特高压交流同塔双回输电线路经济档距及敏感性分析

刘利林，周魁，马凌，高选

(中南电力设计院，武汉市，430071)

0 引言

“十二五”期间，国家电网公司规划投资5 000亿元，将建设特高压输电线路4万km、变电(换流)容量4.3亿kVA，到2015年建成“三纵三横”特高压交流骨干网架和11回特高压直流输电工程，形成大规模“西电东送”、“北电南送”的能源配置格局［1］。为了节省输电走廊、提高线路走廊的输电功率，后续规划的特高压交流输电线路大多采用同塔双回输电技术［2］。对于特高压交流同塔双回输电线路，由于其杆塔高、杆塔重，杆塔费用所占工程总投资的比例增大，针对这一问题，本文将探讨其经济档距，这对于杆塔规划的优化和降低工程总投资具有重要意义。

1 理想平地条件下的经济档距计算

理想平地可视作线路工程的一种特殊情况，即全线路的高程相等，沿线任何一点均可以设立杆塔。在理想平地上排出塔位的杆塔塔高、档距、弧垂均相同，在某一塔高和档距时工程总费用最低。此种情况下的塔高和档距称为理想经济塔高和经济档距。

在理想平地情况下，杆塔高度计算公式为

式中:K为定位弧垂系数;L为档距，m;λ为绝缘子串长度，m;d为对地距离，m。

理想平地工程最低总费用［3-4］为

式中:Cmin为从线路起点到终点最低总费用;mi为在 i档距下线路的杆塔数量;Ci为在i档距下1基杆塔的塔材费用;Di为在 i档距下1基杆塔的绝缘子串费用;Ei为在 i档距下1基杆塔的基础费用;Fi为在 i档距下1基杆塔的其他费用。

通过式(2)可算出在理想平地条件下，不同档距时的工程总费用，通过比较工程总费用即可求出经济档距(经济塔高)。图1为按导线8×JL/G1A-630/45、对地距离为21 m、最大覆冰为10 mm、最大风速为27 m/s气象条件的特高压交流同塔双回线路，在不同档距条件下的档距与每km工程总费用的关系。

图1 档距与每km工程总费用关系Fig.1 Relationship between total cost per km and span

由图1中的曲线可以看出，在档距为598 m(对应塔高为61 m)时，每km工程总费用最低，因此可以确定特高压交流同塔双回输电线路工程在理想平地情况下的经济档距为598 m(对应的经济塔高为61 m)。

2 敏感性分析

2.1 气象条件的影响

工程的实际条件与理想平地存在较大的差异，因此理想平地条件下计算出的经济档距仅具有参考价值，研究实际工程的经济档距还需要考虑诸多因素的影响。下面就从气象条件、地形条件、导线型式、对地距离及铁塔材料等5个方面，针对特高压交流同塔双回路输电线路的经济档距作敏感性分析。

不同风速条件下档距与每km工程总费用关系曲线如图2所示，图中曲线0为理想平地条件下档距与每km工程总费用的关系曲线，曲线1为风速取30 m/s时的情形，其他条件与曲线0一致。由图2可以看出，曲线0与曲线1的结论一致，即:在档距为598 m(相应塔高为61 m)时每km工程总费用最低。由此可见，风速由27 m/s增至30 m/s时，经济档距的变化很小，基本一致。

图2 不同风速条件下档距与每km工程总费用关系曲线Fig.2 Relationship between total cost per km and span under different wind speeds

不同覆冰条件下档距与每km工程总费用关系曲线如图3所示，图3中曲线2、3为理想条件下(指沿线任何一点均可以设立杆塔，下同)风速为30 m/s、15 mm覆冰的山地区段每km工程总费用与档距的关系，对地距离、导线型式等与曲线0一致，但导线K值变化较大，取9.14e-5(代表档距按500 m)。当档距小于500 m时按双联Ⅰ串300 kN级绝缘子计算，档距大于500 m但小于580 m时按双联Ⅰ串420 kN级绝缘子计算，档距大于580 m时按双联Ⅰ串550 kN级绝缘子计算，其中曲线2按复合绝缘子考虑，曲线3按盘式绝缘子考虑。

由图3可以看出，曲线3的拐点(指总费用最低点，下同)受盘式绝缘子价格差异的影响较大，档距为507和587 m时绝缘子费用的增加使工程总费用陡然增加，因此拐点出现在档距为496 m时(相应塔高为56 m)。曲线2的拐点出现在549 m左右(相应塔高为61 m)，相比曲线0减小了许多，导线K值的明显增大是主要原因，因为K值若变大，则同等呼高的杆塔所能设置的档距会减小。

图3 不同覆冰条件下档距与每km工程总费用关系曲线Fig.3 Relationship between total cost per km and span under different ice coating thicknesses

综上所述，在理想条件下风速的变化对经济档距影响较小，而覆冰厚度的增加会导致经济档距减小。

2.2 地形条件变化后的影响

不同地形条件下档距与每km工程总费用关系曲线如图4所示，图4中曲线0为理想平地条件下档距与每km工程总费用的关系曲线，曲线1为风速为30 m/s、15 mm覆冰的山地区段每km工程总费用与档距的关系，其他条件与曲线0一致。

由图4可以看出，在曲线0与曲线1的情形下，每工程总费用相差不大，且随档距的增加其变化趋势大致相同。虽然在曲线1的情形下，单基铁塔估算质量比曲线0重约13.4%，但在山地条件下(曲线1)单基混凝土量及单基土方量较平地(曲线0)均有显著减小，因此就出现了曲线1的工程总费用比曲线0稍低的现象，但两者相差不大，且其变化趋势大致相同。

由此可得:在理想条件下，地形的变化对经济档距的影响较小。但实际上山区塔位受地形条件的影响很大，尤其对于特高压同塔双回输电线路，其杆塔重、根开大，在山地区段塔位选择较为困难，且在林区要考虑增大对地距离高跨树木的方案，因此山地区段能立塔的位置为一系列离散的点，这与理想平地条件下的情况有显著不同。所以山地区段输电线路的经济档距，应着重根据实际工程的排位情况进行统计分析与比较，理想条件下计算出的经济档距只能作为参考。

图4 不同地形条件下档距与每km工程总费用关系曲线Fig.4 Relationship between total cost per km and span under different terrain conditions

2.3 导线型式的影响

不同导线型式下档距与每km工程总费用［5］关系曲线如图5所示，图5中曲线0为理想平地条件下档距与每km工程总费用的关系曲线，曲线1为导线为8×720 mm2时(K值取7.80e-5)的情形，且在档距大于480 m、小于570 m时按双联Ⅰ串300 kN级复合绝缘子计算，档距大于570 m、小于620 m时按双联Ⅰ串420 kN级复合绝缘子计算，档距大于620 m时按双联Ⅰ串550 kN级复合绝缘子计算［6-7］，其他条件与曲线0一致。

由图5看出，曲线1由于导线截面由8×630 mm2变为8×720 mm2，荷载的增加导致铁塔、基础及土方量均大幅增加，从而工程总费用相比于曲线0有较大的增加。同时曲线1的拐点所对应的档距比曲线0的要小，其主要原因是由于荷载的增加，使得在一定的档距情况下(如档距大于570 m时)绝缘子强度等级就要由双联300 kN级增至双联420 kN级，于是绝缘子费用的陡然增加导致了拐点较曲线0提前到来。

图5 不同导线型式下档距与每km工程总费用关系曲线Fig.5 Relationship between total cost per km and span under different conductor types

2.4 对地距离的影响

对于某些特殊地段如集中林区、自然保护区等，由于环境保护的要求，需采取高跨林木或提高对地距离改善电磁环境指标，因此，探讨对地距离的增加对经济档距的影响很有意义。

不同对地距离下档距与每km工程总费用关系曲线如图6所示，图6中曲线0为理想平地条件下档距与每km工程总费用的关系曲线(对地距离为21 m)。曲线1、2为与曲线0同等条件下，对地距离分别为24、27 m时［8］，档距与每km工程总费用的关系曲线。

由图6可以看出，随着对地距离的增加，经济档距相应减小。由式(1)可得

由式(3)可知:相同塔高(假定其塔重也相等)时，对地距离d取值越大，相应的档距L值会变小，这与图6的结论是一致的。

图6 不同对地距离下档距与每km工程总费用关系曲线Fig.6 Relationship between total cost per km and span under different ground clearances

2.5 塔材的影响

图1中的曲线是按全部铁塔塔材为普通钢管(1.1万元/t)考虑。部分杆塔塔材采用大角钢、部分采用普通钢管时，档距与每km工程总费用的关系如图7所示。图7中曲线0为图1中的曲线，曲线1为档距小于630 m时塔材采用大角钢、档距大于630 m时采用普通钢管、其他条件与曲线0均相同时的情形，其中角钢按0.75万元/t计算。

图7 塔材不同时档距与每km工程总费用关系曲线Fig.7 Relationship between total cost per km and span under different tower materials

由图7可以看出，对于曲线1，档距为598 m(对应的塔高为61 m)时，每km工程总费用最低，这与曲线0的结论一致。但同时可以看到，在档距为640 m时，工程总费用发生了跃变，这是因为在档距大于630 m时塔材由角钢换成了普通钢管，因此使得工程总费用陡然增加。由此可得，若在曲线的拐点(档距为598 m时)之前，比如档距大于587 m时塔材采用普通钢管、档距不超过587 m时采用大角钢，则曲线拐点就在档距为587 m时出现，相应的经济档距为587 m(对应的塔高为60 m)。

从上面的分析中可得到如下启示:若实际工程中推荐主力型直线塔塔材采用大角钢、其余直线塔采用钢管，则在作杆塔规划时，应保证主力型直线塔在呼称高为63 m(3 m一级)时，其规划的水平档距能包络住理想条件下的经济档距。

3 不同电压等级交流输电线路经济档距的比较

表1中列出了在理想平地条件下，不同电压等级交流输电线路的经济档距的参考值范围［9-10］。

由表1可看见，随着电压等级的增高，经济档距也相应增加。这是因为一般情况下，随着交流输电线路电压等级的增高，导线截面、对地距离、单基铁塔重量、绝缘子吨位等也相应增大，从而导致经济档距亦随之增大。

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4 结论

(1)在理想平地条件下，交流输电线路的经济档距随着电压等级的增高而增大。通过计算与分析，特高压交流同塔双回路输电线路在理想平地条件下的经济档距为598 m，对应的经济塔高为61 m。

(2)通过对经济档距的敏感性分析，得到实际工程的经济档距与工程的诸多具体条件有关，比如:电压等级、气象条件、地形条件、导线型式、对地距离、金具绝缘子型式、杆塔型式及铁塔材料等。

(3)山地区段的经济档距，在理想条件下与平丘段的基本一致，但对于实际工程，应着重根据具体工程的排位情况进行统计分析与比较，其理想条件下计算出的经济档距只能作为参考。

(4)无论是平丘段还是山地段，对于特高压交流同塔双回输电线路工程，尤其应注意:在杆塔规划时，应使规划的主力型直线塔的水平档距包络住理想条件下的经济档距;在工程选线与终勘定位时，应尽量放开档距，向理想条件下的经济档距靠拢，从而达到节省投资、降低工程总费用的效用。

［1］张文亮，吴维宁，胡毅.特高压输电技术的研究与我国电网的发展［J］. 高电压技术，2003，29(9):16-18.

［2］黄爱华，黄伟中.特高压交流输电线路采用同塔双回路技术研讨［J］. 华东电力，2009，37(4):568-573.

［3］李永双，廖宗高，肖洪伟，等.直流UHV线路杆塔规划及经济档距的确定［J］. 高电压技术，2008，34(6):1121-1125.

［4］李永双，张国良.交流特高压线路杆塔规划及经济档距研究［J］.电力建设，2007，28(4):7-10.

［5］陈媛，江卫华，赵全江，等.双回交流线路采用2分裂大截面导线的方案［J］. 电力建设，2010，31(5):30-34.

［6］Q/DG 1-A010—2008 1 000 kV交流架空输电线路设计技术导则［S］.北京:中国电力工程顾问集团公司，2008.

［7］GB/Z24842—2009 1 000 kV特高压交流输变电工程过电压和绝缘配合［S］.北京，中国标准出版社，2009.

［8］牛林，杜至刚，赵建国.1 000 kV级交流特高压输电线路导线最小对地距离研究［J］.电力自动化设备，2008，28(1):17-22.

［9］贾玉琢，王瑜，姜凤龙.220 kV直线钢管塔经济呼称高的研究［J］.钢结构，2008，23(1):18-20.

［10］谭晓，明安持.500 kV线路高塔使用情况分析与研究［J］.中国电力，2003，36(1):60-62.