特高压直流输电线路与金属回线共塔经济性研究

肖明杰，刘文勋，吴高波，张瑚，柏晓路

（中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，湖北武汉 430071）

0 引言

针对特高压直流输电工程中接地极极址和接地极线路路径选择困难的问题，考虑采用金属回线代替大地回线，且金属回线与极导线同塔架设。既可避免单极大地返回运行带来的变压器直流偏磁、电腐蚀以及环境影响等问题，又可充分利用已有的线路走廊和铁塔，节约土地占用和工程投资[1-5]。一般来讲，输电线路工程的杆塔投资约占线路本体投资的40%，随着社会经济的发展，走廊清理在线路建设中占据越来越重要的地位。极导线与金属回线同塔架设对杆塔塔重和走廊清理费用均会产生较大影响，因此，针对极导线与金属回线共塔布置的新塔型，有必要研究不同杆塔型式的经济指标。本文以±800 kV直流输电系统为例，针对极导线与金属回线同塔架设的四种杆塔型式，从铁塔和走廊费用两方面进行经济性对比分析，给出杆塔型式选择的建议。

1 典型杆塔型式

直流线路和金属回线同塔架设时，根据金属回线、导地线的不同布置方式主要考虑以下布置方案：（1）金属回线位于极导线下方，极导线上方布置两根地线；（2）金属回线位于极导线上方，金属回线上方布置两根地线；（3）金属回线布置在极导线上方且取消地线。

对于第三种取消地线的布置方式，由于存在金属回线绝缘配合、安全系数取值等一系列问题、且国内尚无运行经验，暂不对其进行深入探讨。本文研究的4种塔型杆塔一览表如图1-图4所示。

图1 塔型一杆塔

图2 塔型二杆塔

图3 塔型三杆塔

图4 塔型四杆塔

塔型一利用了直流线和金属回线对地距离的差值，差值越大，增加的塔高越小，该塔型提高了极导线挂点和对地距离，减小了地面场强。

塔型二和塔型三利用了极导线与金属回线悬垂串的长度差值，差值越大，增加的塔高越小，该塔型的杆塔负荷重心偏低，荷载分布合理，但由于金属回线位于极导线上方，使得金属回线的检修工作要求更高，作业方式和作业时间也受到更严格的限制。

塔型四类似于交流线路酒杯塔，可不明显增加塔高，但横担长度和输电走廊显著增加，势必增加输电走廊清理方面的费用和工作量。

相比于常规直流输电工程，直流线路和金属回线同塔架设时可取消接地极和接地极线路，但4种新塔型的杆塔塔重指标和走廊清理费用会增加。

2 考虑交叉跨越时的铁塔费用

相同呼高条件下，塔型一塔高最低，塔重最轻；塔型二和塔型三的塔重居中且接近；塔型四由于横担长度明显增加，塔重最重。考虑不同类型的交叉跨越物时，4种塔型的呼高不同，塔重关系有所变化。本文考虑非居民区、树木、公路和电力线等4种交叉跨越类型。计算时，树高取15 m，电力线高度取30 m，导线绝缘子V串垂直投影距离取9.5 m，金属回线I型绝缘子串取3 m。金属回线对地及交叉跨越最小垂直距离取值如表1所示。

表1 对地及交叉跨越最小垂直距离取值

对于塔型一，由于金属回线布置在极导线下方，且极导线的跨越距离要求值与绝缘子串长投影差值大于金属回线的跨越距离要求值与绝缘子串长投影差值，故杆塔呼高需要增加；对于塔型二至塔型四，由于金属回线布置在极导线上方或同层布置，线路对地及交叉跨越距离仍主要由极导线决定，杆塔呼高不需要增加。

代表档距和水平档距均取500 m时，4种塔型对应的呼高及塔重对比如表2和图5所示。钢材按照7500元/t考虑时，4种塔型的铁塔费用对比如图6所示。

图6 4种塔型的铁塔费用对比

表2 4种塔型的塔重对比

图5 4种塔型的塔重对比

由图5和图6可见：

1）在不同交叉跨越类型下，塔型四的塔重均最重，塔型二和塔型三塔重接近；途径非居民区、跨越公路时，塔型一的塔重较轻，塔型二和塔型三次之；跨越林区时，塔型三的塔重较轻，塔型一和塔型二次之，但相差不大；跨越电力线时，塔型二和塔型三较轻，塔型一次之。

2）总体来看，塔型一仅在交叉跨越距离要求较高，塔高增加较多时，塔材指标较高。在大部分情况下，其塔材指标优于或与塔型二、三相当；塔型四的塔材指标相对较高。

3 同塔架设线路走廊清理费用

同塔线路的走廊宽度主要考虑强拆线和电磁环境要求两种情况。

3.1 强拆线要求的走廊宽度

根据参考文献[6]中要求：在无风时，±800 kV直流线路边导线与建筑物之间的最小水平距离为7 m。强拆线要求的4种塔型最小走廊宽度如表3所示。

表3 强拆线控制的走廊宽度

3.2 电磁环境要求的走廊宽度

根据参考文献[6]中要求：当线路邻近民房时，在湿导线情况下房屋所在地面的未畸变合成电场不得超过15 kV/m。考虑满足最小对地距离的条件，计算塔型一至塔型四的地面场强分布，分别如图7至图10所示。

图7 塔型一的地面场强分布

图8 塔型二的地面场强分布

图9 塔型三的地面场强分布

分析图7—图10可知，由地面场强控制的走廊宽度如表4所示。

图10 塔型四的地面场强分布

表4 电磁环境控制的走廊宽度

3.3 走廊清理费用

电磁环境要求的走廊宽度比强拆宽度要求的走廊宽度要宽，故按电磁环境要求的走廊宽度来计算走廊清理费用。房屋拆迁面积按每公里40 m宽走廊拆迁300 m2考虑，房屋拆迁单价按800元/m2考虑，4种塔型的走廊清理费用对比如表5所示。

表5 不同塔型的走廊清理费用对比

由表5可见，塔型一的拆迁面积最小，走廊清理费用较低；塔型二和塔型三的拆迁面积相当，走廊清理费用居中；塔型四的拆迁面积最大，走廊清理费用较高。

4 结论

针对极导线与金属回线同塔架设的4种杆塔型式，从铁塔和走廊费用两方面进行经济性对比分析，给出杆塔型式选择的建议。主要结论如下：

1）对直流输电系统，采用金属回线来代替大地回线且金属回线与极导线同塔架设，可以取消接地极和接地极线路，节约走廊资源和工程投资；且单极金属回线运行时，大地中无电流通过，也避免了由此产生的变压器直流偏磁、电腐蚀以及环境影响等问题。

2）因金属回线布置在极导线下方，相比于常规独立架设的±800 kV线路，塔型一在不同交叉跨越距离要求下，杆塔呼高有不同程度的增加；而塔型二、塔型三和塔型四的呼高不需要增加。

3）塔型一受下层金属回线对地距离和层间距的控制，其极导线对地高度一般高于其他塔型，因此电磁环境控制的走廊宽度小于其他塔型；塔型二、塔型三和塔型四的电磁环境指标相差不大，其走廊宽度也接近。

4）塔型一的金属回线布置于极导线下方，利于方便检修，且有较为成熟的运行经验，走廊宽度也较小。仅在交叉跨越距离要求较高，塔高增加较多时，塔材指标较高。在大部分情况下，其塔材指标优于或与塔型二、三相当。塔型四的塔材指标相对较高，因此，在一般工程应用条件下，推荐采用塔型一。

5）塔型二的金属回线布置于极导线上方，对地及交叉跨越距离与常规直流线路一致，在交叉跨越距离要求较高时，塔材指标较轻，但运维检修的要求较高；因此，建议在交叉跨越物较多的地区，根据工程实际条件，对比其与塔型一的经济性，综合考虑运维等的要求，选择合理的塔型。