特高壓直流輸電線路與金屬回線共塔經(jīng)濟(jì)性研究

肖明杰，劉文勛，吳高波，張瑚，柏曉路

（中國電力工程顧問集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖北武漢 430071）

0 引言

針對(duì)特高壓直流輸電工程中接地極極址和接地極線路路徑選擇困難的問題，考慮采用金屬回線代替大地回線，且金屬回線與極導(dǎo)線同塔架設(shè)。既可避免單極大地返回運(yùn)行帶來的變壓器直流偏磁、電腐蝕以及環(huán)境影響等問題，又可充分利用已有的線路走廊和鐵塔，節(jié)約土地占用和工程投資[1-5]。一般來講，輸電線路工程的桿塔投資約占線路本體投資的40%，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，走廊清理在線路建設(shè)中占據(jù)越來越重要的地位。極導(dǎo)線與金屬回線同塔架設(shè)對(duì)桿塔塔重和走廊清理費(fèi)用均會(huì)產(chǎn)生較大影響，因此，針對(duì)極導(dǎo)線與金屬回線共塔布置的新塔型，有必要研究不同桿塔型式的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。本文以±800 kV直流輸電系統(tǒng)為例，針對(duì)極導(dǎo)線與金屬回線同塔架設(shè)的四種桿塔型式，從鐵塔和走廊費(fèi)用兩方面進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析，給出桿塔型式選擇的建議。

1 典型桿塔型式

直流線路和金屬回線同塔架設(shè)時(shí)，根據(jù)金屬回線、導(dǎo)地線的不同布置方式主要考慮以下布置方案：（1）金屬回線位于極導(dǎo)線下方，極導(dǎo)線上方布置兩根地線；（2）金屬回線位于極導(dǎo)線上方，金屬回線上方布置兩根地線；（3）金屬回線布置在極導(dǎo)線上方且取消地線。

對(duì)于第三種取消地線的布置方式，由于存在金屬回線絕緣配合、安全系數(shù)取值等一系列問題、且國內(nèi)尚無運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，暫不對(duì)其進(jìn)行深入探討。本文研究的4種塔型桿塔一覽表如圖1-圖4所示。

圖1 塔型一桿塔

圖2 塔型二桿塔

圖3 塔型三桿塔

圖4 塔型四桿塔

塔型一利用了直流線和金屬回線對(duì)地距離的差值，差值越大，增加的塔高越小，該塔型提高了極導(dǎo)線掛點(diǎn)和對(duì)地距離，減小了地面場強(qiáng)。

塔型二和塔型三利用了極導(dǎo)線與金屬回線懸垂串的長度差值，差值越大，增加的塔高越小，該塔型的桿塔負(fù)荷重心偏低，荷載分布合理，但由于金屬回線位于極導(dǎo)線上方，使得金屬回線的檢修工作要求更高，作業(yè)方式和作業(yè)時(shí)間也受到更嚴(yán)格的限制。

塔型四類似于交流線路酒杯塔，可不明顯增加塔高，但橫擔(dān)長度和輸電走廊顯著增加，勢(shì)必增加輸電走廊清理方面的費(fèi)用和工作量。

相比于常規(guī)直流輸電工程，直流線路和金屬回線同塔架設(shè)時(shí)可取消接地極和接地極線路，但4種新塔型的桿塔塔重指標(biāo)和走廊清理費(fèi)用會(huì)增加。

2 考慮交叉跨越時(shí)的鐵塔費(fèi)用

相同呼高條件下，塔型一塔高最低，塔重最輕；塔型二和塔型三的塔重居中且接近；塔型四由于橫擔(dān)長度明顯增加，塔重最重。考慮不同類型的交叉跨越物時(shí)，4種塔型的呼高不同，塔重關(guān)系有所變化。本文考慮非居民區(qū)、樹木、公路和電力線等4種交叉跨越類型。計(jì)算時(shí)，樹高取15 m，電力線高度取30 m，導(dǎo)線絕緣子V串垂直投影距離取9.5 m，金屬回線I型絕緣子串取3 m。金屬回線對(duì)地及交叉跨越最小垂直距離取值如表1所示。

表1 對(duì)地及交叉跨越最小垂直距離取值

對(duì)于塔型一，由于金屬回線布置在極導(dǎo)線下方，且極導(dǎo)線的跨越距離要求值與絕緣子串長投影差值大于金屬回線的跨越距離要求值與絕緣子串長投影差值，故桿塔呼高需要增加；對(duì)于塔型二至塔型四，由于金屬回線布置在極導(dǎo)線上方或同層布置，線路對(duì)地及交叉跨越距離仍主要由極導(dǎo)線決定，桿塔呼高不需要增加。

代表檔距和水平檔距均取500 m時(shí)，4種塔型對(duì)應(yīng)的呼高及塔重對(duì)比如表2和圖5所示。鋼材按照7500元/t考慮時(shí)，4種塔型的鐵塔費(fèi)用對(duì)比如圖6所示。

圖6 4種塔型的鐵塔費(fèi)用對(duì)比

表2 4種塔型的塔重對(duì)比

圖5 4種塔型的塔重對(duì)比

由圖5和圖6可見：

1）在不同交叉跨越類型下，塔型四的塔重均最重，塔型二和塔型三塔重接近；途徑非居民區(qū)、跨越公路時(shí)，塔型一的塔重較輕，塔型二和塔型三次之；跨越林區(qū)時(shí)，塔型三的塔重較輕，塔型一和塔型二次之，但相差不大；跨越電力線時(shí)，塔型二和塔型三較輕，塔型一次之。

2）總體來看，塔型一僅在交叉跨越距離要求較高，塔高增加較多時(shí)，塔材指標(biāo)較高。在大部分情況下，其塔材指標(biāo)優(yōu)于或與塔型二、三相當(dāng)；塔型四的塔材指標(biāo)相對(duì)較高。

3 同塔架設(shè)線路走廊清理費(fèi)用

同塔線路的走廊寬度主要考慮強(qiáng)拆線和電磁環(huán)境要求兩種情況。

3.1 強(qiáng)拆線要求的走廊寬度

根據(jù)參考文獻(xiàn)[6]中要求：在無風(fēng)時(shí)，±800 kV直流線路邊導(dǎo)線與建筑物之間的最小水平距離為7 m。強(qiáng)拆線要求的4種塔型最小走廊寬度如表3所示。

表3 強(qiáng)拆線控制的走廊寬度

3.2 電磁環(huán)境要求的走廊寬度

根據(jù)參考文獻(xiàn)[6]中要求：當(dāng)線路鄰近民房時(shí)，在濕導(dǎo)線情況下房屋所在地面的未畸變合成電場不得超過15 kV/m。考慮滿足最小對(duì)地距離的條件，計(jì)算塔型一至塔型四的地面場強(qiáng)分布，分別如圖7至圖10所示。

圖7 塔型一的地面場強(qiáng)分布

圖8 塔型二的地面場強(qiáng)分布

圖9 塔型三的地面場強(qiáng)分布

分析圖7—圖10可知，由地面場強(qiáng)控制的走廊寬度如表4所示。

圖10 塔型四的地面場強(qiáng)分布

表4 電磁環(huán)境控制的走廊寬度

3.3 走廊清理費(fèi)用

電磁環(huán)境要求的走廊寬度比強(qiáng)拆寬度要求的走廊寬度要寬，故按電磁環(huán)境要求的走廊寬度來計(jì)算走廊清理費(fèi)用。房屋拆遷面積按每公里40 m寬走廊拆遷300 m2考慮，房屋拆遷單價(jià)按800元/m2考慮，4種塔型的走廊清理費(fèi)用對(duì)比如表5所示。

表5 不同塔型的走廊清理費(fèi)用對(duì)比

由表5可見，塔型一的拆遷面積最小，走廊清理費(fèi)用較低；塔型二和塔型三的拆遷面積相當(dāng)，走廊清理費(fèi)用居中；塔型四的拆遷面積最大，走廊清理費(fèi)用較高。

4 結(jié)論

針對(duì)極導(dǎo)線與金屬回線同塔架設(shè)的4種桿塔型式，從鐵塔和走廊費(fèi)用兩方面進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析，給出桿塔型式選擇的建議。主要結(jié)論如下：

1）對(duì)直流輸電系統(tǒng)，采用金屬回線來代替大地回線且金屬回線與極導(dǎo)線同塔架設(shè)，可以取消接地極和接地極線路，節(jié)約走廊資源和工程投資；且單極金屬回線運(yùn)行時(shí)，大地中無電流通過，也避免了由此產(chǎn)生的變壓器直流偏磁、電腐蝕以及環(huán)境影響等問題。

2）因金屬回線布置在極導(dǎo)線下方，相比于常規(guī)獨(dú)立架設(shè)的±800 kV線路，塔型一在不同交叉跨越距離要求下，桿塔呼高有不同程度的增加；而塔型二、塔型三和塔型四的呼高不需要增加。

3）塔型一受下層金屬回線對(duì)地距離和層間距的控制，其極導(dǎo)線對(duì)地高度一般高于其他塔型，因此電磁環(huán)境控制的走廊寬度小于其他塔型；塔型二、塔型三和塔型四的電磁環(huán)境指標(biāo)相差不大，其走廊寬度也接近。

4）塔型一的金屬回線布置于極導(dǎo)線下方，利于方便檢修，且有較為成熟的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，走廊寬度也較小。僅在交叉跨越距離要求較高，塔高增加較多時(shí)，塔材指標(biāo)較高。在大部分情況下，其塔材指標(biāo)優(yōu)于或與塔型二、三相當(dāng)。塔型四的塔材指標(biāo)相對(duì)較高，因此，在一般工程應(yīng)用條件下，推薦采用塔型一。

5）塔型二的金屬回線布置于極導(dǎo)線上方，對(duì)地及交叉跨越距離與常規(guī)直流線路一致，在交叉跨越距離要求較高時(shí)，塔材指標(biāo)較輕，但運(yùn)維檢修的要求較高；因此，建議在交叉跨越物較多的地區(qū)，根據(jù)工程實(shí)際條件，對(duì)比其與塔型一的經(jīng)濟(jì)性，綜合考慮運(yùn)維等的要求，選擇合理的塔型。