基于绝缘材料横担紧凑型输电线路全寿命周期经济性对比

基于绝缘材料横担紧凑型输电线路全寿命周期经济性对比

摘 要:为了比较复合绝缘横担塔与传统铁塔的经济性差异,该文选择实际220 kV输电线路工程案例,通过对铁塔使用方案替代,得出使用复合绝缘材料横担(下文简称复合横担)可大幅减小串长,减小塔头尺寸和线路走廊宽度,降低铁塔高度,节省基础材料用量等。结合工程实际进行杆塔优化排位计算,结果表明:相比传统铁塔,复合横担塔能节省20%~30%塔材耗量和10%左右基础工程量,缩减走廊宽度高达15%~30%。最后综合输电线路一次性建设成本、运维成本和后期事故损失成本3个方面的经济性对比,得出基于复合横担的解决方案相较于传统方案在电网建设全寿命周期内具有明显的经济优势。

关键词:架空输电线路;复合横担;传统铁塔;全寿命经济性比较

中图分类号:TM726 文献标志码:A

0 引言

随着电网建设的发展,架空输电线路工程对钢材的需求量日益增大,消耗了大量的资源,也造成了生态环境的严重污染;目前,节能环保倍受重视,新型节能环保材料用于替代或者部分替代钢材应用到输电杆塔中具有工程价值。

通过合理的设计,开发复合材料新型杆塔,可达到以下4个预期效果。1)性能更优越:分利用复合材料的绝缘特性,缩短或去除悬垂绝缘长度,降低线路风偏闪络概率。2)成本更经济:利用复合材料的绝缘特性,可有效缩短横担长度、减小走廊宽度和拆迁费用;降低塔高,减小导、地线荷载作用(风荷作用、线条不平衡张力所产生的扭、弯矩),塔重降低、基础混凝土量小,减小安装、运输费用。3)资源更节约:统铁塔原材料为铁矿石,需要大量进口,而复合材料的主要原材料为二氧化硅矿石,中国蕴藏量丰富,采用复合材料更有利于节约和有效利用本土资源。4)环境更友好:合成材料制品与钢构件相比,生产能耗低,减小环境污染;同時复合材料易加工、颜色可调,能够与环境协调,可增强线路的环境友好性。

综上所述,通过合理的设计,在输电线路工程中应用复合材料,具有重要的经济效益和社会效益。

1 复合横担塔塔头布置

1.1 绝缘配置

该文选取220 kV单、双回路复合横担直线塔作为设计案例,将各案例的典型工况作为设计输入条件,具体数据见表1,规划的复合横担塔使用条件见表2。

绝缘配置和防雷按照国标(GB 50545—2010[1],该文提及的GB 50545皆为该版本)进行计算。

导线布置按照国标(GB 50545—2010)进行计算,由于复合横担塔本身具有绝缘特性,无需使用悬垂绝缘子,导线垂直线间距按照水平线间距计算结果的75%取值即可。

1.2 最小塔头尺寸

案例1与案例2按照0.8 m串长绘制间隙圆。相间距和防雷保护角均执行国标中要求。

针对2种案例的最小塔头尺寸进行了电磁环境模拟仿真,其结果均满足GB 50545的相关要求。

1.3 最短金具串长

由于铁塔复合横担是绝缘体,导线可直接通过金具串挂在横担上,此种设计可以大幅降低由金具串风偏导致的放电故障概率。但是需要考虑因导线断线而产生的不平衡张力。根据GB 50545规定,悬垂塔导线的最不平衡张力应满足表10.1.7规定。按照该文2.2节中的技术条件,以连续5档,选取第一档50%子导线断线的工况为例,计算出这2种案例在不同金具串长(0.8 m,1 m,1.5 m,2 m和2.5 m)情况下分裂导线的纵向不平衡张力。杆塔分裂导线纵向不平衡张力均低于最大使用张力的10%,满足设计规范要求。对于案例1和案例2,选取金具串长为0.8 m。

综合可知,对于复合材料直线塔,可以缩短横担长度和塔头尺寸,从而减小导线荷载和塔头风荷载作用,降低塔重和基础作用力。

2 复合横担塔设计对比

以下复合横担塔的设计均遵循国内标准DL/T 5154—2012[2]。

2.1 220 kV单回路复合横担塔

对于220 kV的单回路复合横担杆塔,以南方电网公司220 kV输变电工程通用设计直线塔2F1W8-ZH2作为对比对象,呼高取值为36 m。在相同设计标准下,建立上字型复合横担塔。2种铁塔计算结果表明,将传统酒杯塔改成复合横担上字型杆塔,与原酒杯塔相比,走廊宽度大幅减少53.4%,钢材耗量减少31.88%,优势明显。

2.2 220 kV双回路复合横担塔

对于220 kV的双回路复合横担杆塔,以南方电网公司220 kV输变电工程通用设计直线塔2C2Wd-Z2作为对比对象,呼高取值为30 m。在相同设计标准下,建立伞型复合横担塔。2种铁塔计算结果表明,220 kV双回路复合横担塔外形与原典设塔的类型一致,复合横担塔的塔高降低13%。其中,走廊宽度的降幅最大,减少39.71%,这对于征地成本昂贵的地区具有明显的竞争优势。

3 复合横担塔在运维上的优势

复合横担塔一方面由于使用了更为精简的塔身结构,省去了传统的绝缘子挂串,相比传统铁塔可以减少绝缘子清扫、更换等工作;另一方面可以使铁塔的横担防腐除锈等相关维护工作大为减少。通过测算可以看出采用复合横担可以大幅度减少线路巡视频率和绝缘子相关检测项目及周期,经济效益巨大。

4 经济性对比

4.1 架空输电线路建设成本的分析

对220 kV单、双回50 km输电线路进行计算分析,对比复合横担塔方案与传统角钢塔方案的经济性差异,其比较结果见表3。

从表3可以看出,在220 kV单回路输电线路工程中,选取同样使用条件下,复合横担塔可以降低呼高5.56%,节省塔材31.79%,缩窄水平线间距离53.41%,即线路走廊宽度减少53.41%。塔头和塔身尺寸减小导致基础方量减少31.79%。同时完全省去了传统悬垂绝缘子串的材料和相关运输安装的成本。从数据分析可以得出复合横担塔单基塔本体造价比传统方案低4.83%,结合复合横担塔省塔基占地和走廊宽度的优势,综合线路征地赔偿费用,单基塔静态投资对比:复合横担塔低于传统角钢塔10.39%。 可以看出,在220 kV双回路输电线路工程中,在相同的使用条件下,复合横担塔可以降低呼高6.67%,节省塔材35.67%,缩窄水平线间距离39.71%,即线路走廊宽度减少39.71%。塔头和塔身尺寸减小导致基础方量减少35.67%。同时完全省去了传统悬垂绝缘子串的材料和相关运输安装的成本。

4.2 架空输电线路运维成本的分析

结合国内架空输电线路运行过程中的维护工作,可以大致测算一条输电线路在设计寿命(30年)内的后期运维成本。结合4.1节的结论,复合横担塔在运维期间的优势非常明显。

根据调研资料显示,大部分架空输电线路事故发生在绝缘子处。而复合横担采用优异的复合材料,具有良好的力学性能和优异的抗污、抗紫外线性能。经过严苛的实验论证,复合横担可做到线路全寿命周期免(少)维护,能大大提高输电线路的可靠性,减少事故停电损失。提高电网运行的稳定性才是真正从本质上降低电网建设全寿命周期的投资成本。

5 结论

该文以实际220 kV输电线路工程为例,通过对其铁塔使用复合横担进行方案替代并进行计算分析,结合工程实际进行杆塔优化排位,选取适合复合横担塔的经济定位呼高、档距,进而减少线路铁塔数量和工程相关材料用量。通过计算分析可以得到以下主要结论。1)对于复合材料直线塔,可缩短横担长度和塔头尺寸,从而减小导线荷载和塔头风荷载作用,可降低塔重和基础作用力,可降低塔重和基础作用力,节省工程投资,具有显著的经济效益。2)相较于对应的传统方案,220 kV单回路复合横担塔呼高可下降2 m左右,走廊宽度大幅减少53.4%,钢材耗量减少31.88%;220 kV双回路复合横担塔呼高可下降2 m左右,塔高降低13%,走廊宽度大幅减少39.71%。全线使用复合横担塔方案,可以降低工程總体造价,相较于传统方案,经济性优势非常明显。3)以30年计算,通过模型测算可以得出,采用复合横担可以大幅度减少因绝缘子清扫、RTV喷涂和防鸟设备安装等相关运维费用支出。相对于传统瓷、玻璃或复合绝缘子线路运维,可以大幅度减少线路巡视频率和绝缘子相关检测项目及周期。

综合架空输电线路一次性建设成本、运维成本和后期事故损失成本3个方面的经济性对比,基于复合横担的架空输电线路解决方案相较于传统方案在电网建设全寿命周期内具有明显的经济优势。

参考文献

[1]中国电力企业联合会.110 kV~750 kV架空输电线路设计规范 GB 50545—2010[S].中国计划出版社,2010:24-30.

[2]电力规划设计总院.架空输电线路杆塔结构设计技术规定 DL/T 5154—2012[S].北京:中国计划出版社,2012:40-44.

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