±800 kV特高壓直流耐張塔跳線的優(yōu)化方案

趙遠濤，李京凱，劉文勛，徐維毅，李健，朱焰，于躍

(1.中南電力設(shè)計院，武漢市，430071;2.中國機械設(shè)備工程股份有限公司，北京市，100055)

0 引言

目前，國內(nèi)特高壓直流輸電線路耐張塔跳線方案大多采用“鼠籠式”硬跳線或“鋁管式”硬跳線，能有效限制串偏、減少跳線擺動［1］。然而與傳統(tǒng)軟跳線相比又存在結(jié)構(gòu)復雜、造價較貴、運輸施工不便的缺點。本文以溪洛渡—浙西±800 kV特高壓直流輸電線路工程為例，對特高壓直流耐張塔采用軟跳線和硬跳線分別進行間隙計算和塔頭設(shè)計，并結(jié)合當前的電力材料價格，對各跳線方案下桿塔本體總投資進行了比較，探討了是否能以“軟”代“硬”，達到降低工程造價、方便運輸、施工及運行維護的目的［2］。同時，本文結(jié)合硬跳成套價格變化，提出了采用軟跳或硬跳的邊界條件，達到了優(yōu)化跳線方案的目的。

1 設(shè)計條件

本文以溪洛渡—浙西±800 kV特高壓直流輸電線路工程為例，計算采用工況對應的風速與空氣間隙取值見表 1［3］。

表1 塔頭空氣間隙取值(海拔高度小于1 000 m)Tab.1 Clearance distance between conductors and tower(altitude less than 1 000 m)

按照設(shè)計要求，本工程跳線絕緣子串采用合成絕緣子，串長取12 m，耐張塔極間距取18 m，設(shè)計塔頭時耐張塔呼高取45 m，如圖1所示。本工程導線選用6×LGJ-900/75鋼芯鋁絞線。塔高引起的塔質(zhì)量變化按1.45 t/m考慮，引起的橫擔變化按180 kg/m考慮［2］。

圖1 耐張塔型單線圖Fig.1 Sketch map of Tension tower

根據(jù)目前國內(nèi)大型金具生產(chǎn)廠家的平均報價，本文采用的材料計算價格為:硬跳4.2萬元/套，金具20元/kg，合成絕緣子3 200元/支，導線16 800元/t，角鋼6 800元/t。

2 風偏計算

耐張塔的跳線本身在大風情況下會發(fā)生較大偏移，其偏移值與風速、導線形狀等多個因素有關(guān)。國內(nèi)對跳線本身的風偏計算常用的計算方法［4］為

式中:v為跳線平均高度處的風速，m/s;d為跳線外徑，cm;μ為跳線體型系數(shù)，跳線外徑小于17 mm或覆冰時取1.2，否則取1.1;α為風壓不均勻系數(shù)，取1.2;p4為跳線單位長度風荷載，N/m;p1為跳線單位長度自荷載，N/m。

跳線絕緣子串風偏［5］為

式中:T為跳線張力，N;PI為絕緣子串水平荷載，PI=0.625v2AI×10-3，其中 AI為受風面積;GI為絕緣子串垂直荷載，N;GZ為重錘垂直荷載，N;lH為跳線檔水平檔距，m;lV為跳線檔垂直檔距，m;K為跳線與垂直橫擔直線間的夾角;n為跳線分裂根數(shù)。

常見的硬跳方式有鼠籠式硬跳和鋁管式硬跳2種。鋁管式硬跳由于造價比鼠籠式更昂貴［5］，且在運行中曾出現(xiàn)過管母脫落，因此本文中僅討論鼠籠式硬跳線。

當采用鼠籠式硬跳線結(jié)構(gòu)時，由于支撐管的固定作用，在大風情況下會發(fā)生整體偏移。此時的整體風偏［6］為

式中:PC為支撐管風荷載，N;GC為支撐管垂直荷載，N。

在最大風速工況和操作過電壓工況下，單I軟跳、雙I軟跳和雙I硬跳的跳線、絕緣子串風偏見表2～3。

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表3中單/雙I軟跳是指跳線采用單/兩支I串絕緣子與軟跳線的組合方式，雙I硬跳是指跳線采用2支I串絕緣子與硬跳線的組合方式，下文的單/雙V軟跳、雙V硬跳含義可類推。

從表2～3可以看出:

(1)在相同條件下，單I軟跳的串偏最大，雙I硬跳的串偏最小。顯然，這是由于硬跳的支撐鋼管、重錘等限制了絕緣子串的擺動。

(2)隨著耐張塔轉(zhuǎn)角度數(shù)的增大，絕緣子串的串偏增大，這是由于跳線張力的水平分量隨轉(zhuǎn)角度數(shù)增大而增大的緣故。

在實際特高壓直流工程中，跳線串一般都采用V串，以盡量減少串偏、縮小塔頭、減小走廊占地［7］。從表2～3可知，在采用單I軟跳時，最大風速下的串偏最大為44°，按照國內(nèi)工程經(jīng)驗［8］，本文對V 型絕緣子串夾角按90°設(shè)計。

3 塔頭設(shè)計

3.1 V串跳線

耐張塔跳線采用單V軟跳、雙V軟跳和雙V硬跳等跳線方案時的橫擔長度計算結(jié)果見表4。可以看出，V串跳線方案具有如下特性:(1)轉(zhuǎn)角度數(shù)為0°時，由于V串夾角90°控制，3種跳線所需的跳線橫擔長都是20.3 m。(2)隨著轉(zhuǎn)角度數(shù)的增加，軟跳方案的橫擔變長，而硬跳方案的橫擔幾乎不變。(3)雙V硬跳方案的橫擔長度最短。

表4 V串跳線的橫擔長度Tab.4 Length of cross arm for V-string jumper m

3種跳線的塔頭及控制點間隙圓如圖2所示。不難發(fā)現(xiàn)，硬跳方案的等效串長比軟跳方案短(約1.4 m，見表5)，這就意味著當耐張塔跳線對地距離控制時，可將軟跳方案改為硬跳方案，能有效增加跳線對地距離，從而降低塔高、節(jié)省塔材。

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因此，由于雙V硬跳方案具有:等效串長短、跳線橫擔短的特性，在耐張塔跳線對地距離控制時，采用硬跳能比軟跳減小塔高、縮短橫擔，從而有效節(jié)省塔材，因此現(xiàn)有的大多數(shù)特高壓直流輸電線路都采用雙V硬跳方案。

3.2 I串跳線

雖然I串不能像V串一樣限制串偏，但由于采用I串時跳線絕緣子、金具的數(shù)量以及橫擔長度都不相同，因此應進行綜合技術(shù)經(jīng)濟比較。

根據(jù)計算，采用單I軟跳、雙I軟跳和雙I硬跳3種方案時的橫擔長度和等效串長見表6～7。

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可以看出，采用I串跳線時具有以下特性:(1)I串方案的橫擔長度隨著轉(zhuǎn)角度數(shù)的增大而增大。(2)雙I硬跳的橫擔長度最短。

3.3 小結(jié)

由以上分析可知:(1)無論V串還是I串，硬跳方案的塔材總是最省。(2)V串跳線橫擔長度比I串跳線長，但等效串長比I串跳線短，故應進行綜合技術(shù)經(jīng)濟比較。

4 綜合技術(shù)經(jīng)濟比較

雖然采用硬跳線的塔材最省，但由于國內(nèi)的硬跳線價格比軟跳線要高［9］，本著優(yōu)化設(shè)計方案、節(jié)省工程總投資的原則，在滿足安全運行的前提下，對跳線方案進行本體投資綜合經(jīng)濟比較(未考慮走廊通道、運輸、安裝等因素)。

結(jié)合工程實際情況，本文分“跳線對地控制耐張塔高”和“檔中控制耐張塔高”2種情況，對上述6種跳線的單基總投資差額進行比較(本節(jié)計算過程中硬跳價格取固定值:4.2萬元/套，為溪洛渡—浙西±800 kV特高壓直流輸電線路工程初步設(shè)計階段的廠家報價平均值)，不同跳線方案的單基總投資差額隨轉(zhuǎn)角度數(shù)的變化如圖3所示，所有跳線方案的總投資均以雙V硬跳時的單基總投資為基準求差值。從圖中可以看出，當檔中控制耐張塔高時，單基總投資的最高方案和最低方案分別如下。

(1)轉(zhuǎn)角 0°～20°:單 I軟跳最低，雙 V 硬跳最高。

(2)轉(zhuǎn)角 40°～90°:雙 I軟跳最低，雙 V 硬跳最高。

當跳線對地控制耐張塔高時，單基總投資的最高方案和最低方案分別如下。

(1)轉(zhuǎn)角 0°～40°:單 V 軟跳最低，雙 I硬跳最高。

(2)轉(zhuǎn)角 60°～90°:雙 V 軟跳最低，單 I軟跳最高。

圖3 不同跳線方案的單基總投資差額Fig.3 Total cost for different jumper types

可以得出以下結(jié)論:(1)軟跳線方案的總投資最低，硬跳線方案的總投資最高。(2)檔中控制塔高時I串跳線最省，V串跳線最貴;跳線對地控制塔高時V串跳線最省，I串跳線最貴。

5 硬跳價格敏感性分析

以上分析是基于硬跳價格固定不變的前提進行，但事實上硬跳價格并不是固定值［10］。不同廠家、不同工程、不同招標規(guī)模以及不同時期的硬跳價格都是不同的，甚至相差懸殊。基于此，下面將分析硬跳價格對跳線方案總投資的影響。

0°耐張塔以雙V硬跳時的單基總投資為基準(差額為0)，對所有跳線方案的單基總投資求差額，結(jié)果如圖4所示。當硬跳價格不同時，單基總投資最高和最低的跳線方案也發(fā)生變化。

圖4 硬跳價格對0°耐張塔總投資差額的影響Fig.4 Dependence of hard jumper price on total cost of tension tower

(1)檔中控制耐張塔高:硬跳價格為1萬元/套時，單基總投資最低的是雙I硬跳，最高的是雙V軟跳;硬跳價格為1.78萬元/套時，單I軟跳和雙I硬跳總投資相同，均為最低，雙V軟跳最高;硬跳價格高于2.5、5萬元/套時，單I軟跳總投資最低，雙V軟跳和雙V硬跳分別最高。

(2)跳線對地控制耐張塔高:硬跳價格為1、2.5萬元/套時，單基總投資最低的是雙V硬跳，最高的是單I軟跳;硬跳價格為2.93萬元/套時，單V軟跳和雙V硬跳總投資相同，均為最低，單I軟跳最高;硬跳價格為5萬元/套時，單V軟跳總投資最低，雙I硬跳最高。

為方便論述，將上述價格中的1.78萬元/套和2.93萬元/套稱作“臨界硬跳價格”。從而20°/40°/60°/90°耐張塔在“跳線對地控制”和“檔中控制”這2種情況下的“臨界硬跳價格”以及總投資最低的跳線方案見表8～9。

因此，可得出下述結(jié)論:

(1)單基總投資最低的方案并不是固定的，而是隨著硬跳價格變化而變化。當硬跳價格低于對應的“臨界價格”時，硬跳方案省投資，而超過該價格時軟跳方案省。

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(2)耐張塔轉(zhuǎn)角度數(shù)越大，臨界硬跳價格越高。

(3)檔中控制時I串方案省;跳線對地距離控制時V串方案省。

6 結(jié)語

本文以溪洛渡—浙西±800 kV特高壓直流輸電線路工程為依托，對耐張塔軟跳和硬跳2種方案進行了技術(shù)經(jīng)濟比較，主要結(jié)論如下:

(1)特高壓直流輸電線路采用軟跳、硬跳方案在理論上都是可行的，實際工程中應結(jié)合硬跳價格、塔位情況等具體分析。

(2)采用硬跳方案可以減小縮短橫擔、降低塔高，減小塔材投資，但可能增加跳線投資。

(3)溪洛渡—浙西±800 kV特高壓直流輸電線路工程平均硬跳價格(4.2萬元/套)大于臨界價格，故采用軟跳方案總投資最省。

(4)檔中控制時，I串跳線最省;跳線對地距離控制時，V串跳線最省。

(5)單基總投資最低的方案隨硬跳價格變化而變化。當硬跳價格低于對應的“臨界價格”時，硬跳方案省投資，而超過該價格時軟跳方案省。

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