王曉春

（國(guó)網(wǎng)國(guó)際發(fā)展有限公司，北京 100031）

0 引言

巴西電網(wǎng)建設(shè)允許私有企業(yè)參與投資，其投資政策是由巴西國(guó)家電監(jiān)會(huì)通過公開招標(biāo)的模式，在開標(biāo)大廳上公開宣布每個(gè)投標(biāo)商的報(bào)價(jià)，以招標(biāo)文件中規(guī)定的年收入（RAP）為基礎(chǔ)，打折最多者中標(biāo)，即獲得該項(xiàng)目30年的特許經(jīng)營(yíng)權(quán)。

500 kV巴拉那伊巴輸電項(xiàng)目是國(guó)家電網(wǎng)（股比51%）與巴電弗納斯電力公司（股比24.5%）、巴拉那州電力公司 （股比24.5%）聯(lián)營(yíng)體成功中標(biāo)007／2012號(hào)G標(biāo)段。

由于工程造價(jià)決定回報(bào)率，所以在滿足招標(biāo)公告規(guī)定的環(huán)境要求和技術(shù)要求的前提下，降低投資成本是投資商提高競(jìng)爭(zhēng)力獲取高投資回報(bào)率的必要手段［1］。

由于招標(biāo)文件規(guī)定了500 kV巴拉那伊巴輸電線的自然功率為1 670 MW的高要求，所以本項(xiàng)目在單回線路上采用了大開距巨型間隔棒的分裂組合導(dǎo)線與雙柱懸索拉線塔配合應(yīng)用的技術(shù)［2-3］，使傳輸容量比同類常規(guī)輸電線路增加60%以上，性價(jià)比高，競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)。

1 導(dǎo)線的選擇與配合

1.1 基本電氣參數(shù)

根據(jù)系統(tǒng)要求，輸電線路最高工作電壓550 kV；額定短路耐受電流50 kA；額定工作電流4 780 A；最大工作電流6 020 A。電氣參數(shù)見表1。

表1 500 kV線路電氣參數(shù)

1.2 導(dǎo)線選擇與配合

為了能夠使本線路達(dá)到自然功率1 670 MW，對(duì)4~6分裂及不同規(guī)格的導(dǎo)線配合做了分析比較，如表2所示。

表2 不同規(guī)格導(dǎo)線的自然功率

通過分析比較，選用了6分裂、導(dǎo)線截面795 kcmil、子導(dǎo)線最大間距2.58 m組合導(dǎo)線配置方案。該方案的采用減少了自阻抗，通過減少相間距離又增大了互阻抗，從而降低了線路的正序阻抗，有效地提高了線路的自然功率。

2 導(dǎo)線的布置與絕緣配合

2.1 導(dǎo)線布置

從電氣角度來(lái)說(shuō)，水平布置和倒三角布置在功率、地面電場(chǎng)和導(dǎo)線表面電場(chǎng)方面區(qū)別不大，因此方案優(yōu)化更多地取決于鐵塔結(jié)構(gòu)方案。在優(yōu)化研究中，影響鐵塔結(jié)構(gòu)方案的重要因素是鋼材重量。為了評(píng)估三相導(dǎo)線水平和倒三角兩種排列方式對(duì)鐵塔鋼材重量的影響，按相同的自然條件（地形與氣象條件等）和設(shè)計(jì)規(guī)劃條件（對(duì)地高度、導(dǎo)線、地線、使用檔距等），在經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行了兩種塔重估算：第一步是估算滿足安全距離要求的鐵塔呼稱高度和全高；第二步是結(jié)合不同荷載組合條件進(jìn)行力學(xué)分析，計(jì)算鐵塔上下各主要部件重量；第三步結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式估算輔助部件重量。計(jì)算結(jié)果和工程經(jīng)驗(yàn)均表明，直線鐵塔鋼材重量主要和導(dǎo)線水平風(fēng)荷載與張力引起的扭矩有正相關(guān)性，而導(dǎo)線水平風(fēng)荷載和張力引起的扭矩與其懸掛高度有明顯的正相關(guān)性。3相導(dǎo)線倒三角排列相對(duì)于水平排列，有2相導(dǎo)線要抬高5 m左右，其水平風(fēng)荷載與張力引起的扭矩明顯增大，故直線鐵塔重量明顯增加。由于本工程線路的鐵塔有88%是直線塔，所以本設(shè)計(jì)直線塔采用了導(dǎo)線水平布置的雙柱懸索拉線塔經(jīng)濟(jì)性更好。

2.2 導(dǎo)線絕緣配合

根據(jù)IEC-60815污染條件下高壓絕緣子的選擇規(guī)范［4］，通過對(duì)每相組合導(dǎo)線的子導(dǎo)線表面電位梯度的計(jì)算，獲得配置的平均梯度值為18.17 kV／cm2，最大梯度值為19.27 kV／cm2。

考慮線路沿線區(qū)域的污穢程度要滿足IEC—60815［4］表 II的類型“輕”（I級(jí)），故選擇相間的特定爬電比距為14 mm／kV。所以按照當(dāng)?shù)氐脑O(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，采用懸式玻璃絕緣子串，如表3所示。在最大工作電壓情況下，符合懸索最大位移動(dòng)，確保塔架上任何元件的對(duì)地凈距離大于1.10 m。

表3 絕緣子串設(shè)計(jì)類別

對(duì)于線路面臨雷擊，根據(jù)塔頭、絕緣子和導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)，在雷電活動(dòng)水平為70區(qū)域，平均接地電阻R=20 Ω，故障指標(biāo)為每年 0.83次／100 km，滿足了項(xiàng)目招標(biāo)文件規(guī)定的最多故障每年1次／100 km的要求。

3 間隔棒的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

關(guān)于子導(dǎo)線分裂間距的設(shè)計(jì)，巴西弗納斯電力公司聯(lián)合其他研究中心，如巴西電能研究中心、南大河州聯(lián)邦大學(xué)，弗盧米嫩納聯(lián)邦大學(xué)以及意大利防震系統(tǒng)及間隔棒制造公司、奧地利的防震系統(tǒng)、拉線、光纜及金具制造公司、絕緣子和導(dǎo)線制造公司、設(shè)計(jì)院等，米蘭理工大學(xué)也作為防震系統(tǒng)及間隔棒的研發(fā)顧問參與了這次研究；同時(shí)還邀請(qǐng)巴西國(guó)內(nèi)有關(guān)規(guī)劃，設(shè)計(jì)，環(huán)境，資產(chǎn)和建設(shè)部門，深入研究了該問題。對(duì)子導(dǎo)線分裂的非常規(guī)布置在初步可行性研究中做了設(shè)定，并在后期經(jīng)濟(jì)技術(shù)優(yōu)化方案制定中不斷調(diào)整，使得其在電壓等級(jí)為500 kV線路的自然功率大2～3倍（約2 200 MW）。六分裂組合導(dǎo)線是按照“倒三角形”布置配置金具和絕緣子，并在巴西電能研究中心實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果令人滿意。由于維護(hù)需要在兩相中進(jìn)行，因此間隔棒的設(shè)計(jì)考慮了線路帶電情況下維修的便利性。間隔棒的大小和結(jié)構(gòu)還考慮了外力因素的影響。

通過從制造廠和輸電安裝的實(shí)踐和驗(yàn)證得知，這類子導(dǎo)線間隔棒的不對(duì)稱形狀和尺寸的變化會(huì)加大生產(chǎn)和長(zhǎng)距離線路建設(shè)的難度。因此，綜合考慮了線路輸送能力、制造成本以及線路安裝方便等因素，得出了最簡(jiǎn)單的能實(shí)現(xiàn)線路自然功率1 670 MW的所用間隔棒比較理想的設(shè)計(jì)，即把間隔棒的幾何形狀按照六分裂導(dǎo)線設(shè)計(jì)成六角形，子導(dǎo)線分上、中、下3層布置，兩個(gè)邊相（A、C相）間隔棒尺寸：上下高度層子導(dǎo)線的間距為2 580 mm；中心處間角子導(dǎo)線之間的水平寬度間距為2 100 mm；上層和下層處子導(dǎo)線的間距寬度均為1 050 mm。對(duì)于中心相（B相）間隔棒尺寸：上下層子導(dǎo)線的間距高度為1 390 mm；中間角子導(dǎo)線之間的水平間距為中心處寬度為960 mm；上層和下層子導(dǎo)線的間距均為490 mm，兩者在垂直和水平軸上對(duì)稱，如圖1所示。

懸垂絕緣子串根據(jù)輕型和重型結(jié)構(gòu)分別使用“III”排列（雙柱懸索拉線塔）和“IVI”排列（自立塔），力分別為160 kN、180 kN和210 kN。在圖1中，可以看到各絕緣子串的懸掛和電氣測(cè)試情況［5］。

圖1 懸垂絕緣子串及間隔棒試驗(yàn)

4 懸索拉線塔

根據(jù)巴西輸電設(shè)計(jì)規(guī)范［6］，結(jié)合巴西當(dāng)?shù)氐湫偷木€路直線塔結(jié)構(gòu)，經(jīng)過多年的研究試驗(yàn)，找到了線路的最佳解決方案，是直線塔采用雙柱懸索拉線塔 ，其幾何形狀，橫擔(dān)和導(dǎo)線的布置如圖2所示。該方案滿足了500 kV線路采用大開距六分裂組合導(dǎo)線懸掛的各項(xiàng)要求，符合巴西國(guó)家電監(jiān)會(huì)2010年3月23日發(fā)布的398號(hào)標(biāo)準(zhǔn)《關(guān)于電場(chǎng)和磁場(chǎng)的極限要求的規(guī)定》。與此同時(shí)還結(jié)合了經(jīng)濟(jì)優(yōu)化，獲得了項(xiàng)目良好的性價(jià)比。

圖2 雙柱懸索拉線塔絕緣子串示意圖

懸索拉線塔、組合導(dǎo)線及間隔棒配置如圖3所示，使用懸索拉線塔的優(yōu)點(diǎn)為：與使用常規(guī)“倒三角布置”鐵塔相比較能節(jié)省50%的成本；有利于實(shí)現(xiàn)緊湊型布置，即壓縮相間距離、擴(kuò)大子導(dǎo)線間距，從而實(shí)現(xiàn)降低線路阻抗，提高線路輸送能力；雙柱懸索拉線塔自我調(diào)整能力強(qiáng)，耐抗壓力和抗扭力，可大大降低故障率；與傳統(tǒng)塔相比，高壓脈沖測(cè)試證明雙柱懸索拉線塔抗擊短路電流的能力更強(qiáng)；杜絕鳥類在橫擔(dān)上續(xù)巢，防止污閃；雷電防護(hù)極好，防雷擊保護(hù)可靠；6個(gè)接地極和大接地面積有效降低了接地電阻，提高了大地導(dǎo)電率；該塔型重量輕、組裝快、安裝方便。該設(shè)計(jì)滿足IEC架空線路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)［7］、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)［8］和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)程序［9］。

機(jī)械和結(jié)構(gòu)方面為了確定機(jī)械負(fù)載并建立可靠性的研究，參考了 IEC-60826［7］可靠性 ／失敗概率建議、該區(qū)域風(fēng)力數(shù)據(jù)以及國(guó)家電監(jiān)會(huì)招標(biāo)文件上最低滿足 250 年一遇的要求［10］。

風(fēng)力統(tǒng)計(jì)研究已經(jīng)表明23.61 m／s為風(fēng)速參照值（VR），風(fēng)速在離地高度10 m，地域開闊平整、極少障礙（地表粗糙度B），時(shí)距10 min和50年一遇。對(duì)應(yīng)250年一遇要求的可靠性等級(jí)，取得基準(zhǔn)風(fēng)速為27.77 m ／s。

圖3 懸索拉線塔、組合導(dǎo)線及間隔棒配置

根據(jù)招標(biāo)文件要求，需考慮在風(fēng)暴強(qiáng)風(fēng)發(fā)生的假設(shè)，如小范圍內(nèi)的雷暴（TS）。對(duì)于250年一遇，研究表明在3 s瞬時(shí)為44.44 m／s的風(fēng)速。由于風(fēng)的范圍小，這種極端風(fēng)的特征不會(huì)因高度產(chǎn)生較大變化，這種類型的風(fēng)通常被認(rèn)為整體作用于結(jié)構(gòu)上大約25%風(fēng)力作用。表4顯示了該項(xiàng)目最終風(fēng)壓取值。

表4 項(xiàng)目風(fēng)壓取值

該配置必須滿足電場(chǎng)和磁場(chǎng)的限制規(guī)定，即線路在最大工作電壓運(yùn)行時(shí)，符合2010年3月23日巴西電監(jiān)會(huì)發(fā)布的第398號(hào)規(guī)定的限度內(nèi)。本工程的線路走廊寬60 m，鐵塔處75 m，走廊內(nèi)外均滿足環(huán)保要求。本線路的電磁曲線如圖4所示，圖4中橫軸表示測(cè)量點(diǎn)與線路走廊中心線的距離。

圖4 線路走廊內(nèi)電場(chǎng)、磁場(chǎng)曲線

按照以下標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算導(dǎo)線和避雷線的張力：

1）極端風(fēng)作用時(shí)（T=200年），軸向張力控制在70%導(dǎo)線斷裂負(fù)荷，相關(guān)溫度17℃；

2）常規(guī)風(fēng)作用時(shí)（T=50年），軸向張力控制在50%導(dǎo)線斷裂負(fù)荷，相關(guān)溫度17℃；

3）在無(wú)風(fēng)條件下（考慮導(dǎo)線10年蠕變后）軸向張力控制在20%導(dǎo)線斷裂負(fù)荷，相關(guān)溫度22℃；

4）在最低溫條件下（1℃），軸向張力控制在33%導(dǎo)線斷裂負(fù)荷。

遵守導(dǎo)線設(shè)計(jì)規(guī)范，避雷線的張力是在22℃無(wú)風(fēng)條件下、弧垂大致相等并控制在導(dǎo)線弧垂的90%。

5 經(jīng)濟(jì)比較

為了滿足高環(huán)保要求和1 670 MW的輸送能力，500 kV線路通常采用同塔雙回線路結(jié)構(gòu)。而本工程在單回路結(jié)構(gòu)下，采用了大開距巨型間隔棒的分裂組合導(dǎo)線與雙柱懸索拉線塔配合應(yīng)用的技術(shù)同樣解決了上述問題，兩個(gè)方案的主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較見表5。

表5 主要指標(biāo)比較表

6 結(jié)語(yǔ)

500 kV巴拉那伊巴項(xiàng)目是國(guó)家電網(wǎng)在巴西投資的第一個(gè)全線竣工投產(chǎn)并獲得100%收益的綠地輸電項(xiàng)目。該項(xiàng)目在全球首次采用這種大開距巨型間隔棒的分裂組合導(dǎo)線與雙柱懸索拉線塔配合應(yīng)用的技術(shù)并實(shí)現(xiàn)了商業(yè)運(yùn)營(yíng)，有效解決了環(huán)保要求高、線路輸送能力要求高的問題，工程性價(jià)比優(yōu)勢(shì)明顯。該項(xiàng)技術(shù)的首次成功應(yīng)用，必將對(duì)國(guó)家電網(wǎng)進(jìn)一步拓展巴西輸電綠地項(xiàng)目發(fā)揮巨大作用。

［1］ABNT-ASSOCIA??O BRASILEIRA DE NORMAS TéCNICAS.Avalia??o de Bens-Brasil：ABNT-NBR 14653［S］.Rio de Janeiro：ABNT，2004.

［2］GENERAL ELECTRIC CO.Transmission line reference book 345 kV and above［M］.California：Electric Power Research Institute，1982.

［3］GUIMAR?ES FERREIRAS DA SILVA，JO?O，B.R.P.et al-“LT 500kV CS Barreiras II-Rio das éguas-Luziania-Solu??o Eletromecanica Estrutural para SIL de 1 670 MW”-XXIII SNPTEE［C］.Foz do Igua?ú，PR，Brasil，2015.

［4］IEC-INTERNATIONAL ELECTROTECHNICAL COMMISION.Selection and dimensioning of high-voltage insulators for polluted conditions：IEC-60815［S］.2008.

［5］IEC-INTERNATIONAL ELECTROTECHNICAL COMMISION.Overhead lines-requirements and tests for fittings：IEC-61284［S］.1997.

［6］ABNT-ASSOCI??O BRASILEIRA DE NORMAS TéCNICAS.Projeto de Linhas Aéreas de Transmiss?o de Energia Elétrica-Brasil：ABNT-NBR 5422 ［S］.Rio de Janeiro：ABNT，1985.

［7］INTERNATIONAL ELECTROTECHNICAL COMMISION.Design criteria of overhead transmission lines：IEC-60826［S］.Third Edition，2003.

［8］ASCE-AMERICAN SOCIETY OF CIVIL ENGINEERS.Design of lattice steel transmission structures：ASCE 10-97［S］.Edition 2000.

［9］ABNT-ASSOCIA??O BRASILEIRA DE NORMAS TéCNICAS.Execu??o de Suportes Metálicos Treli?ados para Linhas de Transmiss?o：Procedimento：Projeto de Revis?o ABNT NBR 8850-R20［S］.Rio de Janeiro：ABNT，2005.

［10］CIGRé.How overhead lines respond to localized high intensity winds：TF B2.06.09［S］.2008.