李宏進 翁蘭溪 陳旭林 池金明

（中國電建集團福建省電力勘測設(shè)計院有限公司 福建福州 350003）

0 引言

2019 年9 月，《國務(wù)院辦公廳轉(zhuǎn)發(fā)住房城鄉(xiāng)建設(shè)部關(guān)于完善質(zhì)量保障體系提升建筑工程品質(zhì)指導意見的通知》（國辦函〔2019〕92 號）提出了推行綠色建造方式，建立健全綠色建筑標準體系。2021 年3 月，《綠色建造技術(shù)導則（試行）》（建辦質(zhì)〔2021〕9 號）對綠色建造提出了各項基本規(guī)定。2021 年10 月，中共中央辦公廳、國務(wù)院辦公廳《關(guān)于推動城鄉(xiāng)建設(shè)綠色發(fā)展的意見》提出實現(xiàn)全過程綠色建造、發(fā)展裝配式建筑、加強建筑材料循環(huán)、傳統(tǒng)建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級等內(nèi)容。同年國家電網(wǎng)有限公司文件 《國家電網(wǎng)有限公司關(guān)于全面推進輸變電工程綠色建造的指導意見》（國家電網(wǎng)基建〔2021〕367 號）中綠色建造內(nèi)容要求涵蓋工程策劃、設(shè)計、施工、移交全過程。本文以莆田地區(qū)某220 kV 工程為例，從導線選型、金具選擇、鐵塔設(shè)計、基礎(chǔ)選型、數(shù)字化設(shè)計等方面探討分析福建省架空輸電線路工程綠色設(shè)計技術(shù)，為今后福建省內(nèi)類似工程的建設(shè)提供參考。

1 工程概況

該工程位于福建莆田地區(qū)，新建線路長度約29.85 km，設(shè)計風速為37 m/s，導線選用2×630/45，2 根地線均為OPGW-150 復合光纜地線，全線采用單、雙、四回路混合架設(shè)，所經(jīng)區(qū)域地貌屬于平地、山地、丘陵、灘涂等地貌單元，平丘段交通方便，山地交通一般。架空線路工程設(shè)計主要分為電氣設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計，下文將從這2 個方面進行探討。

2 電氣部分

電氣綠色設(shè)計包含了路徑選擇、線路走廊、導地線、金具與絕緣子、防雷與接地等內(nèi)容，本部分主要從導線選型、金具設(shè)計、接地設(shè)計3 個方面進行綠色設(shè)計的探討。

2.1 導線設(shè)計

架空輸電線路的導線要有良好的導電率和一定的機械強度。目前常規(guī)的導線有鋼芯鋁絞線、鋁包鋼芯鋁絞線、鋼芯高導電率鋁絞線、鋁合金芯鋁絞線等［1］。通過本體投資計算、電能損耗計算、最小年費計算，鋼芯鋁絞線、鋁包鋼芯鋁絞線初期投資略低，隨著年損耗小時數(shù)的增加，費用隨之上升；節(jié)能導線（鋼芯高導電率鋁絞線、鋁合金芯鋁絞線）前期本體投資略高于普通導線（鋼芯鋁絞線、鋁包鋼芯鋁絞線），主要是不同導線的單價不同。某季度的信息價如表1 所示，鋼芯高導電率鋁絞線較鋼芯鋁絞線每噸增加費用約300 元，價差可忽略不計，鋁合金芯鋁絞線較鋼芯鋁絞線每噸增加費用約2 600 元，費用增加約11.5%，節(jié)能導線隨著年損耗小時數(shù)的增大，節(jié)能效果更加明顯［1］。通過導線全壽命周期分析，福建省非沿海區(qū)域，導線建議優(yōu)先采用鋼芯高導電率鋁絞線節(jié)能導線；沿海區(qū)域由于腐蝕性影響，經(jīng)過經(jīng)濟比選后可選用鋁合金芯鋁絞線節(jié)能導線。

表1 導線信息價對比

本工程位于福建省大風速地區(qū)，若采用低風壓導線，可以減小水平風荷載、垂直荷載、風偏角及縱向張力，提高輸電線路的抗風能力。目前多個工程試點應(yīng)用低風壓導線，技術(shù)成熟以后省內(nèi)可推廣應(yīng)用。

目前國內(nèi)導線除了節(jié)能導線和低風壓導線，各個廠家也進行了各種新型導線的研發(fā)，包括超高強度鋼芯高強度鋁合金絞線、耐蝕型鋁包鋼芯耐熱鋁合金絞線、絞合型復合材料芯架空導線、自阻尼導線等，省內(nèi)工程可根據(jù)工程特點進行全壽命周期經(jīng)濟性對比后選用。

2.2 金具設(shè)計

導線金具采用節(jié)能金具，主要材料為鋁合金，應(yīng)用于導線懸垂線夾、均壓屏蔽環(huán)、防振錘及間隔棒等，可有效防止磁滯、渦流損失以及電暈損耗，提高抗銹蝕能力。

2.3 接地設(shè)計

目前國內(nèi)輸電桿塔的接地裝置材料主要采用熱鍍鋅圓鋼、鍍銅圓鋼、石墨基柔性接地材料、不銹鋼復合接地體、離子接地體、接地模塊。省內(nèi)主要的接地方式為熱鍍鋅圓鋼，濱海灘涂段則優(yōu)先采用銅覆鋼接地裝置。對于土壤電阻率偏高的地區(qū)、腐蝕性嚴重的區(qū)域，可使用石墨基柔性接地材料。該材料有良好的導電性能，抗拉、抗扭、抗彎，可有效地降低沖擊接地電阻，同時運輸和施工方便，但是工程費用會高于熱鍍鋅圓鋼接地方式，建議省內(nèi)工程根據(jù)實際土壤電阻率及腐蝕情況進行選用。

通過對導線、金具、接地3 個方面設(shè)計的闡述，相關(guān)的技術(shù)已經(jīng)在省內(nèi)有應(yīng)用，后續(xù)可在各個電壓等級進行推廣應(yīng)用。

3 結(jié)構(gòu)部分

結(jié)構(gòu)部分從鐵塔設(shè)計、基礎(chǔ)設(shè)計及水保設(shè)計等3 個方面進行綠色設(shè)計的探討。

3.1 鐵塔設(shè)計

目前國內(nèi)鐵塔相關(guān)的技術(shù)包括高強鋼桿塔、熱軋耐候角鋼塔、鋁合金鐵塔、亞光塔、5G 共享鐵塔、復合材料橫擔、景觀塔設(shè)計等。

省內(nèi)的角鋼塔和鋼管塔使用材質(zhì)包括Q235、Q355、Q420，使用高強鋼Q420 可有效地降低桿塔重量和整體造價。國內(nèi)特高壓工程已經(jīng)大規(guī)模使用大規(guī)格角鋼，通過大規(guī)格角鋼替代雙拼、四拼角鋼，減輕鐵塔重量。福建沿海220 kV 線路大風速區(qū)原先使用的鐵塔通過雙拼普通角鋼滿足受力的要求，近年國網(wǎng)桿塔通用設(shè)計數(shù)據(jù)庫正在修編。建議在福建省內(nèi)部分220 kV 及110 kV 線路應(yīng)用大規(guī)格角鋼，減輕鐵塔重量，同時鐵塔物資招標也需同步更新。

耐候鋼通過“以銹防銹”，取消加工過程中的酸洗、熱鍍鋅等工藝，節(jié)省相關(guān)費用，利于環(huán)境保護，適用于福建沿海區(qū)域［2］。省內(nèi)廈門梧侶到內(nèi)官220 kV 輸電線路有試點應(yīng)用，線路目前已運行10 多年，運行狀態(tài)良好。建議省內(nèi)其他沿海區(qū)域可再試點應(yīng)用，積累更多的經(jīng)驗，為以后的鐵塔材料選擇提供更多的依據(jù)。

5G 共享鐵塔、復合材料橫擔、景觀塔設(shè)計等相關(guān)的鐵塔技術(shù)目前國內(nèi)其他地區(qū)有相關(guān)的應(yīng)用，福建省內(nèi)輸電線路可根據(jù)工程的實際情況進行應(yīng)用，特別是景觀塔的設(shè)計，可以使輸電鐵塔與大自然融合到一起，形成一道特別的風景線。

3.2 基礎(chǔ)設(shè)計

省內(nèi)常規(guī)基礎(chǔ)平地段以灌注樁基礎(chǔ)和板式基礎(chǔ)為主，山丘段以挖孔基礎(chǔ)和掏挖基礎(chǔ)為主。隨著對施工安全、機械化普及率及水保驗收要求的提高，如何通過改變基礎(chǔ)型式、減少土方量是近幾年輸電線路基礎(chǔ)研究的主要內(nèi)容。目前平地段基礎(chǔ)研究的側(cè)重點在于螺旋錨基礎(chǔ)，山地段基礎(chǔ)主要是微型樁基礎(chǔ)和巖石錨桿基礎(chǔ)。

螺旋錨基礎(chǔ)是一種利用原狀土的環(huán)保型基礎(chǔ)，目前國內(nèi)多家設(shè)計院依托線路工程進行相應(yīng)的計算模型及仿真型試驗研究。螺旋錨基礎(chǔ)通過工廠標準化加工錨桿，質(zhì)量可靠，現(xiàn)場進行機械化施工，施工效率、安全可靠，同時減少了現(xiàn)場混凝土及鋼筋的用量，利于環(huán)保［3］。省內(nèi)可依托多個平地段工程進行相關(guān)的試點應(yīng)用，特別是福建沿海土壤腐蝕嚴重的地區(qū)，在試點應(yīng)用過程中不斷優(yōu)化基礎(chǔ)型式及構(gòu)造，改善現(xiàn)有施工機械或研發(fā)新型施工機械，方便后續(xù)施工進場，減小施工工作面，提高機械施工效率，探索適合福建省內(nèi)推廣應(yīng)用的螺旋錨基礎(chǔ)。

山地微型樁基礎(chǔ)樁徑一般為300 mm～400 mm，樁徑小于常規(guī)的挖孔基礎(chǔ)，所需的挖孔扭矩力減小，使用的機械設(shè)備比旋挖鉆機更加輕量化，方便機械設(shè)備進場，無需大規(guī)模修筑施工進場道路，從而實現(xiàn)山地基礎(chǔ)機械化施工［4］。山地微型樁基礎(chǔ)的推廣應(yīng)用可以提高工程的機械化率，保障施工安全，同時能兼顧工程所在地的環(huán)境保護和水土保持，降低對周邊環(huán)境的影響［5］。目前省內(nèi)已經(jīng)在福廈特高壓工程試點應(yīng)用，省內(nèi)其他工程可參照特高壓試點應(yīng)用的成果進行應(yīng)用。

巖石錨桿基礎(chǔ)技術(shù)則相對比較成熟，目前在省內(nèi)多個工程已試點應(yīng)用。巖石錨桿基礎(chǔ)目前無法大規(guī)模推廣應(yīng)用主要受限于地形及地質(zhì)情況，對塔位的坡度和巖石的完整性要求較高。白浙直流特高壓積極推廣巖石錨桿基礎(chǔ)的應(yīng)用，省內(nèi)巖石錨桿基礎(chǔ)可以參照其設(shè)計原則進行優(yōu)化設(shè)計，減少土方開挖，實現(xiàn)機械化施工，使巖石錨桿基礎(chǔ)使用更加普及。

未來幾年，基礎(chǔ)型式的優(yōu)化設(shè)計是架空線路結(jié)構(gòu)設(shè)計重點，相關(guān)單位都在進行各種試點研究?；A(chǔ)施工機械的研發(fā)也將進一步推進各種新型基礎(chǔ)的普及，整個架空線路行業(yè)的進步需要業(yè)主、設(shè)計方、施工方、廠家共同的努力。

3.3 水保設(shè)計

為實現(xiàn)輸電線路的環(huán)境友好原則，水保設(shè)計與線路本體設(shè)計同步進行設(shè)計、施工及驗收，電力設(shè)計單位在可研及初設(shè)階段根據(jù)設(shè)計原則計列相關(guān)費用。目前國內(nèi)特高壓工程施工圖階段開展“一塔一圖”專項設(shè)計，結(jié)合塔基區(qū)和進場道路的地形地貌、植被類型及保護區(qū)劃分類型，針對性提出工程、植被、臨時相結(jié)合的綜合防治措施，有效減少原地貌擾動、土地損壞和植被破壞，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。省內(nèi)工程施工圖階段水保設(shè)計主要是水保單位在編輯報告，建議其參照“一塔一圖”專項設(shè)計進行更加細化的設(shè)計。

通過對桿塔、基礎(chǔ)、水保3 方面的闡述，結(jié)合目前國內(nèi)新技術(shù)及福建省實際情況，適合的新技術(shù)可開展試點應(yīng)用，不斷總結(jié)應(yīng)用經(jīng)驗，為新技術(shù)的落地提供依據(jù)。

4 數(shù)字化設(shè)計

目前架空線路數(shù)字化設(shè)計可實現(xiàn)線路方案三維可視化選線、電氣間隙校驗、連接與碰撞校核、施工進場道路設(shè)置、鐵塔組立模擬、交叉跨越施工模擬等內(nèi)容，常規(guī)內(nèi)容不再贅述，本部分主要探討一下GIS 三維場景的構(gòu)建及路徑方案優(yōu)選。

4.1 GIS 三維場景構(gòu)建

隨著數(shù)字化設(shè)計在電力行業(yè)的持續(xù)發(fā)展，福建院組織研發(fā)人員，開發(fā)了CAD/GIS 集成平臺。測量工程師通過無人機低空攝影技術(shù)/傾斜攝影對電力通道進行數(shù)據(jù)采集，采集到的數(shù)據(jù)上傳到CAD/GIS 集成平臺進行識別處理，生成房屋、道路、林木等地物，賦予相應(yīng)的屬性，同時能導出相應(yīng)的數(shù)據(jù)文件。三維設(shè)計平臺讀取該數(shù)據(jù)文件，實現(xiàn)通道原景重現(xiàn)，如圖1 所示，重現(xiàn)的通道基本與現(xiàn)實場景一致，設(shè)計可利用重現(xiàn)的通道進行房屋拆遷、樹木砍伐等工程量統(tǒng)計。

圖1 輸電線路通道原景構(gòu)建

4.2 路徑方案優(yōu)選

設(shè)計人員在重現(xiàn)的三維通道進行路徑方案比選，及時避讓生態(tài)敏感區(qū)、村莊及密集房屋、已有的各種設(shè)施障礙物等。同時實現(xiàn)二維三維聯(lián)動排位，排桿數(shù)據(jù)可實時生成二維斷面圖，方便設(shè)計人員合理的布置塔位，選擇鐵塔呼高，優(yōu)化線路轉(zhuǎn)角，提高桿塔使用率。比選方案確定后可快速統(tǒng)計工程量，供設(shè)計人員參考，如圖2、圖3 所示。目前傾斜攝影在線路工程試點應(yīng)用，主要原因在于測量采集到數(shù)據(jù)量較大，三維軟件只能處理幾公里的數(shù)據(jù)量。若是長線路，則操作會出現(xiàn)卡頓，三維軟件需進一步優(yōu)化計算，才能有利于該技術(shù)的推進。

圖2 路徑方案優(yōu)選

圖3 三維場景立塔

5 總結(jié)

本文對目前國內(nèi)架空線路綠色設(shè)計相關(guān)技術(shù)進行了闡述，同時結(jié)合福建省的實際情況，給出了應(yīng)用的建議，特別是節(jié)能導線、高強鋼、螺旋錨基礎(chǔ)、山地微型樁基礎(chǔ)樁、巖石錨桿基礎(chǔ)等技術(shù)建議在省內(nèi)推廣或者試點應(yīng)用，為省內(nèi)的綠色設(shè)計提供參考，最終建設(shè)成集各種綠色新技術(shù)的架空輸電線路，如圖4 所示。

圖4 采用綠色技術(shù)的架空輸電線路