古交電廠三期500 kV送出工程四回路桿塔設計優化

王金龍，牛克想

（中國能源建設集團山西省電力勘測設計院有限公司，山西 太原 030001）

0 引言

古交電廠位于太原市西約60 km的古交市，是典型的大型坑口發電廠。古交電廠三期工程為2×660 MW低熱值煤發電項目，該項目加大了低劣質煤的利用水平，減輕洗煤廠煤泥和洗中煤對環境的影響，是灰渣綜合利用的典型循環經濟項目，是潔凈能源綜合利用工程，該項目被列為山西省重點工程。

古交電廠三期500 kV送出工程起于古交電廠三期工程所在地，止于晉中1000 kV洪相站，線路全長119.9 km。古交電廠至交城縣廣興村區域線路壓覆采空區和計采區，采用2條單回路架設；廣興村至1000 kV洪相站采用同塔雙回架設。

在交城縣廣興村受廣興村房屋密集區、廣興220 kV變電站及出線、多個鑄管廠、卦山玄中寺風景名勝區的制約，線路走廊極為狹窄。但在該走廊內需建設本工程的兩回500 kV線路、蒙西—晉中1000 kV雙回特高壓線路以及規劃的云頂山送出的兩回500 kV線路工程，即在該狹窄的走廊內需架設四回500 kV線路和兩回1000 kV線路。

經過充分論證，在該走廊內蒙西—晉中1000 kV線路同塔雙回架設，本工程雙回線路和規劃的兩回500 kV線路同塔四回路架設，該方案符合《關于印發蒙西—晉中1000 kV交流輸變電工程可行性研究報告評審意見的通知》（電規規劃〔2017〕107號）[1]的要求。500kV同塔四回路架設在山西省內尚屬首例，為此，設計人員結合相關設計規范[2-4]對桿塔規劃和結構設計進行了詳細的研究。

1 塔型選擇及結構優化

1.1 塔頭形式選擇

本文以直線塔為例對塔頭形式選擇進行分析。根據導線排列形式不同，塔頭形式可分為六層橫擔的垂直排列（見圖1）、四層橫擔的三角排列（見圖2） 和三層橫擔的垂直排列（見圖3） 3種。

本工程四回路段線路長2.23 km，共有9基塔，其中直線塔5基，耐張塔4基。四回路段與廣興220 kV變電站出線交叉跨越較多，需要跨越11回110 kV線路和1回220 kV線路，直線塔呼高51～75 m，耐張塔呼高42 m。

500 kV線路V型串層間距14～15 m，若采用六層橫擔，直線塔全高將達150 m，桿塔需特殊考慮并按大跨越塔設計，且鐵塔根開達35 m，故不推薦六層橫擔垂直排列方案。四層橫擔三角排列和三層橫擔垂直排列布置方式的走廊寬度相當，但四層橫擔較三層橫擔塔增高約15 m，塔質量增加約5%～8%，故本工程推薦采用三層橫擔垂直排列方式。

圖1 六層垂直排列

圖2 四層三角排列

圖3 三層垂直排列

1.2 構件斷面選擇

對于大荷載鐵塔，斷面分別有兩種形式：Q420大截面組合角鋼塔和鋼管塔。角鋼塔的優勢在于加工、運輸、安裝方便；缺點為構件承載力不足，需要采用雙、四組合斷面構件，塔的質量較大。鋼管塔的優勢在于構件斷面特性較好，構件承載力較高；缺點是鋼管塔制造加工復雜、焊接量大。通過進行鋼管塔和角鋼塔的技術經濟比較，結果顯示：角鋼塔較鋼管塔的質量增加20%～25%（如表1所示），根據當期物質招標單價，采用鋼管塔較角鋼塔節約投資6%～11%，約137萬元，故本工程推薦采用鋼管塔。

表1 鋼管塔和角鋼塔技術經濟比較

1.3 桿塔構件材質選擇

鋼管塔廣泛應用于雙回路交流1000 kV特高壓工程，其主材材質為Q345。近年來國內高強鋼管研究取得了一定的進展，Q420和Q460高強鋼管在工程中都取得了試點應用，本節簡要分析探討Q420和Q460高強鋼管應用的可行性及其經濟性。

經計算分析，采用Q420鋼管方案，塔的質量較Q345鋼管方案有明顯降低，直線塔降低約5.6%～6.3%，耐張塔降低約5.1%；采用Q460鋼管方案，塔的質量較Q345鋼管方案降低更為明顯，直線塔降低約9.8%～10.3%，耐張塔降低約7.0%。采用高強鋼管時基礎作用力的降低，將進一步降低造價，理論上具有較大的經濟優勢。Q345鋼管方案與Q420鋼管方案塔的質量對比見表2，Q345鋼管方案和Q460鋼管方案塔的質量對比見表3。

Q420和Q460高強鋼管具有較高的強度，可明顯降低塔的質量，提高加工效率，與Q345鋼管

表2 Q345鋼管方案與Q420鋼管方案塔的質量對比

1.4 法蘭選型

圖4 剛性法蘭（有勁法蘭）

鋼管塔主材由法蘭連接，法蘭主要采用剛性法蘭和鍛造法蘭（如圖4、圖5所示）。塔相比，Q420高強鋼管塔可平均節省塔的質量5.5%左右，Q460高強鋼管塔可平均節省塔的質量8.7%左右，具有較大的經濟優勢。經過調研，對于Q460高強鋼管，現有國內塔廠需通過精細化操作來控制焊接質量，其產能較小，目前工藝條件下成品質量不易把控；對于Q420高強鋼管，國內塔廠已具備了批量加工和生產的能力，但需開展法蘭、插板等相關配套研究，本工程四回路段線路長2.23 km，僅9基塔，且工期極為緊張，暫不推薦采用Q420高強鋼管。故本工程推薦采用Q345鋼管。

表3 Q345鋼管方案和Q460鋼管方案塔的質量對比

圖5 鍛造法蘭（帶頸對焊法蘭）

剛性法蘭剛度好、強度高，但需大量的手工焊接，加工效率低下，好在本工程只有9基塔，總焊接工程量不是太大；鍛造法蘭加工周期短、焊接工作量小，但需向廠家定制，周期較長，成本較高（單價為剛性法蘭的2～2.5倍）。

以本工程所采用的剛性法蘭和對應的鍛造法蘭為例，進行技術經濟比較，鍛造法蘭綜合造價為剛性法蘭的116%～212%，具體情況如表4所示。鍛造法蘭、剛性法蘭質量和造價比趨勢見圖6。

圖6 鍛造法蘭、剛性法蘭質量和造價比趨勢圖

1.5 走廊寬度優化

四回路塔用于走廊極為擁擠地段，走廊寬度優化具有重要意義。采用V型串能有效限制搖擺角，減少走廊寬度。首先，根據搖擺角、電氣間隙、導地線水平偏移、層間距、桿塔結構布置等因素確定靠近塔身側V串夾角為96.3°，然后根據風偏角、檔距分布、垂直檔距和水平檔距的比值關系、線間距以及導地線水平偏移等因素對外側兩回路的V串夾角優化為86.3°，橫擔長度減少1.8 m，線路走廊減少3.6 m，塔的質量節約1.7%～2.8%。

表4 剛性法蘭和鍛造法蘭技術經濟比較

2 結論

a）本工程塔頭形式采用三層橫擔垂直排列方式，較四層橫擔節約塔的質量5%～8%。

b）經過經濟技術比較，本工程四回路塔推薦采用鋼管塔，比角鋼塔節約投資約137萬元。

c）根據計算分析、加工工藝以及工期要求等綜合因素，本工程四回路塔鋼管材質推薦采用Q345。

d）本工程推薦采用剛性法蘭，鍛造法蘭綜合造價為剛性法蘭的116%～212%，鍛造法蘭經濟性較差。

e）通過優化導線V串夾角，橫擔長度減少1.8 m，線路走廊減少3.6 m，塔的質量節約1.7%～2.8%。

通過上述計算分析和設計優化，合理選擇了桿塔布置形式、桿塔主材截面形式及其材質，優化了鋼管主材連接方式及線路走廊寬度，有效降低了工程投資。本工程2018年7月投產以來運行良好，為省內500 kV四回路塔設計積累了經驗。