辽南电网冰厚调整对500 kV线路投资的影响分析

杨振国，高培国，韩 彬，从培元，姜然凇

(1.中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司，吉林 长春 130021；2.国网辽宁省电力有限公司，辽宁 沈阳 110004)

继2008年南方电网冰灾之后，2015年11月7日，我国辽宁南部(以下简称“辽南”)地区的营口及大连一带也发生了重覆冰灾害，大连市瓦房店局部地区高压输电线路导线覆冰厚度达到30～40 mm(折算标准冰厚)，造成多条线路跳闸、塔身局部区段受损以及停运。比照2012年版辽宁电网冰区分布图可以看出，该覆冰厚度重现期不低于100年。鉴于此，国网辽宁省电力有限公司于2017年对冰区分布图进行了重新修订，将辽南地区局部区域覆冰厚度进行了适当提高，其中影响500 kV线路设计的50 a一遇重现期冰区分布图由原10 mm覆冰提高至15～20 mm。

覆冰厚度的提高将直接导致后续高压输电线路的整体投资增加，主要体现在塔材用量及基础混凝土用量两个方面。据此，本文着重针对本次覆冰厚度调整对500 kV输电线路本体投资的影响进行分析，为后续工程设计覆冰厚度的选取决策提供参照依据。

1 辽南地区500 kV线路概况

截至2017年末，辽南地区500 kV主网架情况见图1。

图1 辽南地区500 kV网架连接示意图

从图1中可以看出，辽南地区本次覆冰厚度调整涉及500 kV网架大体范围为：西起营口市营口电厂、瓦房店市红沿河核电站；东至庄河市庄河电厂及500 kV黄海变；北至营口市500 kV渤海变；南至大连市500 kV雁水变。该范围基本覆盖了西侧临海的2/3面积营口地区以及瓦房店、庄河以南的整个大连地区，共涉及500 kV变电站7座，分别为：渤海变、南海变、瓦房店变、黄海变、金家变、南关岭变及雁水变。该区域内涉及现有主要500 kV线路情况见表1，线路地形情况见图2。

从表1可以看出，辽南地区主要500 kV线路除1988年投运的少数500 kV线路有部分采用4×300 mm2截面导线外，近年的线路截面均以4×400 mm2及4×630 mm2为主，这与国家电网公司500 kV典型设计杆塔模块采用的导线形式是相同的，因此本文以4×400 mm2及4×630 mm2单双回路塔型作为分析依据。据此，本文选择《国家电网公司输变电工程通用设计(2011年版)110(66)～500 kV输电线路分册》[1]中相应不同气象区单双回路500 kV杆塔模块进行相应工程量计算对比，见表2。

图2 线路地形分布情况概况图

表1 辽南主要500 kV线路概况

表2 500 kV线路杆塔模块选择

辽南地区500 kV线路设计基本风速有三种：28.6 m/s、30.5 m/s及32.5 m/s。结合各工程设计情况以及辽宁电网风区图(50年一遇，2013版)可以看出，大连瓦房店红沿河核电站、大连220 kV普兰店变电站、大连金州220 kV马场变大体连线以西的临海大连地区位于30.5 m/s、32.5 m/s风速区，其余大连地区及营口地区位于28.6 m/s风速区。事实上，不同导线覆冰厚度对塔重及基础混凝土量的影响与27 m/s风区规律是一样的，因此，为简化分析的边界条件，本文将铁塔的设计风速统一按27 m/s考虑。

此外，经计算，表1中各线路所有杆塔总数为2 694基，其中直线塔总数为2 072基，耐张塔总数为622基，平均耐张塔占比为23%，直线塔占比为77%。当然不难计算，每个工程的转角塔比例从11.9%～42.6%均有所区别，但为了反映整个区域的情况本文列出了迄今所有线路的塔数信息，不剔除其中个别少数转角比例偏高或偏低的线路。该地域经济相对发达，障碍物设施较多，转角比例偏高。同时特殊指出，根据图2可以看出辽南地区地形以平地及低山丘陵为主，线路本体投资受地形影响相对较小。

2 覆冰厚度调整对塔重的影响分析

根据表2所选各相应500 kV单双回路杆塔模块对各型杆塔进行塔重对比分析，见表3。

由表3可知，除5E7/5E1直线塔塔重比较结果较为异常外，其他模块各塔型的比较均在合理范围内。主要原因为5E7直线塔导线采用6相V串的悬挂方式，而5E1则采用6相I串的悬挂方式，由于悬挂方式的不同，V串塔较I串塔层间距增加约8%，横担长度长36%，铁塔挡风面积增加了20%左右，最终导致了双回路V串塔较I串塔重。经进一步计算分析，双回路V串直线塔较I串塔塔重平均增加18%，如果将这部分影响考虑进去，即：将5E1、5E7直线塔均按I串悬挂方式进行塔重比较，则5E7/5E1塔重平均增加32.45%－18%=14.45%，与其他模块的比较规律基本一致。

综上所述，导线覆冰由10 mm增加到15 mm，其他边界条件相同，直线塔塔重平均增加(13.25%+15.15%+ 15.25%+14.45%)/4=14.5%，耐张塔塔重平均增加(12.15%+ 8.85%+9.85%+ 10.50%)/4=10.3%。此外，从表3还可以看出，单双回路平均塔重的增幅是基本相当的。

表3 典型铁塔重量的对比

3 覆冰厚度调整对基础混凝土量的影响分析

当铁塔设计的导线覆冰由10 mm变为15 mm，其他边界条件不变的情况下，铁塔的挡风面积、重量会在一定程度上增加，又因铁塔的基础作用力控制工况为大风工况，理论上，在基础根开不变的情况下，下压力会有所增加，而上拔力则可能会减小(因塔重增加)。但由于导线覆冰厚度变化很小，塔重及挡风面积的增加对作用力的影响不大，此覆冰厚度对基础作用力的影响很有限，本文摘取文献中典型的2型直线塔和耐张塔进行了基础作用力的比较，详细情况见表4，对比的基本情况与上面的分析基本吻合。

由表4比较结果可知，导线覆冰厚度由10 mm变为15 mm时，直线塔的上拔力平均增加1.0%，下压力平均增加2.9%；耐张塔的上拔力平均增加5.4%，下压力平均增加10.7%。按照上述作用力变化测算，直线塔基础混凝土增加范围在1.0%～2.9%左右，平均增加1.95%；耐张塔混凝土增加范围在5.4%～10.7%，平均增加8.1%。

表4 铁塔基础作用力的对比

4 覆冰厚度调整对线路投资的影响

计算覆冰厚度调整对线路投资的影响程度，需要分别得到塔重以及混凝土量对线路本体投资影响所占的比重，为此对近年辽南区域几条典型500 kV线路工程本体投资进行了归纳，具体情况见表5。

表5 辽南典型500 kV线路安装工程费

从表5中近年辽南地区4条典型500 kV线路的安装工程费情况可以看出，混凝土工程(含安装)投资占比约为14.9%，杆塔工程(含安装)投资占比约为47.7%。

由此，当500 kV线路设计冰厚由10 mm增加至15 mm时，根据前文辽南地区线路直线塔、耐张塔比例以及直线塔、耐张塔塔重及混凝土量增加比例情况，可以计算出对工程本体投资的影响比例如下：

对于20 mm冰区，在文献中没有相应典型杆塔模块数据供详细技术比较分析，在我国东北地区也未有采用过该覆冰厚度的重冰区条件设计的线路，缺少可参考的实际工程数据。20 mm重冰区较常规10 mm轻冰区线路的杆塔塔头尺寸、垂直荷载以及不平衡张力均增加较大，导致杆塔重量及基础混凝土量随之大幅上升。同时，受重覆冰导线弧垂特性影响，重冰区线路杆塔平均档距更小(平均300 m左右)，且耐张段长度更短，不超过3 km，因此，重冰区杆塔数量及耐张塔比例也较常规轻冰区线路增加显著。

由于影响线路本体投资的各项主要影响指标均变化较显著，从具体技术角度分析20 mm冰区线路投资增加幅度是较为复杂的。从《电网工程限额设计控制指标(2008年水平)》中可以查得，10 mm及20 mm冰区4×400 mm2单回500 kV线路山地地形主要技术指标见表6。

表6 500 kV单回线路主要技术指标

根据表6可以计算得到，20 mm冰区塔材单公里指标为10 mm冰区的2.38倍，混凝土单公里指标为1.48倍。耐张塔比例的提高是由于重冰区耐张段长度降低引起的，辽南地区500 kV线路如采用20 mm重冰区设计，也会由于耐张段长度的特殊要求而相应增加耐张塔比例。重冰区塔材及混凝土量上升幅度较大，因此，该两项投资在本体投资中所占比例均较10 mm冰区线路工程有明显提高。通过我国西南地区有关20 mm重冰区线路工程本体投资情况统计，混凝土工程(含安装)投资占比约为20%，杆塔工程(含安装)投资占比约为55%。据此推算，辽南地区采用20 mm重冰区设计时本体投资较10 mm冰区增加倍数约：

不难算出，表6中本体投资20 mm冰区增加倍数为168%，与上述计算结果基本相当，因此，平均增加比约为65%。

5 结语

辽南地区电网本次50年一遇设计覆冰厚度调整区域近年新建的单双回路500 kV线路导线型式为4×400 mm2及4×630 mm2。辽南地区500 kV线路平均耐张塔比例约为23%；直线塔比例约为77%。500 kV线路线路设计覆冰厚度由10 mm增加到15 mm时，直线塔塔重平均增加约14.5%；耐张塔塔重平均增加约10.3%。500 kV线路设计覆冰厚度由10 mm增加到15 mm时，直线塔基础混凝土用量平均增加约1.95%；耐张塔混凝土用量平均增加约8.1%。

整体来看，辽南地区500 kV线路地形以平地及低山丘陵为主，线路本体投资受该两种地形影响相对较小。辽南地区线路设计覆冰厚度由10 mm增加到15 mm时，500 kV线路单双回路综合本体投资将平均增加约7%；辽南地区线路设计覆冰厚度由10 mm增加到20 mm时，500 kV线路单双回路综合本体投资将平均增加约65%。

特别指出，本文仅对覆冰厚度由10 mm调整到15 mm时投资的普遍增加情况进行了详细的技术经济计算及论述，受篇幅所限对于增加至20 mm的情况仅进行大体量级的参照比对介绍。事实上，建国以来不仅辽南地区，整个东北地区的500 kV线路也未有过采用20 mm重覆冰设计的线路，对本次调整冰区图中20 mm的区域整体抬高至此厚度设计标准，笔者认为是没有必要的，相应增加杆塔稀有覆冰验算工况时适当提高抗冰强度即可，对本体投资影响可以接受。

参考文献:

[1] 刘振亚．国家电网公司输变电工程通用设计(2011年版)110(66)～500 kV输电线路分册[M]．北京：中国电力出版社，2011．

[2] DL/T 5440－2009．重覆冰架空输电线路设计技术规程[S]．

[3] GB 50545－2010．110 kV～750 kV架空输电线路设计规范[S]．

[4] 陈立新．电网工程限额设计控制指标(2008年水平) [M]．北京：中国电力出版社，2009．