福建省內110 kV 輸電線路工程低碳設計探討

李宏進 陳旭林 林原辰 陳俊

（中國電建集團福建省電力勘測設計院有限公司 福建福州 350003）

0 引言

為實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”的目標，節(jié)約資源、保護環(huán)境、減少排放，全面推進福建省輸變電工程低碳設計，國網福建省電力有限公司組織開展了2021 年福建省內輸變電工程設計競賽。福建院參加了線路部分的競賽，通過對國內新技術、新工藝、新設備的對比分析，從路徑選擇、導地線選型、絕緣配合及防雷接地、桿塔設計、基礎設計、電纜優(yōu)化設計、環(huán)水保設計、全過程機械化施工技術、新型電力系統(tǒng)下智慧輸電線路、三維數(shù)字化設計等方面進行亮點設計。本文通過對部分設計亮點的重點論述，結合依托工程及福建省內工程實際情況，探討符合福建省特色的低碳節(jié)能設計新技術。

1 依托工程概況

本工程依托福建泉州晉江官橋～加工區(qū)π 入后坑變、官橋～后坑π 入紫帽變110 kV 線路工程。線路采用單回路架空、雙回路架空和雙回路電纜混合架設，其中110 kV 紫帽進線段、官加線改接段采用單回路架空架設，長度為0.5 km；紫帽變至進區(qū)大道南采用同塔雙回路架空架設，長度為4.9 km；進區(qū)大道南至后坑變采用雙回路電纜溝敷設，長度為3.3 km［1］。

線路建設地點為泉州市晉江市、南安市，沿線海拔高程在0 m～100 m，沿線地形比例為平地51%、丘陵49%。沿線可利用的道路主要有324 國道、鄉(xiāng)村公路等，全線交通條件較好，如圖1 所示。

圖1 工程現(xiàn)狀

本依托工程有2 個特點：線路航空線范圍內障礙物密集，如何合理規(guī)劃線路走向，工程造價最經濟；線路位于福建沿海屬于大風速區(qū)，如何采用新技術提高線路的抗風能力，保證運行安全。根據(jù)依托工程實際情況，本文將從架空線路電氣、結構，電纜設計等方面進行低碳設計探討。

2 架空線路電氣部分

架空線路電氣低碳設計涵蓋了路徑選擇及優(yōu)化、導地線選型、絕緣子設計、防雷與接地等內容，主要從路徑選擇和導線選擇2 個方面進行低碳設計的探討。

2.1 路徑選擇及優(yōu)化

線路航空線附近有密集的居民區(qū)、規(guī)劃工業(yè)用地、城區(qū)大道等障礙物，本工程利用無人機攝影測量技術對區(qū)域內進行了數(shù)據(jù)采集，利用自主研發(fā)的CAD/GIS 數(shù)字平臺進行數(shù)據(jù)處理，同時導入到數(shù)字化設計平臺進行多方案對比選線。合理地利用對舊線路的開斷位置，與已建的官加線并行，優(yōu)化線路間距，節(jié)約線路走廊寬度，如圖2 所示；結合當?shù)貐^(qū)域的規(guī)劃，利用城市道路綠化帶走線，減少占用城市土地資源；避讓基本農田，采用電纜敷設方案從基本農田的空隙中穿行。利用數(shù)字化技術可以搭建復原精確的工程模型，實現(xiàn)可視化設計，也將會不斷提升線路設計的精細化程度，實現(xiàn)各專業(yè)信息共享，如圖3 所示。

圖2 推薦方案與已建的官加線并行

圖3 通道原景搭建

2.2 導線選擇

依托工程位于福建沿海地區(qū)屬于大風速區(qū)，基本設計風速為33 m/s，提高線路的抗風能力是本工程的設計重點，主要從導線部分進行優(yōu)化選擇。對導線進行了輸送容量、電阻損耗、經濟性、工程費用等方面進行全壽命周期專題對比分析，低風壓鋁合金芯高導電率鋁絞線JL3X/LHA1（DFY）-135/140 是最優(yōu)的選擇。對導線廠家進行了國內新型導線的調研，國內廠家具備生產低風壓鋁合金芯高導電率鋁絞線能力，導線的外側設計為特殊凹槽構造，表面形成一定的粗糙度，從而降低導線的體型系數(shù)；導線的導電層采用特殊型線結構，可以減小導線的外徑；導線體型系數(shù)和外徑的減小可降低其受到的風荷載影響，能有效地減小耗鋼［2］。低風壓鋁合金芯高導電率鋁絞線也是節(jié)能導線，可有效地減少電能損耗，符合低碳設計理念。在福建沿海地區(qū)大力推廣低風壓節(jié)能導線的應用，對新型導線的推廣應用具有里程碑的意義，目前在福建莆田已有1 條110 kV 的線路工程試點應用，后續(xù)隨著技術和工藝的進步更多的新型節(jié)能導線應用到線路工程中。

通過對CAD/GIS 數(shù)字平臺的應用實現(xiàn)路徑多方案對比優(yōu)化、對低風壓節(jié)能導線的選型比較等內容闡述，從架空線路電氣專業(yè)角度實現(xiàn)低碳設計。

3 架空線路結構部分

根據(jù)依托工程的實際情況，架空線路結構部分進行了桿塔專項設計、基礎專項設計，從這2 個方面進行低碳設計的探討。

3.1 桿塔專項設計

參照以往國網設計競賽的經驗，根據(jù)工程實際排桿情況進行桿塔規(guī)劃設計，高強鋼選用、耐候鋼試點應用，風帆型、雁翅型景觀塔特殊設計等前沿的技術都會被提及。本次主要探討復合材料橫擔及5G 共享鐵塔。

本工程推薦方案一部分在進區(qū)大道路邊綠化帶走線。泉州晉江地區(qū)經濟相對發(fā)達，土地資源寶貴，如何減少塔基占地、減小線路的走廊寬度是本工程重點考慮的問題。常規(guī)的角鋼塔跟開大已經不適合本工程，對鋼管桿和窄基鋼管塔的方案進行了對比分析，雖鋼管桿單公里造價略高于窄基鋼管塔，但是鋼管桿的基礎范圍小于窄基鋼管塔的基礎范圍，更符合工程現(xiàn)狀，綜合考慮，仍建議采用鋼管桿。同時基于設計院自有專利技術“一種220 kV 鋼管桿復合材料橫擔”進行110 kV鋼管桿的深化設計，設計成“一拉兩壓”式復合橫擔，可有效縮短橫擔長度、降低塔高、減少走廊寬度。國內復合材料橫擔在不同地區(qū)、各種電壓等級都有試點應用，特別是在1 000 kV 及800 kV 特高壓工程中有應用，應用情況良好。目前福建省內主網復合材料橫擔暫時沒有應用，可通過設計競賽試點應用，積累設計、施工、運維等相關經驗，為后續(xù)省內的推廣應用提供借鑒。

5G 共享鐵塔也是近幾年的熱點，通過鐵塔資源的共享，實現(xiàn)電力鐵塔功能的延伸，從而節(jié)約土地、鋼材等資源，實現(xiàn)利益的最大化。共享鐵塔將融合電力和通信，發(fā)揮出“1+1>2”的作用，加快5G 技術的發(fā)展及推廣［3］。同時共享鐵塔可有效降低重復建設造成的新增成本，實現(xiàn)低碳可持續(xù)發(fā)展。

3.2 基礎專項設計

根據(jù)依托工程的地質、地下水情況，適合的基礎型式平地段主要是灌注樁基礎和板式基礎，山丘段主要是挖孔基礎和掏挖基礎。上述基礎型式應用比較成熟，但是隨著更加重視施工安全、普及機械化施工、水保同步驗收，需要對原有的基礎型式進行升級改造，提出適合低碳環(huán)保的新型基礎型式。

目前平地段新型基礎主要是螺旋錨基礎，國內多家單位在進行試點應用。山地段的新型基礎主要是微型樁基礎，微型樁基礎的計算原理、試驗效果等相關內容需要等試點應用情況統(tǒng)一驗證，福建省內微型樁基礎在福廈特高壓工程進行試點應用。山地段另外一種值得推廣應用的基礎型式為巖石錨桿基礎，也是本次設計競賽的專題要求，開展適用于福建省內的巖石錨桿基礎設計應用研究。

國內多家電力設計院根據(jù)省內地質情況開展了巖石錨桿基礎的試驗與理論計算模型的研究，從不同的地質形式、上拔承載力機理、破壞模型等方面進行了研究，積累了諸多研究成果，在福建省內可以借鑒應用。

福建省山地面積約占全省陸地面積的75%，上層為土層、下部為巖石的地質情況在省內普遍常見。在上層為土層（厚度約為2.5 m～4.0 m），下部為巖層（包括微風化、中風化的各類巖石）的地質條件非常適用巖石錨桿基礎。設計院結構人員從2014 年開始就開展巖石錨桿基礎的技術研究，并在省內工程進行試點應用，可減小土方開挖，減少混凝土方量，減小對塔位周邊環(huán)境的破壞，試點應用工程效果顯著。但是近幾年試點應用的成果很難在省內工程大力推廣，主要原因在于選擇的巖石錨桿塔位數(shù)量少且非連續(xù)性，施工單位機械進場麻煩，最后都被挖孔基礎替代。為提高輸電線路的機械化施工率，減少土方開挖，保護自然環(huán)境，白浙直流特高壓工程對巖石錨桿基礎的設計原則進行了重新梳理，調整了適用坡度及巖性的要求，省內福廈特高壓工程基礎也參照該原則進行設計，后續(xù)省內工程可參照白浙線、福廈特高壓工程的設計、施工、運行情況進行借鑒。巖石錨桿基礎適用條件合理放寬，經過大力的推廣應用，也將成為常規(guī)基礎。

通過對桿塔、基礎2 方面的闡述，結合目前依托工程及福建省實際情況，適合的新技術可在試點工程中進行應用，不斷應用、總結，整個行業(yè)才會進步，才能實現(xiàn)低碳設計。

4 電纜部分

主要從電纜優(yōu)化設計進行探討，設計亮點包括大長度電纜、新型電纜橋架方案、預制電纜溝/排管技術、電纜工井鋼模板與頂板兩合一技術、電纜三維數(shù)字化設計等內容，本文主要介紹大長度電纜及電纜三維數(shù)字化設計。

4.1 大長度電纜

本工程電纜部分長度為3.3 km，目前常規(guī)方案是按500 m左右進行分段敷設，中間通過接頭來實現(xiàn)電纜的連續(xù)。接頭主要為絕緣接頭和接頭防火防爆盒，單個接頭的造價約為4 萬元。本工程設計需約42 個接頭，電纜接頭數(shù)量的增加加大了線路的投資，同時也增加了電纜線路的運維難度，供電系統(tǒng)的故障率也相應提高。結合現(xiàn)有工程應用情況及國內電纜生產情況提出大長度電纜應用方案。大長度電纜可以取消或者減少中間接頭，經過測算可以減少接頭數(shù)量18 個。國內電纜廠家對大長度電纜也進行了相應的研發(fā)，試點工程中也有應用，生產成本和運輸成本會高于普通的電纜長度，但是敷設安裝施工周期、線路造價成本、運營維護、線路可靠性等方面，大長度電纜都會優(yōu)于普通電纜長度。目前福建省內沒有工程應用，可以在該依托工程進行試點應用，通過大長度電纜的應用可有效地減少電纜附件使用，減少故障點，提高線路安全可靠性，減少電纜線路的運維工作量，從而推廣應用到其他電纜工程［4］。

4.2 電纜三維數(shù)字化設計

相較于架空線路的三維數(shù)字化設計快速發(fā)展，國內電纜三維數(shù)字化設計進展相對緩慢，目前國內市場上主流的電纜三維軟件為博超和道亨2 家。電纜三維數(shù)字化設計的重點在于電纜通道場景的還原，平臺能夠自動解析地下管線數(shù)據(jù)的圖形和屬性信息，特別是解析與線路平行的地下管線，同時能夠進行標識，方便設計人員進行判斷。目前勘測專業(yè)通過自主研發(fā)CAD/GIS 數(shù)字平臺進行數(shù)據(jù)處理，將各類管線數(shù)據(jù)轉化輸出DXF 格式的測繪圖，電纜三維平臺讀取測繪圖，實現(xiàn)通道的還原，設計人員在數(shù)字化平臺進行電纜路徑的選擇，隨時校驗與現(xiàn)有管道的安全距離，規(guī)避障礙物，電纜三維可視化操作進一步提升了設計速度和質量。

5 結語

本文依托省內設計競賽工程進行低碳設計探討，同時結合福建省沿海大風速區(qū)、多山地等實際情況，主要探討了低風壓節(jié)能導線、復合材料橫擔、巖石錨桿基礎等相關技術，節(jié)約塔材、減少走廊寬度、減少土方開挖、減少混凝土量等優(yōu)點，實現(xiàn)省內線路工程低碳設計。