对架空输电线路设计企业标准的解读

1、 电 力 技 术 经 济 第 21卷 对架空输电线路设计企业标准的解读肖智宏 1, 刘学军 1, 李显鑫 1, 史雪飞 1, 袁兆祥 1, 张子引 1, 葛旭波 2, 张卫东 2(1. 国网北京经济技术研究院,北京 100761; 2. 国家电网公司,北京 100031摘 要:为提高电网应对自然灾害的能力,科学指导灾后改造重建和未来电网发展,国家电网公司发布了架空输电线路设 计企业标准 。 对企业标准的重要条款进行了解读,对新旧线路设计规程规定的异同进行梳理,对新企业标准中提高标准 、 修订完善的具体条款进行了技术经济分析,以期为输变电工程设计和建设单位对新标准的理解和应用提供参考 。 关键词

2、:电网;覆冰灾害;输电线路;企业标准;技术经济分析 中图分类号:TM726文献标志码:BTechno-economic Analysis on SGCC Technical Code for Overhead Transmission Line DesignXIAO Zhi-hong 1, LIU Xue-jun 1, LI Xian-xin 1, SHI Xue-fei 1, YUAN Zhao-xiang 1,ZHANG Zi-yin 1, GE Xu-bo 2, ZHANG Wei-dong 2(1. State Power Economic Research Institute , B

3、eijing 100761, China ; 2. State Grid Corporation of China , Beijing 100031, China Abstract:With the SGCC issuing a new edition of technical code for the overhead transmission line design, with a view to strengthening power grids capability of coping with natural disasters and to providing scientific

4、 guidelines for the post-disaster grid reconstruction as well as grid development, this paper presents an in-depth interpretation of the key clauses of the code as well as a comparative analysis of the differences between the previous edition and the latest one on the rules of transmission line desi

5、gn. Some specific clauses aiming at upgrading or modification are closely looked into from the techno-economic point of view in an attempt to promote understanding and application of this technical code by power transmission design and construction units.Key words:power grid; icing disaster; transmi

6、ssion line; technical code; techno-economic analysis文章编号 :1008-1682(200905-0040-06收稿日期:2009-07-30作者简介:肖智宏 (1977 ,男,辽宁阜新人,工程师,主要从事电力系统分析与控制 、 输变电工程设计等工作 。E-mail:xiaozhihong0引言2008年初,我国南方地区经历了一场历史罕见 的长时间 、 大范围持续低温雨雪冰冻灾害,造成湖 南 、 贵州 、 江西 、 浙江等地区电网发生大范围倒塔 、 断线和闪络事故,各级电网遭受严重损害,部分地 区电力供应中断 1。为吸取抗灾经验,提高电网应对

7、自然灾害的能 力,国家电网公司制定了 110750kV 架空输电线 路设计技术规定 等 5项电网建设企业标准 (以下简称新企标 2-6, 科学合理地指导电网灾后重建和电网发展 。 本文在对 2008年冰灾事故及其成因调研和分 析基础上,对新旧线路设计规程规定的异同进行梳 理,对新企标中提高标准 、 修订完善的具体条款进行电网勘测与设计Electric Power TechnologicEconomics 第 21卷 第 5期2009年 10月Vol. 21No. 5Oct. 200940第 5期电网勘测与设计 了阐释,对执行新标准后线路造价进行了测算 。 1电网受灾情况及受损原因分析1.1电网

8、受灾情况统计2008年初的雨雪冰冻灾害对经济 、 社会和居民 生活供电造成了严重影响 。 国家电网公司经营区域 内华中 、 华东及所属 10个省级电网遭受了严重灾 害,其中湖南 、 浙江 、 江西电网设施损毁最为严重 。 国 家 电 网 公 司 经 营 区 域 共 计 37个 地 市 545个 县 (区 供电受到影响,低压配电网累计停电台区 21.9万个,停电用户 2705. 8万户 。 雨雪冰冻灾害累计造 成国家电网公司范围内线路停运 15284条,倒杆倒 塔 171767基 、 杆塔受损 12307基 。 各电压等级 884座变电站停运 。1.2冰灾导致电网受损原因分析我国输电线路设计按线

9、路预期服役年限及重要 程度有相应的外荷载设计标准,电压等级越高 、 重 要性越强的线路,可靠度标准越高 。 当实际外荷载 超过预期标准值时,将发生杆塔结构破坏,严重时 发生断线 、 倒塔事故 。杆塔在不同覆冰厚度下的荷载见表 1,从表 1中 可以看出杆塔荷载随导线和杆塔覆冰厚度的增加而 大幅度增大 。 覆冰厚度由 10mm 增加至 50mm 时, 杆塔垂直荷载为 10mm 覆冰厚度时的 5.4倍,纵向 荷载为 13倍 7-8。经过对冰灾事故的现场调查分析,此次倒塔的 大部分输电线路是按覆冰 15mm 及以下轻冰区标准 设计的,而实际覆冰厚度已经超过 30mm ,部分地 区超过 60mm ,远远

10、大于设计值 。 历史罕见的极端 天气使线路覆冰值大大超过了设计标准值是此次冰 灾事故的主要原因 。(1 倒塔情况 。 在线路倒塔事故中,直线塔占 倒塔事故的 92%,耐张塔占 8%;湖南省高 、 低海拔地区均有倒塔事故发生,其他省份则集中发生在海 拔 400m 以上的丘陵山区 。(2 杆塔受损情况分析 。 杆塔损毁主要因为纵 向不平衡张力作用将铁塔拉坏 、 断线冲击荷载作用 将铁塔扭坏和垂直荷载作用将铁塔压坏 。 其中,前 2种类型破坏是主要原因,占倒塔总数的 95%;在杆 塔局部受损中,大多数是地线支架受到破坏,部分 是导线横担受到破坏;设防为轻冰区的铁塔损坏比 例较大, 15mm 及以下轻

11、冰区铁塔损坏比例占总铁 塔损坏的 94%, 20mm 及以上重冰区占 6%。(3 覆冰闪络情况分析 。 在湖南 、 江西 、 浙江 等地区重覆冰情况下,绝缘子串覆冰多呈现冰柱桥 接状态,导致覆冰闪络 。 同时,变电站设备外绝缘 覆冰放电严重,冰柱脱落引发相间短路 。2架空输电线路设计企业标准的编制过 程及主要内容根据对电网冰灾受损原因分析,我国电网轻冰区线路抗覆冰能力偏低,尤其是直线塔和地线部分 更为明显 。 根据国内外抗冰灾的成功经验,有必要 适当提高架空输电线路的设防标准,完善和补充输 电线路的设计规定,提高输电线路应对覆冰等自然 灾害的能力 。2.1架空输电线路设计企业标准的编制过程及依

12、据2008年冰灾发生前,我国架空输电线路的设计标准主要依据 110500kV 架空送电线路设计技术 规程 、 重冰区架空送电线路设计技术规定 等规 程规范 。 多年运行实践表明,我国按现行电网设计 规程所设计的各电压 等 级的输 电 线 路是 合 理 的 。 2008年的雨雪冰冻灾害,已大大超过原设计标准, 导致线路倒塔 、 断线等严重事故 。此次雨雪冰冻灾害后,国家电网公司对原线路 设计规程规范进行认真研究,汲取以往运行经验和 国际上输电线路抗覆冰相关经验 9-15,在现有线路设 计规程的基础上,组织完成了 110750kV 架空输 电线路设计技术规定 (Q/GDW179 等 5项电网建设

13、的企业标准 。新企标 Q/GDW179将 750kV 输电线路设计标准 与 110500kV 进行了统一;适度提高了线路设计荷载类别 覆冰厚度10mm 15mm 20mm 30mm 40mm 50mm 垂直荷载 /%100130175270400540水平荷载 /%100120480640790930纵向荷载 /%10020034060010201300表 1杆塔在不同覆冰厚度下荷载肖智宏等:对架空输电线路设计企业标准的解读41电 力 技 术 经 济 第 21卷 气象条件的设防水平和各级冰区覆冰不平衡张力的 规定值;对输电线路的覆冰厚度进行了合理分级, 制订和完善了中冰区输电线路和重要线路的设

14、计原 则 。 作为常规输电线路设计规定的补充,新企标 Q/GDW181在原重冰区线路设计标准的内容深度和 技术规定上均进行了修订,提高易覆冰地区输电线 路抵御自然灾害的能力 。2.2架空输电线路设计企业标准的编制原则新企标按照安全可靠 、 技术先进 、 防抗结合 、 经济合理的原则,在分析总结覆冰灾害对电网安全 造成的危害和影响的基础上,兼顾工程可靠性和经 济性,修订了全国统一的电网工程设计标准,适度 提高电网设防标准,加强电网抵御自然灾害的能力 。 2.3架空输电线路设计企业标准的主要内容 (1 路径选择 。 针对输电线路走廊资源日趋紧 张的问题,新企标在原规程有关线路路径选择基础 上补充了

15、路径的优选 、 避让及无法避开时应采取的 措施;同时,缩短了轻 、 中 、 重冰区的耐张段长度 。为提高线路抗灾能力,新企标路径章节还增加 了关于限制档距和高差等内容的规定 。(2 气象条件 。 为了适度提高线路设防标准, 同时处理好可靠性与经济性的关系,新企标调整了 架空输电线路气象条件设防水平;在现行设计规程 基础上增加 1020mm 中冰区设计规定,对重要线 路荷载水平进行了补充完善 。新企标还调整细化了安装 、 雷电过电压 、 操作 过电压 、 带电作业等工况的气象条件 。(3 导线和地线 。 为了加强导 、 地线的抗覆冰 能力,在稀有风速或稀有覆冰气象条件下,新企标 将导线弧垂最低点

16、的最大张力和导线悬挂点的最大 张力 (小于其拉断力 的限定值增加 17%,同时限 定了光纤复合架空地线 (OPGW 的设计安全系数 。为了提高线路抗舞动能力,新企标还规定了导 、 地线平均运行张力的上限和相应防震措施 。(4 绝缘配置 、 防雷和接地 。 根据反事故措施 实施办法,新企标调整了各级污区的绝缘配置原则 和绝缘子的爬电距离要求 。 新企标还规定和调整了 一般地区工频电压 、 操作过电压相间最小间隙和空 气放电电压海拔修正系数 。(5 杆塔型式 。 为规范杆塔分类,新企标中明确 了杆塔划分型式;在 Q/GDW182 2008中补充规定了 中 、 重冰区输电线路的推荐和不宜采用的杆塔型

17、式 。(6 杆塔荷载 。 为改善铁塔抗弯 、 抗扭性能, 提高铁塔承载能力,新企标调整了悬垂型和耐张型杆 塔断线时荷载的组合方式和导 、 地线断线张力的取值 范围 。 新企标中还提高了各级冰区导 、 地线及绝缘子 串覆冰后风荷载增大系数和风压高度变化系数 。(7 其他 。 根据国家对环境保护 、 劳动安全 、 工业卫生的相关规定和要求,新企标增设了环境保 护章节 、 劳动安全和工业卫生章节 。3架空输电线路新企业标准的技术分析3.1新企标全面提高了输电线路建设的设防水平新企标参考国家建筑结构设计规定, 10kV 及以 下送电线路设防标准按 15年一遇考虑; 66330kV 电网设防标准由 15

18、年一遇提高到 30年一遇; 500kV 电网设防标准由 30年一遇提高到 50年一遇; 750kV 电网设防标准为 50年一遇;正在建设的特高 压工程设防标准按 100年一遇考虑 。当重现期由 30年提高到 50年,线路设计风速提 高了 5%,风压提高了 10%;塔重相应增加 5.5%,本 体造价增加约 4%,杆塔结构构件可靠度提高了 1个等 级 。 上述数据表明,当重现期由 30年调整到 50年时, 线路造价增幅不太高,但杆塔抗风灾能力提高很大, 新企标对提高线路设计气象条件的设防水平是合适的 。 3.2新企标合理划分了输电线路的覆冰厚度根据对冰灾杆塔受损原因的分析,我国电网按 覆冰在 15

19、mm 及以下设计的线路铁塔,在 2008年的 冰冻灾害中损坏比例高达损坏铁塔总数的 94%,有 必要适度地提高线路的设计标准;但随着线路设计 覆冰厚度的增加,杆塔重量和相应的造价也大幅增 加,为提高线路抗灾能力的同时降低工程造价,新 企标中增加了对 1020mm 中冰区的划分,形成 010mm 轻冰区 、 1020mm 中冰区和 20mm 及以 上重冰区设计覆冰厚度的合理分级 。3.3新企标制定了中冰区输电线路的设计原则 新企标对中冰区线路路径选择 、 导地线选型和布 置方式 、 杆塔型式等有相关的要求 。 中冰区耐张段长 度一般不宜超过 5km ;计算导 、 地线和杆塔自身覆电网勘测与设计4

20、2第 5期肖智宏等:对架空输电线路设计企业标准的解读 冰风荷载时需考虑导 、 地线和杆塔构件覆冰后风荷载 增大的系数 。 新企标对中冰区增加了线路纵向不平衡 张力的取值范围,从而增强了线路抗覆冰过载的能 力 。 同时,中冰区的划分也将线路造价的增幅控制 在一定的范围内,更适于我国电网工程建设的实际 。3.4新企标适度调整了各级冰区不平衡张力的取值输电线路的档距 、 高差以及不均匀覆冰等情况 都会在杆塔两侧产生不平衡张力,当超过铁塔材料 的屈服强度时就会发生杆塔损坏事故 。 表 23是对 7档耐张段模型进行不平衡张力仿真计算的结果 。 在 覆冰率为 100%/30%(杆塔两侧的覆冰率 情况下,

21、各电压等级悬垂塔的不平衡张力的计算结果见表 2。 由于 750kV 输电线路基本上处于轻冰区,因此本文 只对 500kV 输电线路的耐张塔在不同覆冰率下的不 平衡张力进行了仿真计算,结果见表 3。对于杆塔结构设计,纵向不平衡张力主要控制塔 身侧面斜材和塔身横隔面部分杆件,当设计时规定一 个纵向不平衡张力后,人为提高了塔身侧面斜材的受力 和材料规格,从而增加了塔身侧面的刚度 。 通过对冰灾 大量倒塔实例的验算,新企标中调整了线路杆塔纵向不 平衡张力的取值范围 。 无冰区和 5mm 冰区可不考虑不 均匀覆冰情况引起的不平衡张力;轻中冰区导线 、 地 线的不平衡张力取值应不低于表 4规定;重冰区导线

22、 、 地线的不平衡张力取值应不低于表 5规定 。3.5新企标适度调整了各级冰区断线张力的取值 根据对冰灾杆塔受损原因的分析,纵向不平衡张力将铁塔拉坏 、 断线冲击荷载将铁塔扭坏占受损铁塔的 95%。 为适度提高轻中冰区安全裕度,并兼 顾各电压等级线路的适用性,便于工程实际操作, 通过对大量因冰灾倒塔的实例验算,新企标中调整 了线路杆塔断线张力的取值规定 。 轻 、 中冰区断线 张力取值应不低于表 6规定;重冰区断线张力取值 应不低于表 7规定 。3.6新企标补充完善了杆塔设计荷载组合形式 杆塔各构件所受内力主要取决于该点上某一个 方向上的荷载 。 断线张力主要控制塔头部分构件的 受力;不均匀覆

23、冰荷载主要控制塔身斜材的受力; 正常运行情况荷载主要控制塔身主材的受力 。 为 提高线路应对各种灾害的能力,新企标增加了杆 塔设计荷载的工况组合 。 对轻冰区补充了杆塔承 受最大弯矩工况,直线塔和耐张塔均考虑每相导 线和每根地线同时同 向 有 不均匀 冰荷 载 的情 况; 对中 、 重冰区补充了杆塔承受最大弯矩和扭矩 2种工况,直线塔和耐张塔均考虑每相导线 、 每根 地线同时同向有不均匀冰荷载和同时不同向有不 均匀冰荷载 。 同时,为提高覆冰时风荷载 、 地线 垂直荷载及不平衡张力荷载水平,新企标提高了 各级冰区导 、 地线及绝缘子串覆冰后风荷载增大 系数,如表 8所示 。电压等级 /kV覆冰

24、厚度10mm 15mm 20mm 7507.712.116.55009.815.120.122013.620.225.911014.121.428.0表 2覆冰率为 100%/30%条件下各电压等级悬垂型杆塔不平衡张力表 3500kV 输电线路不同覆冰率耐张型杆塔不平衡张力覆冰率覆冰厚度10mm 15mm 20mm 100%/15%30.442.946.5100%/30%24.835.037.1100%/40%11.617.121.8%电网勘测与设计覆冰厚度 /mm 不平衡张力 (最大使用张力的百分数 /%悬垂型杆塔 耐张型杆塔 导线地线导线地线101020304015152535452020

25、304050表 4轻 、 中冰区不平衡张力取值 3-4表 5重冰区不平衡张力取值 6注 :垂直荷载按 75%覆冰计算 。覆冰厚度 /mm 不平衡张力 (最大使用张力的百分数 /%悬垂型杆塔 耐张型杆塔 导线地线导线地线2025464254302950465840335450635038585467注 :垂直荷载按 75%覆冰计算 。43电 力 技 术 经 济 第 21卷 覆冰厚 度 /mm断线张力 (最大使用张力的百分数 /%直线型杆塔 耐张型杆塔 导线地线单导线导线 (双分裂及以上 地线20551001007510030601001008010040651001008510050701001

26、0090100表 7重冰区断线张力取值表 6表 10不同覆冰厚度在相同电压等级下 输电线路造价水平对比覆冰厚度塔材耗量比造价比10mm 轻冰区 1.001.0015mm 中冰区 1.261.1220mm 重冰区 1.801.5730mm 重冰区 3.102.3940mm 重冰区 4.483.3050mm 重冰区5.864.403.7新企标制定了重要线路的设计标准为保证严重自然灾害条件下主网安全稳定运行 和对重要用户的持续供电,新企标增加关于重要线 路的设计规定 。 对于重要输电线路的重要性系数取 1.1,使其安全等级在原有标准上进一步提高;对易 覆冰区段采取覆冰设防加强措施,必要时按稀有覆 冰

27、条件进行机械强度验算;对于运行抢修特别困难 的局部区段线路,采取适当加强措施,提高安全设防 水平;对覆冰地区的重要线路考虑安装线路覆冰在线 监测装置,并采取相应防冰 、 减冰 、 融冰等措施 。4应用新企标架空输电线路的造价分析4.1新旧标准设计的输电线路造价对比 采用国家电网公司线路工程典型设计 5A (500kV 单回线路,导线截面 4×400mm 2,覆冰 10mm ,风 速 30m/s 、 2D (220kV 单回线路,导线截面 2×400mm 2,覆冰 10mm ,风速 30m/s 、 1J (110kV 双 回线路,导线截面 2×240mm 2,覆冰

28、10mm ,风速 30m/s 模块组合方案和典型造价取费标准规定,编制新旧标准下各电压等级 10、 15mm 覆冰输电线路 概算,结果如表 9所示 。 不同电压等级在 10mm 覆 冰条件下,新旧标准输电线路设计造价比在 1.051.11; 15mm 覆冰条件下,新旧标准输电线路设计造 价比在 1.071.22。 在相同电压等级下,输电线路造价 随平地 、 丘陵和山地等地形复杂程度的增加而增加 。新企标在轻冰区和中冰区的线路设计中加大了 纵向不平衡张力的取值,加强了线路的抗覆冰能力, 同时也较好地控制了造价增量 。4.2新企标下不同覆冰输电线路造价的对比如表 10所示,新设计标准下,随覆冰厚度

29、的增 加输电线路造价成递增趋势 。 覆冰厚度由 10mm 增加 至 15mm 时,线路造价增加 12%;覆冰增加到 30mm 时,线路造价增加 139%。5结语通过对冰灾事故及其成因调研和分析,对新旧覆冰厚度 /mm断线张力 (最大使用张力的百分数 /%直线型杆塔耐张型杆塔单导线双分裂 双分裂及以上 地线单导线双分裂及以上地线1050平丘 25, 山区 30平丘 20, 山区 251001007010015504035100100701002050504510010070100表 6轻 、 中冰区断线张力取值 3-4表 8覆冰风荷载增大系数影响对象 覆冰厚度5mm 10mm 15mm 20mm

30、 及以上导线及绝缘子串1.11.21.31.52.0杆塔1.11.21.61.8及以上表 9新旧标准输电线路造价水平对比电压等级 /kV覆冰厚度10mm15mm旧标准新企标旧标准新企标5001.01.051.111.01.131.222201.01.051.091.01.071.131101.01.081.091.01.071.10电网勘测与设计44第5期 肖智宏等：对架空输电线路设计企业标准的解读 电网勘测与设计 线路设计规程规定的异同进行了梳理，认为新企标 的规定更为具体和完善。对执行新标准后线路工程 造价进行了测算。结果表明：随着设计覆冰厚度的 增加，电网工程的造价也会增加，增加幅度视具

31、体 线路设计的覆冰厚度而定。在当前电网快速发展的 关键时期，希望通过对新企标的解读为输变电工程 设计和建设单位对新标准的理解与应用提供参考。 参考文献： 1 国家电网公司.国家电网公司冰灾分析报告R.北京:国家电网公 司,2008 2 Q/GDW 1782008.1 000 kV 交流架空输电线路设计暂行技术规 定S 3 Q/GDW 1792008.110750 kV 架空输电线路设计技术规定S 4 Q/GDW 1802008.66 kV 及以下架空电力线路设计技术规定S 5 Q/GDW 1812008.±500 kV 直流架空输电线路设计技术规定S 6 Q/GDW 1822008.

32、中重冰区架空输电线路设计技术规定S 7 李喜来,李永双,廖宗高,等.电网规划设计标准和电网差异化规划设 13 12 10 9 计研究R.北京:中国电力工程顾问集团公司,2008 8 袁兆祥,张子引,肖智宏,等. 66 kV 及以下送电线路设计标准研究报 告R.北京:国网北京经济技术研究院,2008 张运洲,韩 丰,孙 强,等.大标准化理念在电网规划设计中的应用分 析J.电力技术经济,2008,20(1:1-7. 王 乐,孙 强,刘建琴.中外应对电网冰灾事故措施对比分析J.电 力技术经济,2008,20(2:6-10. 11 王 帅,李 隽,张正陵.应对台风灾害华东沿海的电网建设策略分析 J.电力技术经济,2007,19(5:8-22. 张双萍.浅谈电网企业如何加强工程造价管理J.电力技术经济, 2006,18(6:40-42. 黄 怡,王智冬.2007 年 500、330 kV 电网建设发展特点的量化分 析J.电力技术经济,2008,20(3:24-28. 14 汪亚平,韩 丰,黄宝