔桿塔，以南方電網公司220 kV輸變電工程通用設計直線塔2F1W8-ZH2作為對比對象，呼高取值為36 m。在相同設計標準下，建立上字型復合橫擔塔。2種鐵塔計算結果表明，將傳統酒杯塔改成復合橫擔上字型桿塔，與原酒杯塔相比，走廊寬度大幅減少53.4%，鋼材耗量減少31.88%，優勢明顯。

2.2 220 kV雙回路復合橫擔塔

對于220 kV的雙回路復合橫擔桿塔，以南方電網公司220 kV輸變電工程通用設計直線塔2C2Wd-Z2作為對比對象，呼高取值為30 m。在相同設計標準下，建立傘型復合橫擔塔。2種鐵塔計算結果表明，220 kV雙回路復合橫擔塔外形與原典設塔的類型一致，復合橫擔塔的塔高降低13%。其中，走廊寬度的降幅最大，減少39.71%，這對于征地成本昂貴的地區具有明顯的競爭優勢。

3 復合橫擔塔在運維上的優勢

復合橫擔塔一方面由于使用了更為精簡的塔身結構，省去了傳統的絕緣子掛串，相比傳統鐵塔可以減少絕緣子清掃、更換等工作;另一方面可以使鐵塔的橫擔防腐除銹等相關維護工作大為減少。通過測算可以看出采用復合橫擔可以大幅度減少線路巡視頻率和絕緣子相關檢測項目及周期，經濟效益巨大。

4 經濟性對比

4.1 架空輸電線路建設成本的分析

對220 kV單、雙回50 km輸電線路進行計算分析，對比復合橫擔塔方案與傳統角鋼塔方案的經濟性差異，其比較結果見表3。

從表3可以看出，在220 kV單回路輸電線路工程中，選取同樣使用條件下，復合橫擔塔可以降低呼高5.56%，節省塔材31.79%，縮窄水平線間距離53.41%，即線路走廊寬度減少53.41%。塔頭和塔身尺寸減小導致基礎方量減少31.79%。同時完全省去了傳統懸垂絕緣子串的材料和相關運輸安裝的成本。從數據分析可以得出復合橫擔塔單基塔本體造價比傳統方案低4.83%，結合復合橫擔塔省塔基占地和走廊寬度的優勢，綜合線路征地賠償費用，單基塔靜態投資對比：復合橫擔塔低于傳統角鋼塔10.39%。

可以看出，在220 kV雙回路輸電線路工程中，在相同的使用條件下，復合橫擔塔可以降低呼高6.67%，節省塔材35.67%，縮窄水平線間距離39.71%，即線路走廊寬度減少39.71%。塔頭和塔身尺寸減小導致基礎方量減少35.67%。同時完全省去了傳統懸垂絕緣子串的材料和相關運輸安裝的成本。

4.2 架空輸電線路運維成本的分析

結合國內架空輸電線路運行過程中的維護工作，可以大致測算一條輸電線路在設計壽命（30年）內的后期運維成本。結合4.1節的結論，復合橫擔塔在運維期間的優勢非常明顯。

根據調研資料顯示，大部分架空輸電線路事故發生在絕緣子處。而復合橫擔采用優異的復合材料，具有良好的力學性能和優異的抗污、抗紫外線性能。經過嚴苛的實驗論證，復合橫擔可做到線路全壽命周期免（少）維護，能大大提高輸電線路的可靠性，減少事故停電損失。提高電網運行的穩定性才是真正從本質上降低電網建設全壽命周期的投資成本。

5 結論

該文以實際220 kV輸電線路工程為例，通過對其鐵塔使用復合橫擔進行方案替代并進行計算分析，結合工程實際進行桿塔優化排位，選取適合復合橫擔塔的經濟定位呼高、檔距，進而減少線路鐵塔數量和工程相關材料用量。通過計算分析可以得到以下主要結論。1）對于復合材料直線塔，可縮短橫擔長度和塔頭尺寸，從而減小導線荷載和塔頭風荷載作用，可降低塔重和基礎作用力，可降低塔重和基礎作用力，節省工程投資，具有顯著的經濟效益。2）相較于對應的傳統方案，220 kV單回路復合橫擔塔呼高可下降2 m左右，走廊寬度大幅減少53.4%，鋼材耗量減少31.88%;220 kV雙回路復合橫擔塔呼高可下降2 m左右，塔高降低13%，走廊寬度大幅減少39.71%。全線使用復合橫擔塔方案，可以降低工程總體造價，相較于傳統方案，經濟性優勢非常明顯。3）以30年計算，通過模型測算可以得出，采用復合橫擔可以大幅度減少因絕緣子清掃、RTV噴涂和防鳥設備安裝等相關運維費用支出。相對于傳統瓷、玻璃或復合絕緣子線路運維，可以大幅度減少線路巡視頻率和絕緣子相關檢測項目及周期。

綜合架空輸電線路一次性建設成本、運維成本和后期事故損失成本3個方面的經濟性對比，基于復合橫擔的架空輸電線路解決方案相較于傳統方案在電網建設全壽命周期內具有明顯的經濟優勢。

參考文獻

[1]中國電力企業聯合會.110 kV～750 kV架空輸電線路設計規范 GB 50545—2010[S].中國計劃出版社，2010：24-30.

[2]電力規劃設計總院.架空輸電線路桿塔結構設計技術規定 DL/T 5154—2012[S].北京：中國計劃出版社，2012：40-44.