专题14 全寿命周期设计优化及成本分析

#专题报告

全寿命周期设计优化及成本分析摘要输电线路工程全寿命周期设计建设，是国网公司标准化建设重要组成部分，是国网公司资产全寿命周期管理工作的一个重要环节。推行全寿命周期设计建设，对推动标准化建设理念和方法创新，完善标准化建设内涵引领标准化建设方向，提高标准化建设水平具有重要意义。设计作为输电线路项目全寿命周期管理的龙头环节，全寿命周期设计意味着，在设计阶段就要考虑到产品寿命历程的所有环节，以求产品全寿命周期所有相关因素在产品设计阶段就能得到综合规划和优化。针对国网公司提出的“建设工程全寿命周期管理”的先进理念，我院结合建设工程实践和招标工程实际情况，从输电线路安全可靠性、可维护性、可扩展性、节约环保性、可实施性、可回收性和全寿命周期成本最优的要求出发，通过科学分析，吸收输电线路设计建设中的先进经验，对线路路径选择、导地线选型、绝缘子和金具、杆塔规划及优化、基础选型及优化等方面提出了落实输电线路全寿命周期设计建设的具体要求和措施。本专题报告根据全寿命周期理论，结合以往输电线路经验本工程的特点，主要完成了三部分内容：首先简要论述了全寿命周期管理的基本理论，对全寿命周期管理的意义、全寿命周期的目标、全寿命周期的主要特点、全寿命周期不同阶段的划分和全寿命周期管理的设计理念等进行论述；其次重点论述了全寿命周期理念下的技术创新和优化设计，通过创新设计、精细化设计把全寿命周期的理念落实到具体的杆塔优化、基础优化、绝缘子和金具的优化及新材料、新工艺的应用中去；最后给出了建设工程全寿命周期管理措施的几点建议及结论。目录TOC\o"1-5"\h\z全寿命周期管理的基本概念712规划设计在全寿命周期管理中的作用712全寿命周期管理及技术创新的基本思路716全寿命周期管理及技术创新的目标716全寿命周期管理及技术创新的设计思路717基于全寿命周期及技术创新的优化方法719输电工程全寿命周期成本要素719优化模块的划分721本工程全寿命周期及技术创新分析研究722导线模块的全寿命周期及技术创新分析研究722地线模块的全寿命周期及技术创新分析研究731绝缘模块的全寿命周期及技术创新分析研究735金具模块的全寿命周期及技术创新分析研究740铁塔模块的全寿命周期及技术创新分析研究748基础模块的全寿命周期及技术创新分析研究757对于全寿命周期管理各阶段的建议761项目决策正确性和建设周期的合理性761提高架空输电线路设计技术水平，改变设计理念762构成架空输电线路各元件、材料的质量765架空输电线路施工质量765架空输电线路运行维护水平766结论769全寿命周期管理的基本概念建设项目全寿命周期管理(lifeCycleManagement简称LCM)源于全寿命周期成本分析(LifeCycleCost,简称LCC),是全寿命周期成本分析(LCC)在组织管理上的进一步扩展和完善。建设项目全寿命周期的主要组成部分就是项目从构思到拆除的全寿命周期过程,主要可以分为项目决策阶段(包括初步可行性研究、可行性研究)、项目建设阶段(包括初步设计、施工图设计和施工建设)、项目使用和维护阶段、项目废除回收阶段。输电线路建设项目全寿命管理的思想是要求建设输电线路生产和使用过程一体化,即在项目的建设过程中充分考虑使用的情况,通过输电线路的设计、建设、运营等环节的充分结合,使项目创造最大的经济效益、社会效益和环境效益。输电线路建设具有很强的时间性、地域性和资源性,在输电线路的全寿命周期设计中,不但要从设计阶段就考虑线路各组成部分的一次投资成本,而且要充分考虑工程特点及降低运行损耗、维护费用的要求,使输电线路工程全寿命周期成本在满足适用性、安全性、耐久性、环境友好的前提下实现最优。全寿命周期理论更加注重资源节约,环境友好、可持续发展,更加注重全寿命期内的功能匹配、寿命协调和费用平衡。在输电线路工程的规划、建设、运行维护及设备退役中注重系统优化、全局优化及费用优化,注重社会效益和经济效益的平衡和多赢。规划设计在全寿命周期管理中的作用工程项目全寿命周期,按费用的发生划分为“规划设计、施工安装、运行维护、报废回收”4个阶段,覆盖了工程项目的整体存续时间。工程全寿命周期管理不是片面地要求控制单个环节投资最省,而是要根据工程建设的需要,全面合理地进行投资分布,从更长的时间范围考虑工程总费用,更合理地评价投资的效益。在建造阶段即规划设计、施工安装过程中，要保证符合环保要求和项目质量、工期和成本之间的平衡；在运营期间保证安全、可靠、高效益；在工程寿命终结期的拆除、处理成本最低、环境影响最小；最终实现项目全寿命周期效益的最大化。影响项目投资最大的阶段，是约占工程项目建设周期1/4的技术设计前的工作阶段。在可研设计阶段，影响项目投资的可能性为75%〜95%；在初步设计阶段，影响项目投资的可能性为35%〜75%；在施工图设计阶段，影响项目投资的可能性为5%〜35%。很显然，项目投资控制的重点在于施工以前的投资决策和设计阶段，这两个阶段的费用成本通常不超过工程总体投资的3%，却决定着几乎全部随后的费用。施工阶段至工程寿命期结束，即使通过各种技术措施努力节约工程造价，但效果仍不明显，仅约为10%。由此可见，控制工程造价的关键在于施工以前的投资决策和设计阶段，而在项目做出投资决策后，控制工程造价的关键就在于设计阶段。项目在其全寿命周期内的各个阶段，时刻都在消耗费用和发挥效益。不同的设计方案造成的工程成本和效益是不尽相同的。一般而言，设计方案的高可靠性、安全性和高标准，必然带来高造价，随之带来的应是运营的低成本；反之，则将会使运营成本提高。由于各项成本费用均需考虑资金的时间价值，因此，适宜的设计方案将会使项目全寿命周期费用最省、效益最大。在传统意义的电网建设中常常发生两种偏差：为追求建设成本的节约，造成设计标准不够或施工不达标，使工程竣工后不能安全可靠运行而导致过高的事故损失；过度追求运行安全而造成设计施工较为保守，致使建设成本的浪费。这种情况以“电力线路全寿命周期费用组成曲线”的形式示意如下：工程项目所实现设计标准越高，建设成本C1越大，使用成本C2越小；而工程实现设计标准越低，建设成本C1越小，其后的使用成本C2则越大；因此我们需要找到这样一个平衡点Cmin，来实现线路工程全寿命周期费用最小而设计标准最大化，即在尽可能的提高线路设计标准的前提下实现建设成本、使用成本最小化。12C:建设成本（决策、设计、施工费用）1C:使用成本（管理、运行维护费用及电能损耗）。2电力线路全寿命周期费用组成曲线为了能在工程寿命中达到这样一个合理的平衡点，我们将本线路工程的建设环节和设计方案逐一分解，确定费用因素，分析其费用比例和费用弹性，在设计方案中着重进行研究优化，从而在本线路工程设计中贯彻建设工程全寿命周期管理的措施、方案，在多个设计方案的比选和优化中，从项目全寿命周期的视角，在各方案技术可行的基础上，以技术方案在整个寿命周期内的费用现值最小为原则，作为技术经济优化后的推荐方案。国内外大量的统计实例表明，规划设计阶段是影响工程造价的关键阶段，对建设成本（一次性设置费用）、运行成本（包括损耗和日常运维、管理费用）具有决定作用。因此在项目做出建设决策后，控制工程造价的关键就在于设计阶段。工程项目要在建设过程中节约投资和建成后安全稳定并取得良好的经济、社会效益，设计环节起着决定的作用。因此在全寿命周期管理中应引入全寿命周期设计的概念，这就意味着，在设计阶段就考虑到线路全寿命历程的所有环节，以求线路全寿命周期所有相关因素在设计阶段就能得到综合规划和优化。因此，从全寿命周期管理理念出发，在设计阶段着重做好以下几个方面的工作：①分析输电线路工程的构成和全寿命周期费用成本构成，找出各个环节费用成本的主导因素，通过敏感性分析，确定这些因素变动对线路全寿命周期成本的影响程度，作为对路径选择、铁塔规划、导地线选择、金具、铁塔优化、基础选型等各方面设计方案的设计一比较一取舍的评价标准，使得工程投资能在工程项目整个续存期内取得最佳的经济和社会效益。加强设计质量过程控制，实施工程项目的风险评估，控制工程风险，考虑施工和运行维护方便，为规划设计、施工安装、运行维护、报废回收等全过程中落实全寿命最低成本管理原则创造条件。线路工程的建造质量、进度、造价，直接和间接地影响到移交生产运行后的经济效益，影响着运营期间的安全性和可靠性、资金成本（建设期贷款利息），发挥效益的时间、建造成本。项目的多目标属性决定了其质量、进度（工期）和造价三者之间相互影响、相互制约。高质量必然导致高造价和工期的延长；压缩工期将会使质量下降和成本投入增加；降低造价很可能会使工程质量打折和延长工期。因此设计方案应在在满足环境保护、和项目社会影响效果的基础上，实现工程质量、工期、造价的平衡。由于项目的生命周期属性，决定了其客观上所具有的不确定性。即随着项目的进展，各种影响项目质量、进度和造价的因素逐步清晰、明朗因此设计单位应在项目建造过程中根据客观环境的变动，随时提供技术支持服务，对影响质量的关键点提出建议和制定措施。结合设计、施工过程中的实际，将所有发生变更设计和设计变更编入工程竣工图，使竣工图真实、客观地反映工程建成实际，作为运行单位今后的工作依据。全寿命周期管理及技术创新的基本思路全寿命周期管理及技术创新的目标全寿命周期管理，是立足我国国情，以科学发展观为指导，适应新的发展要求提出来的新理念和新方法。它以资产作为研究对象，从系统的整体目标出发，统筹考虑资产的规划、设计、采购、建设、运行、检修、技改、报废的全过程，在满足安全、能效的前提下追求全寿命周期成本最优输电工程的全寿命周期管理着重体现输电工程对社会和历史的贡献；以节约能源、保护环境，实现全面可持续发展为目标；实现低投入，高产出、少排污、可循环的生产模式。要“加强能源资源节约和生态环境保护，增强可持续发展能力”，“必须把建设资源节约型、环境友好型社会放在工业化、现代化发展战略的突出位置”，落实到输电工程设计上就必须进行输电工程的全寿命周期设计。基于全寿命周期管理的输电工程设计，就是在全寿命周期理念的指导下，兼顾输电工程的建设运营成本和社会成本，兼顾工程全过程各阶段的协调，兼顾环境友好、资源节约，积极鼓励技术创新，大力推广新技术、新工艺、新材料应用，提高资源利用率，减少环境破坏和污染，建设“资源节约型、环境友好型”输电线路，以实现输电工程全寿命周期成本最低。

全寿命周期管理及技术创新的设计思路根据电网资产管理的实际情况和特点，全寿命周期划分：规划设计阶段、采购建设阶段、运行检修阶段、和技改报废阶段。技术创新作为一种动力因素贯穿与全寿命周期4个发展阶段的始终，与全寿命周期相互作用，相互影响。技术创新，以市场为导向，首先是适应先进生产力发展的时代要求，促进新技术、新材料、新工艺的不断开发与应用，是实现全寿命周期成本优化的关键性技术因素。伴随着更快的技术创新，输电工程的资产寿命周期成本也在不断降低，不断创新的技术组合也给输电工程的全寿命周期赋予持续性的活力，为输电工程的设计与规划提供更广阔的空间；但全寿命周期的有限性又给输电工程的技术组合带来了的脆弱性和不稳定性，促进技术组合及设计方案不断完善，激励技术不断实现持续创新。二者相互促进，互为动力，最终形成有利于社会，有利于历史的良性循环。•输电工程全寿命周期1]规划设计采购建设工程建设年度计划檢算投运转资设备招投标•输电工程全寿命周期1]规划设计采购建设工程建设年度计划檢算投运转资设备招投标TTTT1F技术创新■图3.1-1输电工程全寿命周期管理与技术创新的相互关系从设计角度，立足与规划设计阶段，技术创新主要体现“两型三新”技术的应用上。采用新技术、新材料、新工艺的设计方案要以建设“资源节约型、环境友好型”的“两型三新”输电线路为目标，对规划设计方案进行全系统的、全过程、全费用的优化，并为电网建设的施工、加工、运行、维护、设备材料更新、工程残留处理等过程最优创造条件，提高能源资源利用效率，提高电网的可靠性水平，提高输变电工程技术经济性。“两型三新”输电线路的建设，是资产全寿命管理理念融合技术创新思想，在线路工程建设中的具体应用。以技术创新为前提，积极新技术、新材料、新工艺，兼顾全过程，统筹考虑工程建设成本与运行维护成本，体现线路各构成部分功能协调、全寿命周期协调，对输电线路建设全过程进行统筹优化、全局优化，实现输电线路安全可靠，工程建设可持续发展以及资产全寿命成本最优。“两型三新”设计方法：综合考虑工程建设成本与运行维护成本，合理确定整个输电工程的可靠度，加强技术集成和统筹优化，从路径选择、气象条件、导地线选型、绝缘配合、杆塔排位、杆塔选型和基础设计等环节进行多方案综合比选和优化。“两型三新”设计寿命：综合论证导地线、绝缘子、金具、杆塔、基础等各部分的寿命配合，研究线路各组成部分和整体的寿命指标评价体系和合理强度匹配，加长“短板”，削短“长板”，实现部件匹配和整体优化，实现全寿命周期内的协调本专题以全寿命周期和技术创新为基础，综合考虑工程建设成本与运行维护成本，从走廊规划、路径选择、导地线选型、绝缘配合、金具选择杆塔规划和基础设计等环节，对新型杆塔、新型基础、新型导线、节能金具和预绞式新式金具、杆塔材质等新技术、新材料、新工艺进行了分析和推荐。基于全寿命周期及技术创新的优化方法输电工程全寿命周期成本要素输电工程全寿命周期成本(LCC)指的是输电工程经济寿命周期内，所支付的总费用，由以下几部分组成：一次投资成本(InvestmentCostS,也称基本建设成本，简称IC；运行成本(OperationCostS，简称OC；故障引起的中断供电损失成本(FailureCostS，简称FC；设备的报废成本(DiscardCosts，简称DC。见下图。图4.1-1输电工程全寿命周期成本构成因此输电工程全寿命周期成本可用以下模型表示：LCC=IC+OC+FC+DC一次投资成本(IC)所谓一次投资成本，也称基本建设成本(IC)，就是指在输电线路建设和调试期间内，在输电线路工程正式投入运行以前，所付出的一次性成本一般包括：工程本体费，包括土石方工程，基础工程、杆塔工程、架线工程、附件工程等。辅助设施工程费，包括巡线检修工程、巡线检修道路工程等。工程其他费用，包括建设场地征用及清理费、项目建设管理费、项目建设技术服务费、系统调试费、辅助施工费、基本预备费等。4.1.2运行维护及大修技改成本(oc)运行维护成本。运行维护成本多数与输电线路的电压等级与线路长度有关，主要包括能源消耗成本、日常维护保养成本、人工成本、环境成本和其他成本，属于年度周期成本，即每年都会发生的成本。输电线路的运行成本，就是指线路运行期间所花费的一切费用的总和，包括：能耗费、人工费、环境费用、维护保养费以及其他费用。能耗成本：主要是指在全寿命周期内线路运行时所需要的能源消耗。人工成本：主要是指在全寿命周期内，运行或管理该设备所需的人工报酬，即管理、运行和维护人员的工资。环境成本：是指建立设备运行环境所需的费用，如基础、减振、消防、噪声隔离、罚款、洁净和油漆等费用。。维护保养成本：主要是指在全寿命周期内更换零部件等备件的费用，以及抢修、维护、试验、监测和巡检等所需要的材料费、人工费、交通费等。大修技改成本。大修技改成本分为大修成本和技术改造成本，分析中为了方便起见，把它们组合在一起，但应该注意这两个成本之间有着明显的不同。其中，大修成本是和设备维护有关的时间进度计划成本，是为了维护设备的正常运行而必须采取的维修措施。技术改造成本是指利用国内外成熟、适用的先进技术、设备、工艺、材料等，对现有落后的生产运行设备、设施，以及配套的辅助设施进行的完善、配套和更新改造的所有费用。属非年度周期成本，即不是在研究周期范围内每年都发生的成本。为了简化分析，所有非年度周期成本发生在它们实际发生的年末。4.1.3中断供电损失成本(FC)随着高新技术的发展，将出现更多对电敏感的工业。目前，用户对中断供电的抱怨还在逐年增加。供电中断使电力企业减少供电量和售电收人对用户造成一定的经济损失。因此，在电力系统规划和运行中，电力企业把线路故障(事故)引起中断供电损失(FC)作为自己的成本是符合实际的，能较好地与供电可靠性联系起来，尽管相关用户停电损失还不用补偿。4.1.4报废成本(DC)报废成本(DC)指工程全寿命周期结束后，清理、销毁该产品所需支付的费用。不同类型、用途的产品报废成本是不一样的，有些可以产生一定数量的残值收入，用以冲销有关的费用，这种报废成本应为负值，如设备的正常报废；而有些不仅不能产生任何残值收入，而且需要花费大量的资金用于其报废和清理，这种报废成本为正值，如化学产品和核产品等。在产品报废的过程中，既需要消耗一定的人力、物力、财力，又有可能产生一定的收入，所以，应该认真进行核算。这部分费用一般是以以往的历史数据作为参考，进行大体的估算得出的。优化模块的划分按照输电线路在全寿命周期的运行规律，结合国网公司全寿命周期管理理论，以技术创新为核心，对本工程的运行系统进行模块划分。根据输电线路六个主要构成部件将本工程的全寿命周期管理优化分为六个模块：导线模块、地线模块、绝缘子模块、金具模块、铁塔模块和基础模块，分别进行模块管理，以实现本工程全寿命周期成本的优化。运用输电工程全寿命周期成本的计算模型(LCC=IC+OC+FC+DC，按照模块划分，结合各个模块采用的新技术、新材料、新工艺情况，主要针对以下几个方面进行方案比选、设计优化：1)导线模块的全寿命周期及技术创新分析研究；2)地线模块的全寿命周期及技术创新分析研究；绝缘模块的全寿命周期及技术创新分析研究；金具模块的全寿命周期及技术创新分析研究；杆塔模块的全寿命周期及技术创新分析研究；基础模块的全寿命周期及技术创新分析研究。本工程全寿命周期及技术创新分析研究导线模块的全寿命周期及技术创新分析研究导线选择对输电线路的输送容量、传输性能、电磁环境(电晕、无线电干扰、可听噪声等)和技术经济指标都有很大的影响，决定了工程建设的规模、标准及功能，最终影响设计概算费用，确定投资的最高限额，对工程造价的影响较大，而导线作为输电线路电功率的载体，是保证安全运行的重要组成部分。高压架空输电线路架线工程投资一般占工程本体投资的比例较大，而且导线方案的变化会引起杆塔和基础工程量的变化，所以导线选型对整个工程的造价影响巨大，导线选型直接关系到整个线路工程的建设费用以及建成后的技术特性和运行成本。根据我国导线制造标准，参考国内输电线路常用的导线型号，结合大量220kV、330kV、500kV线路、750kV以及特高压线路的研究成果和已建成线路的经验，综合考虑本线路气象条件，选取钢芯铝绞线、铝合金芯铝绞线、中强度全铝合金绞线和超耐腐蚀铝合金芯铝型线等四类6种导线进行比较，具体型号和参数如下表所示。

序号导线组合直径(mm)截面(mm单重(kg/m：拉断力(N)弹性量(MPa)20C直流电阻热膨系数1C16XJL/G4A0/3!526.8425.2,!1347.!510367()650000.073!92.05E-026XJL/G4A0/5(027.6451.51509.:12295()690000.072,41.93E-036XJL4/LH10/22026.8426.2：31178.[98690550000.07182.30E—046XJLHA2526.8426.2：31174.110231()550000.070!52.30E—056XJL4X/LHA1-270/23o58:503.7：31386.:11150()550000.059!92.30E—064XJL4X/LHA1-575屈o75)785.0(52169.315196()550000.037：32.30E—0表3.3-1导线型号及主要特性年费用算法及边界条件考虑本工程的远景规划，随着输送功率的增加，导线的电阻损耗随之增加。为了进一步比较不同导线结构，本节对已上导线方案在不同输送功率下的年费用进行了计算。年费用法能反映工程投资的合理性、经济性。年费用包含初次年费用年运行维护费用、电能损耗费用及资金的利息。将各比较方案按照资金的时间价值折算到某基准年的总费用平均分布到项目运行期的各年，年费用低的方案在经济上最优。按电力工业部(82)电计字第44号文《颁发“电力工程经济分析暂行条例”的通知》第十五条经济计算-年费行最小法的计算方法，线路工程简化计算公式为：折算到工程投运年的总投资：NF=Z-r-(L+NF=Z-f——(4.1-1)\1+r)n—1(4.1-1)0NF——年平均费用(万元)(平均分布在m+l到m+n期间的n年内)；

n——工程的折旧年限；Z——折算运行年的工程总投资（万元）Z=£Z•G+r'）m+i~t口t0（4.1-2）t——从开工这一年起到计算年的年数m——工程施工年数；Zt――第t年的建设投资（万元）;电力工业投资回收率；卩一一折算年运行费用（万元）,•G1+r(•G1+r(；+J“-11(1+r>-m0(4.1-3)to――工程部分投产的年份；ut运行费用（万元）。根据标书给出的要求,按照折旧年限40年计算；线路的传输功率为1355MW，运行电压为750kV,功率因数为0.95；施工期按2年计，第一年投资为40%；年最大负荷小时数按5000h计；设备运行维护费率为1.4%；电力工程回收率按工程投资的8％计；上网电价按0.28元/度和0.4元/度计。2）一次投资成本导线的一次投资成本由导线购买费用及安装费用组成。导线的购买费用可根据表中的导线单价乘以导线的总量得到。所以，初始费用就是导线的购买费用，备选导线的型号和费用比较如表4.2-1所示：比较项目备选导线计算重量（t/km）每公里导线耗量（t/km）导线价格（万元/t）导线费用（万元/km）6XJL/G1A-400/351.347524.2551.4034.066XJL/G1A-400/501.509327.1671.3636.976XJL4/LHA1-210/2201.178121.2051.5332.442XJLHA3-4251.174421.1391.5332.346XJL4X/LHA1-270/2301.386324.9531.639.934XJL4X/LHA1-575/2102.169826.0371.6141.92表4.2-1参选导线型号及费用比较表由于本次所参选的以上导线方案对铁塔的水平、垂直荷载，张力及弧垂特性均有所不同，在不考虑通用设计的情况下，各导线方案所对应的最优杆塔方案也是有差异的。为准确计算其对铁塔和基础的影响，在路径优化的基础上，切出本工程的断面图，将道路、河流、高速公路、高等级电力线等重要的交叉跨越调绘进断面图，然后进行无约束排位，在此基础上采用塔重数据库法结合基本的力矩计算公式，考虑导线型号、分裂根数、长短腿设计、荷载取值、高度影响、转角度数影响、主材角钢断面型式等各主要因素的影响，得出设计荷载与塔重的关系式，借助计算机求解各种组合因素下的塔重指标并进行设计优化。设计荷载与塔重的关系式如下：Fc单(式4.2-1)二KKKKKKKKK(1.44+—a)H(T3+Vt+Fc单(式4.2-1)上式中：T-导、地线水平荷载水平风荷载总和，T=工t，轻冰区取大风工况,中、重冰区取覆冰工况；V-导、地线垂直荷载总和;L-导、地线不平衡张力总和，直线塔取0,耐张转角塔取大风工况;a-横担最大长度（以杆塔中心起算）；

H-水平荷载影响高度，H二工ht/工t；t-导线、地线水平荷载，轻冰区取大风工况，中、重冰区取覆冰工况;h-导、地线水平荷载水平风荷载作用点高度（以地面起算）；K0-比例系数，叫’-0-8675；K1-长短腿设计影响系数；K2-OPGW开断影响系数；K3-起算高度影响系数,（hK3-起算高度影响系数,（h丫」K=起算呼咼3Ih丿呼称高K4-塔身风荷载影响系数，当设计风速VW30m/s或V〉32m/s，（30）0.8=—I4IV丿；K5-覆冰厚度影响系数;（Q）0.2K6-转角度数影响系数，以20°为基础转角度数影响系数，行=［五丿；K7-主材角钢断面型式影响系数，主材角钢断面型式为双角钢时K7=1.1；K8-导线分裂数影响系数。我们根据各导线方案的荷载分别计算了对应的塔重和基础，在相同的边界条件下，将影响折合成本体投资后，以6XJL/G1A-400/35为基准，比较结果如下：表4.2-2导线荷载对铁塔、基础影响（万元/km）备选导线铁塔和基础（万元/km）6XJL/G1A-400/35296.776XJL/G1A-400/50304.796XJL4/LHA1-210/220294.346XJLHA3-425295.64备选导线铁塔和基础(万元/km)6XJL4X/LHA1-270/230299.714XJL4X/LHA1-575/210295.76注：⑴铁塔基础影响、导线影响费用以6XJL/G1A-400/35为参考值制定，不影响计算结果。(2)铁塔按照0.68万元/t,金具按照2.0万元/to运行损耗成本计算导线的运行成本,包括：能耗费、环境费用、人工费、维护保养费以及其他费用,由于备选导线的抗拉强度和拉断力等参数均满足设计裕度要求,因此,这里人工费和维护保养以及环境费用均相似,其成本不影响最终结果，为简化起见只考虑能耗费。能耗费：主要是指线路运行时导线的电能损耗。假定：线路运行时每相电流为I,电阻损耗为P0,电晕损耗为Pk,根据标书要求,可求得：输电线路的年损耗电量：AWz=Pox5000+Pkx8760，设电费为a元/kWh,则一年的损失的电费为AWzxa电阻损耗的计算：导线温升对电阻的影响导线在正常工作时，其电阻随着自身的温度而改变。当电流较大时，导线温升增加，自身电阻增大，损耗加大。导线热传递过程中有传导、对流、辐射三种方式,其中热传导是在钢芯和铝导线之间进行,由于这些材料的热导率很大，因此，温差很小。导线表面和周围空气之间还存在着对流和辐射散热。导体表面对流散热部分的计算公式：Q1=h(T-TB)Fa(4.3-1)式中，Q1为对流散热量，h：对流换热系数(膜传热系数)；Ts:导线表

面的温度；TB:周围空气的温度。Fa为单位长度导体的对流散热面积。当不考虑风速的影响时，空气的自然对流散热系数可按照下式选取：h二h二1.5(T-T)0.35sB(4.3-2)导体向周围空气辐射的热量可根据斯蒂芬－波尔兹曼方程求解：Qf=5.7Qf=5.7s[((273+-)4—严+T)4)F100100b■s(4.3-3)式中，Qf为辐射散热量，£：导体的辐射系数，对于钢芯铝绞线，这里取0.9；Fb为单位长度导体的辐射散热面积。若导线额定电流为I,电阻为R,导线外径(半径)为r,其单位长度的功耗为：，将该式代入上式可求得单位长度导线表面温度表达式：功耗为：+TB+TB(4.3-4)用该温度对导线的电阻进行修正，可得：R'=R*(1+(T-20)*a)(4.3—5)s式中，a为导线材料的电阻温度系数。为了计入温升对导体电阻的影响，计算过程采用循环求解的方法，设定初始温度，以0.1度作为增量，计算特定的表面温度下的Q1和Qf,然后再根据温升修正导线的电阻，当单位长度的导体发热量与散热量之间的差与导体发热量之比小于指定的参考值时(如Err〈0.1%)，计算停止，如下式所示：化=(12R-(Q1+Q))/(12R)(4.3—6)集肤效应的影响当导线通一交流电流时，交变的电磁场会在导线中感应涡流，涡流抵消了一部分电流的作用，产生集肤效应。集肤效应使得导线在交流电流作用下等效电阻增大。导体的交流电阻可采用下式计算：

(4.3-7)R二RK(4.3-7)acdc式中：Rdc为单位长度导体的直流电阻，Kf为集肤效应系数，Kf与电流的频率、导体的形状和尺寸有关，这里采用圆柱(环)导体的集肤效应系数相关试验数据进行计算。电晕损耗的计算当导线表面的电场强度超过空气击穿强度时，靠近导线表面的空气被击穿，就将电能转换为光、热、声能。这种能量损失就是线路的电晕损失。电晕损失同导线的表面电场强度、临界电场强度、天气条件有关。而临界电场强度同导线的表面粗糙系数、导线的外径有关，通常采用皮克公式计算：E=3.03m(1+0.3/&)MV/m(43-8)式中，m为导线表面粗糙系数，r为导线半径。导线表面的电场强度同导线的对地高度、导线半径有关，这里采用逐次镜像法进行计算。根据线路所经过地区的气候参数(即晴天、雨天、雾天雪天的统计数据)，可计算出线路的年平均电晕功率损失：n2rn2r24P=乙k8760n=1EF(l)*tn2n83E

nm0(4.3-9)式中，Em为导线表面电场强度最大值；Fn()对应于各种天气下的电晕损失，＜5n为修正系数；tn为各种天气的小时数。按照上述的计算方法，对已上的导线进行计算，计算结果为单回路单位长度(km)的值：计算结果如表所示

表4.3-1单位长度单回线路的电量损失比较目20(电且(fYkm)电阻损失P(kW/km电损失)P(kW/km：电量损失)(kWh/km•年电量损失万元」/km•年.28二元度6XJL/G4A0/350.0739)47.981.441853255.196XJL/G4A0/500.0724:46.881.441810505.076XJL4/LHD/2200.0718:45.161.441747504.896XJLH4250.0705)44.371.441717874.816XJL4X/LHA1-270/2300599)39.281.441527004.284XJL4X/LHA1-575/21(00373；45.361.441755004.91全寿命周期成本按照上述的计算方法，根据本工程轻中冰区线路的实际情况，对以上类型的导线进行计算，各个费用的计算结果如下。表4.4-1折合到投运年的单位长度每回线路全寿命周期费用(万元/km)备选导线电价0.28元度全寿命周期费用电价0.40元度全寿命周期费用6XJL/G-A00/3531.9340.626XJL/G-A00/5032.3941.086XJL4/LHA110/22032.0640.696XJLHA42531.8840.236XJL4X/LHA1-270/23030.0139.884XJL4X/LHA1-575/21032.0540.59由表4.4-1可知，6XJL4X/LHA1-270/230的年费用最低，这是因为将导线截面增大后，导线直流电阻下降，运行中的导线电量损耗将显著下降全寿命周期内的电量损耗和明显降低。推荐本标包边相导线型号为4XJL4X/LHA1-575/210超耐腐蚀铝合金芯铝型线导线，中相导线采用6XJL4X/LHA1-270/230超耐腐蚀铝合金芯铝型线导线。地线模块的全寿命周期及技术创新分析研究地线选择主要原则一般工程的地线选择主要从地线的机械性能、电气性能、防腐性能等方面考虑，此外还需满足分流时热稳定要求和防电晕要求。根据招标文件和可研报告，本工程架设2根普通地线。地线选择的主要原则如下：(1)热稳定要求：导线和地线间短路时，地线通过短路电流引起的温升应满足铝包钢线小于300°C，镀锌钢绞线小于400°C。机械强度要求：设计荷载时，地线安全系数应大于导线安全系数。验算荷载时，其过载应力小于70%拉断应力。满足导地不均匀覆冰时，静态接近的要求及导线脱冰跳跃和覆冰舞动时，动态接近的要求。根据防雷要求，配合导线取得合理的地线支架高度及防雷保护角。地线最小直径还应满足地线不发生电晕。以下对地线型式进行简要论述。地线直径在《110kV〜750kV架空输电线路设计规范》(GB50545-2010)中规定，750kV线路的导线截面在400mm2及已上时，地线如采用镀锌钢绞线，最小标称截面不应小于100mm2。地线型式目前常用的地线有镀锌钢绞线和铝包钢绞线两种型式。镀锌钢绞线为最常采用的地线形式，运行历史较长，价格便宜，覆冰过载能力较强。铝包钢绞线与镀锌钢绞线相比，具有导电性能好、单重轻表面光洁度较好、耐腐蚀性能强、运行寿命长等优点，但价格稍高。地线型号选择地线型号选择时，要求同时满足地线的热稳定要求和导地线配合要求。本工程地线应尽量选择拉重比较大的地线与导线配合，同时还要满足单相接地短路时的分流要求。目前750kV线路地线选择一般有普通钢绞线与铝包钢的两种，根据设计竞赛有关资料及对运行单位收资本工程附近线路运行经验，我们认为导地线寿命均应达到30年以上。由于地线接地时，其能耗与电阻成反比，因此当地线接地时应尽量提高地线电阻。由于价格较低、同时能耗较小，因此单纯从年费用角度考虑镀锌钢绞线明显优于铝包钢线。但另一方面，地线还要满足与单相接地短路时的热稳定要求。1)地线参数选择根据系统资料，我们计算了本工程的短路电流曲线，并依此为原则初步选择了铝包钢绞线JLB40-150、JLB20A-100、GJ-100配合。地线参数见表5.1-1。表5.1-1地线主要参数一览表地线型号JLB40T50JLB20A-100GJ-100面积(mm2)148.07100.88100.88外径(mm)15.7513.0013.00单位重量(kg/m)0.69670.67410.839820°C交流电阻(/km)0.29520.8524/额定拉断力(kN)90.62121.660124.003)全寿命周期费用比较对于地线的选型，按照100mm2截面，可采用普通镀锌钢绞线GJ-100或铝包钢绞线。两种地线机械特性均能满足工程要求。但是从电气性能来说，铝包钢绞线比钢绞线更优越，且铝包钢绞线具有导电性能良好、防腐蚀、寿命长等优点，因此有必要对两种地线进行LCC分析比较。送电线路的运行经验表明,镀锌钢绞线一般运行10〜15年后即会锈蚀，强度降低，甚至出现断线事故，因此在10〜15年左右需进行更换。考虑铝包钢地线的使用寿命与钢芯铝绞线大致匹配（约40年），因此在线路投运年内不用换地线。根据标书要求，折旧年限按30年，下面用费用现值（Cp）比较法进行地线LCC比较。普通钢绞线GJ-100价格约7400元/吨，折合约6215元/km；铝包钢绞线JLB20A-100价格约14000元/吨，折合9930元/km；两者价格比值是1.598倍。另外更换地线会产生费用（包含施工、附件金具、其他费用），按8000元/km考虑。更换地线按照计划停电考虑，不计停电损失。年投资回报率按8％考虑；由于资金具有预期的收益，今后使用的资金和当前资金比较时必须考虑折合现值，也就是考虑资金的时间价值。采用普通钢绞线GJ-120折合现值后与铝包钢绞线JLB20A-100的比较如下。表5.1-6地线折合费用现值投资比较表（万元/km）更换周期项目投资建设费用15年更换费用合计费用JLB20A-10016920/16920GJ-10015400448118696由上表可知，铝包钢绞线JLB20A-100的全寿命周期费用比GJ-100要低，铝包钢绞线由于其良好的导电性能，更好的表面光洁度，对输电线路电磁污染的抑制、提升地线的短路热容量方面都具有很好的效益。4）地线选择综上所述，铝包钢绞线JLB20A-100与镀锌钢绞线GJ-100相比，具有导电性能好、单重轻、耐腐蚀性能强、运行寿命长的优点，且其抗冰过载能力较GJ-100要好。导地线配合参照《110kV〜750kV架空输电线路设计规范》(GB50545-2010)规定，导线和地线的设计安全系数不应小于2.5，地线的设计安全系数，宜大于导线的设计安全系数。本工程地线安全系数根据导地线弧垂配合结果进行选择。OPGW光缆选择光缆应用新型铝包不锈钢管光单元的OPGW-120光缆，这种光缆无需填充油膏来抗击电腐蚀。因为这种光缆不锈钢管表面的铝包层直接与其他的铝导线相接触，同种金属之间不会形成电位差，因而不存在由于金属电势而产生的腐蚀，即使应用在临海重工业污染区也有着优良的耐腐蚀性能，非常适合本工程大粉尘、重污染的主要特点。另一侧地线采用铝包钢绞线JLB20A-100,铝包钢绞线JLB20A-100的全寿命周期费用比GJ-100要低，并且铝包钢绞线JLB20A-100与镀锌钢绞线GJ-100相比，具有导电性能好、单重轻、耐腐蚀性能强、运行寿命长的优点，且其抗冰过载能力较GJ-100要好。因此，本标段一侧地线采用铝包钢绞线JLB20A-100、另一侧采用新型铝包不锈钢管光单元的OPGW-120光缆。绝缘模块的全寿命周期及技术创新分析研究污秽情况调查设计期间的污秽调查是否细致和准确，工作是否深入，防污标准是否充分，尤其是工程周围发展性污秽调查工作是否到位，决定了绝缘方案是否合理。从设计污秽调查到工程投产有几年的时间差，如果这期间局部污秽发展很快，投产不久就可能发生闪络。所以应按照“现状和发展相结合”的原则，做好发展性污秽调查，确定具有一定前瞻性、符合客观实际的防污闪设计标准。为了按污秽情况合理配置线路的绝缘水平，必须调查沿线污源分布情况、收集污秽测试资料和污区分布图，划分污秽级别。我国110kV〜750kV电网由于受到大气污染的影响，外绝缘水平一般由工作电压控制，特别是超高压电网尤其如此。因此，输变电设备外绝缘配置主要取决于绝缘子的耐污闪能力。污秽外绝缘配置方法主要包括：爬电比距法和人工污秽耐受电压法。所以首先要对线路沿线污区分布进行分析，确定交流污秽数据（盐密、灰密等）。根据《电网污区分布图》（2013版），本工程全线位于e级污区。根据现场踏勘并对沿线运行、维护线路情况进行了调查，本标包划定污区时可参照已建工程，本标包线路按e级污区配置。如下图所示，图中线路经过的地区，紫色为e级污区。国内架空送电线路通常采用下列三种形式的绝缘子，即瓷制盘型绝缘子、钢化玻璃盘型绝缘子、棒式复合绝缘子。盘形瓷绝缘子目前，瓷绝缘子仍是电力系统中使用最广泛的绝缘子。超特高压绝缘子用高强瓷是由石英、长石、粘土和氧化铝焙烧而成。瓷的内部是结晶相少量气孔和不均匀玻璃相构成的复合体瓷的理化特性主要由构成其微观结构组织的结晶相及玻璃相的种类与数量来决定。颗粒细腻，则相互间的结合力强，形成的瓷介质均匀，机械强度高，性能稳定。盘形瓷绝缘子具有良好的绝缘性能、耐气候性、耐热性和组装灵活等特点，被广泛应用于各级电压线路上。盘形瓷绝缘子属于可击穿型，随着运行时间的延长，其绝缘性能会逐渐降低，即通常所说的瓷绝缘子“老化”现象。目前国产瓷绝缘子的平均年老化率低于十万分之五。瓷绝缘子的一大优点是当需要采用防污产品时，可设计成伞盘下表面光滑的双伞型或三伞型，这种形式由于其良好的空气动力学特性，十分有利于刮风条件下的自洁，积污率低，有效地提高了防污能力，特别适合于干旱、少雨和风沙多的污秽场合。钢化玻璃绝缘子玻璃绝缘子具有与瓷绝缘子同样的环境稳定性。生产工艺简单，较易实现机械化，生产效率高。玻璃绝缘子主要成分是由SiO2、B2O3、Al2O3等酸性氧化物与Na2O、K2O等碱性氧化物组成，原料为包括这些成分的硅砂、长石、硼砂、碳酸钙，还有其他许多天然原料和工业药品。还要加少量辅助材料作为澄清剂和还原剂。在1300°C以上的高温下熔融成型后进行退火处理。急冷钢化使玻璃表层得到钢化。经过退火和钢化处理后，玻璃表面形成永久性的压应力，阻止其表面微裂纹的形成和扩散，使玻璃件机械强度显著提高。钢化玻璃绝缘子具有优良的机电性能及抗拉强度高、耐振动疲劳、耐冷热冲击、耐电弧烧伤、耐电击穿性能。还具有零值自爆的特性，因而无需对其进行绝缘测试。国内外的运行实践证明，钢化玻璃绝缘子具有长期稳定的机电性能，即具有较长的使用寿命。钢化玻璃绝缘子的缺点是因制造工艺所限，防污型只能做成钟罩式。若要提高防污性能，就必须增加棱的数量和高度。因此导致棱槽深、易积污、难清扫、自洁性能差。比较适合灰尘少、雾天多的沿海污秽地区。另外，玻璃绝缘子存在自爆现象，重污秽导致的表面泄漏电流可能加重“自爆率”，但自爆有利于线路维护和防止掉线事故的发生。复合绝缘子复合绝缘子又称复合绝缘子、非瓷绝缘子、聚合物绝缘子、橡胶绝缘子，其主要结构一般由伞裙护套、玻璃钢芯棒和端部金具三部分组成。其中伞裙护套一般由高温硫化硅橡胶、乙丙橡胶等有机复合材料制成；FRP芯棒一般是玻璃纤维作增强材料、环氧树脂作基体的玻璃钢复合材料；端部金具一般是外表面镀有热镀锌层的碳素铸钢或碳素结构钢。芯棒与伞裙护套分别承担机械与电气负荷，从而综合了伞裙护套材料耐大气老化性能优越及芯棒材料拉伸机械性能好的优点。复合绝缘子具有强度高、重量轻、耐污性能好、易于安装和维护工作量小等优点。大量运行经验证实，复合绝缘子具有优异的耐污闪能力。在较重污秽地区复合绝缘子的爬电距离与瓷绝缘子的相当，但绝缘子串长大为减少，从而缩小杆塔尺寸，降低工程造价。4）绝缘子型式推荐根据上述各种绝缘子的特点和绝缘子强度的要求，以及沿线的具体污秽情况及污区划分情况，结合“西北电网750kV输变电工程关键技术研究”课题的科研成果，考虑瓷质绝缘子（标准型、外伞型、钟罩型、长棒形）、玻璃绝缘子（标准型、钟罩型）以及合成绝缘子各自的积污特性及自洁性能，确定本工程的绝缘子型式。合成绝缘子具有重量轻、耐污性能好等优点，在相同爬距及污秽条件下，合成绝缘子的污耐压比瓷和玻璃绝缘子高，特别是在严重污秽区，采用合成绝缘子可明显减小塔头尺寸、塔高、线路走廊和工程造价，便于运行维护。且大吨位合成绝缘子的价格比瓷质或玻璃绝缘子的价格及运行成本低，从全寿命周期考虑是可行的。综上所述，本标包输电线路悬垂串和跳线串采用复合绝缘子，耐张串采用瓷绝缘子。绝缘子串的优化本工程线路位于多风沙天气的环境中，会导致绝缘子积污较重，易发生污闪事故，针对以上问题，本工程线路可采取以下措施，提高线路的供电可靠性。

(1)饱和盐密法绝缘配置输电线路长时间积污，绝缘子上下表面盐密会发生很大差别，为了防止发生污闪事故，一般线路会在绝缘子上涂覆PRTV,但生产PRTV涂料的厂家较多，产品质量良莠不齐，缺乏严格的施涂工艺规范，易出现质量问题因此，建议采用饱和盐密法进行绝缘配置。采用饱和盐密配置外绝缘时可考虑绝缘子上表面盐密取平均均年度最大值，下表面盐密取饱和盐密值，以此进行人工污秽试验确定绝缘子片数本工程线路饱和系数暂按1.8取，按饱和盐密法计算所得420kN瓷绝缘子片数为67片，饱和设计增加串长约13.1%。该方法绝缘配置提高，基本建设成本虽有所增加，但综合考虑使用寿命及后期运行维护等费用，其比涂覆PRTV有一定的经济效益。(2)自洁耐污绝缘子的应用自洁耐污型绝缘子，即在绝缘子上配置风力清扫环，其采用轻质绝缘材料制成，由一个绝缘环穿有多个、按一个方向排列的风力推动碗组成，重量轻且便于安装，如下图所示。该绝缘子型式是利用自然风力使清扫环在绝缘子盘面上旋转、摆动，扫除和刮去绝缘子表面上的污垢，保持绝缘子清洁，以防止电网污闪事故发生。图风力清扫环本工程线路位于多沙尘地区，复合绝缘子表面光洁度比瓷质绝缘子低且易吸附自然界的各种污秽，进而导致复合绝缘子绝缘性能大大降低。如果套有风力清扫环，可最大限度地杜绝污闪事故发生。同时，还具有抗雷击性好、防鸟害、安装施工简单、造价低等优点，提高输电线路的供电可靠性，具有一定的经济效益和社会效益。图两个月自然风力清扫效果一年自然风力清扫效果图两个月自然风力清扫效果一年自然风力清扫效果金具模块的全寿命周期及技术创新分析研究金具是关系到线路安全运行的重要部件，由于金具的失效和损坏，将导致线路的破坏和断电，因此，要求金具必须具有很高的可靠性。金具设计中要以安全可靠、施工方便、节能为目标。从全寿命周期角度考虑，以新技术为手段，提高线路工程全寿命周期总体社会效益和经济效益，减少运行维护费用，提高线路运行安全可靠性，把金具模块的规划设计、采购建设、运行维护纳入本工程全寿命周期成本优化中是必要的。联塔金具目前超高压工程中采用的GD挂点金具和EB挂板，保证各个方向转动灵活，GD型的连塔金具缩小了两个方向转动点之间的距离，从而大大地提高了连塔金具地可靠性。但缺点是它需要在加工和组装铁塔时就要将它们安装好，使铁塔横担结构变得较为复杂，螺栓和本体连为一体，安装制造不方便。经工程实际检验，采用GD挂点金具和耳轴挂板避免了UB挂板、U型挂环等金具受力不合理的连接组合，提高了线路运行安全性，推荐使用具体的形式如下图5.4-1所示：图5.4-1采用GD挂点金具和耳轴挂板的联塔金具示意图根据本工程导线实际外负荷条件计算，悬垂串连塔金具的强度等级有单、双联210kN、300kN、420kN六个强度等级，分别由单、双联组成；塔用耐张串为2X420kN,耐张塔上设二个挂点，因此，耐张塔联塔金具强度等级至少应为840kN。考虑与悬垂串联塔金具合并，简化设计，联塔金具强度等级建议采用840kN。整体采用锻造方式加工，从机械性能上提供充分保证。六分裂联板悬垂联板主要是连接和重新分布载荷，如64t悬垂联板，载荷由42t平均分配为呈正六边形分布的6个挂点，每个挂点的荷载为7吨。整体联板型式稳定性好，金具零件少，结构简单，但是整体联板重量较重，从前苏联的六分裂联板重量达到了115〜148kg，搬运不是很方便，尤其在山区；组合联板型式可使悬垂线夹摆动更为灵活，单件重量轻，便于制造、运输和安装。因此，采用分体式组合联板及整体联板均可。悬垂联板强度等级与绝缘子串强度等级相匹配，建议采用单、双联210kN、300kN、420kN六个强度等级。耐张用六分裂联板与耐张绝缘子强度等级相匹配，建议采用840kN。悬垂线夹悬垂线夹是输电线路关键金具之一，它用在架空输电线路上悬挂导线，经悬垂绝缘子串与杆塔的横担相连。悬垂线夹对于导线来说是个支点，要承受由导线上传递过来的全部负荷，容易造成损伤。其性能直接影响着架空线路的使用寿命和线路损耗。在输电线路中，由于电压的增高，金具的电晕问题将上升为主要问题悬垂线夹的防晕处理通常有两种：一种是线夹本身防晕，即采用防晕型悬垂线夹;一种是加装屏蔽环进彳丁防晕。防晕型悬垂线夹在我国500kV及750kV超高压输电线路中已得到大面积推广。因此，推荐本线路使用防晕型悬垂线夹。本线路工程中，使用6XJL/G1A-400/50导线，悬垂线夹的破坏载荷并不会因为电压等级的提高而增大。因此对于材料不必要选用高强度铝合金中等强度的ZL104其材料性能就能完全满足设计要求。对于悬垂线夹的设计重点在防电晕问题，出于生产成本、加工工艺、产品重量和防电晕的尺寸要求，也以ZL104最为合适，所以，推荐使用ZL104作为制造悬垂线夹的主要材料。目前常用的悬垂线夹有两种：提包式悬垂线夹、中心回转式悬垂线夹见下图。图5.4-2中心回转式图5.4-3提包式两种悬垂线夹主要区别在于，悬垂线夹的转动轴线与导线纵轴线的位置关系。IEC对此未作规定，只要求转动轴有足够的耐磨性。CIGRE则推荐转动轴不应高于导线轴线1〜2倍导线直径。使转动轴的惯性矩尽量小，以减少动应力。对于悬垂线夹的设计应使导线及线夹自身的振动响应最小，避免应力集中对导线的损害。当导线在纵方向上下摆动时，由于中心回转式悬垂线夹受力转动轴在导线中轴线上，所以导线对悬垂线夹上下摆动的扭转力矩比较小，也就是说悬垂线夹上下摆动对导线产生的应力很小，从而大大减小了导线的疲劳损伤，特别是出线口处的导线疲劳损伤。而提包式悬垂线夹受力转动轴在导线上方，当悬垂线夹随导线在纵方向上下摆动时，导线对悬垂线夹上下摆动的扭转力矩比较大，也就是说悬垂线夹上下摆动对导线产生的应力很大，从而大大增加了导线的疲劳损伤，特别是出线口处的导线疲劳损伤。目前从发达国家电力金具产品的结构特点看，日本、法国、英国、瑞典及前苏联等很多国家大多用中心回转式悬垂线夹，而我国超高压线路，基本上全部使用提包式悬垂线夹。从中心回转式悬垂线夹和提包式悬垂线夹结构、性能及价格比较来看中心回转式悬垂线夹要优于提包式悬垂线夹，但是在我国运行经验相对较少。然从IEC金具标准中所推荐的三种悬挂方式来看(见下图)，这种结构形式次之，是否可以说，线夹回转轴线位置也不能表明线夹是“防振”的只能说明在某环境下，某种形式是可取的。㈤0)(c)图5.4-4IEC推荐典型悬垂线夹对于750kV交流超高压工程来说，一方面要采用性能良好的产品，另一方面也需要采用运行经验丰富的产品，可以说，两种悬垂线夹均可满足要求。因此，建议采用应用经验丰富的提包式悬垂线夹。双板插接式耐张线夹传统耐张线夹本体上设有一个呈片状延伸的引流板，配合一端也呈片状延伸的引流管形成贴触锁合，只有单片的面积贴合接触，长期运行中易因接触面氧化造成接触电阻增加，影响通流效果，甚至引起烧毁。为增加接触面积，开发了两种Y型连接方式，一种是采用Y形引流管，另一种是在耐张线夹本体上采用Y形引流板，共同点是均加大了接触面积，不同点是前者因引流管多增加了一个分叉延伸结构而增加构件本身的重量，增加了装配人员进行架空线路作业时的携带负重、稍为增加了其组装的困难。在耐张线夹本体上采用Y型引流板的双板插接式耐张线夹如下图所示：双板插接式耐张线夹双板插接式耐张线夹预绞丝式金具导、地线疲劳损伤通常发生在与金具相接触的区域上，典型的位置在悬垂线夹、耐张线夹、接续管出口处附近的导、地线上，原因是这些区域的动态弯曲和静态弯曲应力最大。而预绞式金具具有较长的预绞丝，可将金具对导、地的静态压应力均匀地分散到较大的区域上，避免产生应力集中点；同时预绞式金具没有螺栓作用在导、地线上，减小了金具对导、地线的静态压应力。另外，预绞式金具缠绕在导、地线上后，增强导、地线与金具相接触区域的弯曲刚度，削弱在这些区域由微风振动引起的动态弯曲应力。在同等条件下，使用预绞式金具和传统机械式金具相比，明显减小导、地线上静态和动态应力，改善了导、地线与金具相接触区域上恶劣的应力环境，使导、地线免受破坏性的振动和疲劳。多数预绞式金具（如预绞式悬垂线夹）是由铝合金材料制成，不仅满足了线路对金具的机械强度要求，而且能耗小。预绞式金具一般采用与导、地线相同的材料制成，减小由于不同种金属在电气环境下所引起的电腐蚀，延长了金具的使用寿命。此外预绞式金具还具有安装简便、一致性强的优点。预绞式悬垂线夹预绞丝及线夹本体采用铝合金材质，属非磁性材料，磁损小。预绞丝端部进行磨圆处理，线夹整体外形圆滑，电晕小。将金具对导、地的静态压应力均匀地分散到较大的区域上，避免产生应力集中点，减小悬垂线夹出口处导、地线上静态和动态应力，改善了导地线与金具相接触区域上恶劣的应力环境，增强导、地线与金具相接触区域的弯曲刚度，削弱在这些区域由微风振动引起的动态弯曲应力，使导、地线免受疲劳损伤，提高了线夹本身的耐振性能，可更好地保护线缆，延长了系统寿命。预绞式悬垂线夹：5.4-6预绞式悬垂线夹本工程导线用悬垂线夹推荐采用有着丰富运行经验的提包式铝合金悬垂线夹。预绞式悬垂线夹可用于地线。预绞式防滑型防振锤：与传统夹头式连接方式相比，减小了应力集中，也避免了防振锤在导地线上滑移。预绞式耐张线夹、接续管：不适用于本工程导线，但在地线上可以使用。导线加强芯是导线的主要承力部件，预绞式耐张线夹、接续管通过外层摩擦力提供足够的握力，当导线截面较大时，握力难以有效传至导线的加强芯。本工程导线截面很大，不适合采用预绞式耐张线夹。但可以用于地线耐张金具串。预绞式耐张线夹由于其螺旋结构，把各种应力均匀分布在地线上，避免出现应力集中点。线夹具有较好的耐振性能，可更好地保护地线，延长其寿命。间隔棒高压线路中所采用的间隔棒一般是阻尼间隔棒。间隔棒作为防护金具中的一个关键部件，在线路中主要有四个作用：防止短路电流时引起的子导线的鞭击；抑制次档距振荡；降低微风振动的强度；固定子导线空间相对位置。本工程推荐采用衬垫式阻尼间隔棒。衬垫式阻尼间隔棒除一般同类产品的作用外,还有效地用于抵抗由短路、覆冰和风等因素引起的导线受力和振动,并且对分裂导线本身无破坏作用。对分裂导线的线长、弧垂、压力和张力的变化具有良好的应对表现。在世界各地应用超过200万只，无一故障。替代了传统的间隔棒和防振锤的组合使用，组成新的线路防护系统，可有效的将分裂导线的微风振动和次档距振动降低到工业要求的安全范围之内。产品采用特殊铝合金高压铸造，具有良好的电气性能，机械性能，抗腐蚀性能，结构紧凑、向心力强度好，重量比传统间隔棒轻30%左右，产品投影面积小，安装简单，没有螺栓，避免了螺栓松动的潜在风险，同时避免了磁滞材料的能量损耗。各个部件均具有超过50年的长效使用寿命。防振锤防振锤推荐采用FR型，该防振锤防晕性能良好，可降低线路的电损。FR型防振锤有三个固有频率，消振能力好，更好地起到防护导线的作用。线夹制造采用铝合金，锤头及所有钢制件全部采用热镀锌防腐，较好地解决了过去防振锤的积污、锈蚀、断裂现象，延长使用寿命。对于振动严重地段的架空线建议采用复合防振，以获得较好的防振效果。如：护线条加防振锤，阻尼线加防振锤，护线条加阻尼线加防振锤等铁塔模块的全寿命周期及技术创新分析研究为提高线路工程全寿命周期总体社会效益和经济效益，减少运行维护费用，本工程对杆塔规划和型式选择、杆塔结构、节点构造及材质方面进行优化设计。5.5.1杆塔规划和型式选择根据本工程途经地区的特点，规划和设计适合本工程的各种塔型，尽量减少工程中转角耐张塔的数量，压缩走廊宽度，减少对沿线居民生产、生活的影响。杆塔规划应根据选择的路径方案，结合通用设计的杆塔塔型，规划出合理的直线杆塔系列及其呼称高系列组合。直线塔采用中相V型串自立角钢塔，耐张转角塔采用干字型塔。，可以起到节约走廊，减轻塔重的效果。图5.5-1可见，本标段转角度数43％的转角度数集中在0°之间,建议在增加转角度数为0°的耐张塔一种。较0°都用20°耐张塔相比，本标段共节省塔材约122t。综合考虑本工程及全线耐张塔的使用，推荐按0°-20°-40°-60°进行耐张塔划分。本工程未使用60°以上转角塔。表5.5-1直线塔规划结果(v=30m/s，b=5mm,0<H<1500)塔型呼称咼(m)水平档距(m)垂直档距(m)转角度数Kv值计算呼高(m)ZX30133-544506000。0.848ZX30233-605207000。0.751ZX30333-606708500。0.651ZX30T33-605507500。0.751ZX30K63-725507000。0.772表5.5-2耐张塔规划结果(v=30m/s,b=5mm,0〈H〈1500)塔型呼称咼(m)水平档距(m)垂直档距(m)代表档距(m)转角度数JX30127-425008004000。J30227-425008004000-20°J30327-4250080040020。-40。J30427-4250080040040°-60°HJ3033-394006004000°-10°D30J27-424006004000°-90°本专题规划的杆塔系列较典设7A5模块铁塔，单公里直线塔塔材指标约减少至92.41%，单公里耐张塔塔材指标约减少至85.75%。按直线塔塔数占比92%,单公里塔材指标75t计算，本标包区段长115km。采用本专题杆塔系列比采用典型设计7A5模块杆塔系列减少塔重700.591。新塔型研究设计

直线塔结构优化叉戟塔计算重量较猫头塔轻约5%，基础作用力大致相当。取消中横担后的改进型猫头塔-叉戟塔较常规酒杯塔大幅缩减了走廊宽度，同时，和常规猫头塔相比较，进一步降低了塔重。图5.5-2叉戟型塔小角度耐张塔结构优化叉戟型转角塔，去掉中相导线横担后，导线水平排列，增加复合材料跳线支架，跳线由上部塔窗穿过后连接大小号中相导线。叉戟型耐张塔集合了干字型走廊宽度占用小，酒杯塔导地线垂直间距小的双重优点。叉戟型占用走廊宽度为23.8m,较酒杯型塔缩短8.6m,导地线间距为15.1m,较干字型塔缩短2.9m，经济效益明显。图5.5-3叉戟型耐张塔门型换位塔门型换位塔的结构形式思路来源于变电站的钢架构，它外形轻巧，便于施工安装，特别是钢管柱、三角形断面桁架横梁架构，造型简洁、美观施工方便，用于位于城市或城市近郊的变电所，整洁、通透，景观效果好由梁单元和柱单元的构件组成，受力形式简单明了。双曲线景观塔不同于普通自立式杆塔一个塔身且方形截面的空间形式，双曲线塔分为两个“瓣塔”——两个独立塔身只通过绝缘金具连接在一起，如此带来三个好处：首先，分担受力。线条荷载作为杆塔设计的主要荷载占总荷载比例的大部分，瓣塔各在分担一部分力，像两个互帮互助的姐妹。于是每个瓣塔受力较小，造成主材规格不会过大。其次，塔身承受风荷载合理，双曲线塔的空间布置形式是下大上小，顺线路方向受风面大，垂直线路方向受风面小，塔下部受风面大但是风速小，塔上部风速大但是受风面小。90度风工况下的线条荷载大但是塔身风荷载小，0度风工况下塔身风荷载相对较大但是线条风荷载较小，如此避免

了塔身风荷载和线条风荷载同时最大的情况，利于杆塔承受外荷载。最后，曲线形式带来视觉的美感，一反常规杆塔单调的空间布置形式可以与周围的树林交相辉映，成为一道美丽的风景线，杆塔结构设计优化杆塔结构布置方案的优化设计，能使杆塔各部件受力清晰、传力直接节点处理简单，在满足电气要求前提下，更安全可靠、经济、适用。塔身断面型式优化从线路全生命周期来考虑，本工程杆塔推荐采用方型塔身断面增强塔身抗纵向刚度的能力，方便铁塔的施工、加工。口宽及塔身坡度优化在确保铁塔的整体刚度下，尽量减小口宽，以充分利用构件的承载潜能，实现塔重最轻的目标。塔身斜材布置优化塔身斜材采用交叉方式布置时，斜材基本不受同时受压控制，且采用交叉方式传力清晰，故塔身斜材宜采用交叉方式布置。杆塔接腿型式优化接腿(身)型式按设计经验一般可采用公用腿型式与非公用腿型式，以本工程7A5-ZB2-36m为例进行比较如下表。表5.5-3表5.5-3接腿型式比较表公用腿型式一公用腿型式二非公用腿型式公用腿型式一公用腿型式二非公用腿型式受力特点型式接身型式=-^接身~J-\食1接身T—”式空接身型式受力特点型式接身型式=-^接身~J-\食1接身T—”式空接身型式接身较为复杂传力

路线曲折接身为一桁架结构，传接身型式简单传力路力路线复杂曲折线清晰明了项目公用腿型式一公用腿型式二非公用腿型式优缺点优点:塔腿设计成公用腿，当主材规格-致时,在不同呼称高上塔腿均可使用。缺点:①传力路线较为复杂，塔重较重;②受地形坡度限制,未能有效利用高低腿在地形坡度较大时不降基面的咼低腿优势;③接身刚度较差。'优点：与方案一相同，i塔腿设计成公用腿，方便加工和安装，且塔腿［刚度较好。缺点：①传力路线复杂隔面过多，塔重最重；②受地形坡度限制，未能有效利用高低腿在地形坡度较大时不降基面的高低腿优势。优点:①传力路线简单■直接，隔面少塔重轻；/②最大接腿长度较传统方式长对于地形坡f度较陡的塔位能充分利用高低腿优势减少:基面开方③接腿刚度1好。i缺点:塔腿无法在不同呼称咼上互换。计算塔重31.34(t)31.86(t)30.4(t)塔重比1.0311.0481.000推荐型式不采用不采用推荐采用塔腿斜材夹角随着角度的增大，弯矩逐渐减小。主斜材夹角18°时的弯矩为15°时的97%，24°时塔腿弯矩为15°时的82%，当主斜材夹角为32°时，其塔腿弯矩仅为15°夹角时的55%。杆塔长短腿设计时，长腿的夹角不宜过小，建议不宜小于20°。耐张转角塔中内外角侧塔身主材不同规格耐张转角塔中使用不同规格的主材，可以有效地节省塔重，经济效益可观。节点构造优化设计方案变坡处连接节点在变坡处节点，由于存在变坡，节点处需要火曲，这样会降低火曲构件的强度，因此，对于此类节点需要加强。一般采用外贴板，内包角钢，且正侧面板件相互焊接的处理方式，这样处理节点在强度上能够满足要求，

并且刚度也是比较大的，由于构件内力大，连接处螺栓较多，只要在该类节点处尽量采用高强度螺栓，就能有效的减小连接构件尺寸。通过优化，该节点板钉重量可减轻30%左右。采用普通螺栓的节点采用高强螺栓的节点图5.5-5变坡处节点优化曲臂“K”节点本工程推荐采用的酒杯型铁塔建议K节点设计成铰节点。从结构力学上来讲，酒杯型塔是双铰拱模型，K节点是铰节点，如果加强K节点，反而可能产生较大的次弯矩，引起K节点提前破坏。另建议控制K节点的设计和加工质量，减小或严格控制关键节点螺孔加工误差可以有效地减小K节点横向位移。图5.5-6曲臂“K”节点主材连接节点主材连接推荐采用内包角钢，外贴板的处理型式，为了保证连接的强度，内包角钢和外贴板的面积之和不小于被连接角钢面积的1.3倍；为了

提高接头点的刚度，该类节点构造上要求构件的连接长度不低于1.5b(b为被连接角钢肢宽)，同时采用高强螺栓连接，有效的减小了接头长度；接头点的位置尽量靠近节点，以便于利用外贴板，减小板的数量及尺寸。图5.5-7主材连接节点材质优化设计方案在电网建设与改造中，由于输电线路杆塔暴露在室外大气之中，要保证杆塔的安全运行，生产厂家大多是采用Q235、Q345钢材热浸镀锌防腐工艺，提高其耐腐蚀性能。但热浸镀锌工艺投资大、成本高、危害健康、污染环境，为了能够达到降低成本、保护环境的目的，世界各国都在积极研制新型材质钢，包括耐候结构用钢、渗铝钢等，并应用到输电杆塔结构当中，以期望能够解决上述问题。耐候型钢钢的应用耐候钢是一种添加多种合金元素的低合金钢，具有较好的耐大气腐蚀性能的同时，也具有较高的强度。使用耐候钢的优越性不仅体现在优良的耐候性能上，也体现在较高的机械性能上，可以使输电线路的建设成本大幅降低，在输变电杆塔中使用耐候钢材料可以节省成本10%以上。另外，由于输电杆塔检修维护费用也相当高，所以如果在输变电杆塔中使用耐候钢材料，其间接的经济效益同样也是相当可观的。渗铝钢的应用渗铝钢是利用热浸渗铝方法改善耐蚀性和耐热性的钢。具体做法是将钢制件浸没于熔融铝浴中完成的，方法简单，易于连续作业。碳钢渗铝后表面含铝量可达60%,从表面向里含铝量不断下降,由于在0.2〜0.3mm厚的渗铝层中含有大量的铝，在S02,C02,H2S,H20,NH3,有机酸等介质中，有很优良的耐腐蚀性能。碳钢Q235渗铝后有较高的耐蚀性。渗铝钢抗大气腐蚀性能很好,输电线路杆塔使用效果极佳。冷弯型钢应用冷弯型钢是一种经济的截面轻型薄壁钢材，也称为钢制冷弯型材或冷弯型材，是制作轻型钢结构的主要材料。它具有热轧所不能生产的各种特薄、形状合理而复杂的截面。在电力行业中，用冷弯型钢代替传统的热轧角钢，提高铁塔综合性能降低成本，已成为目前研究的重点之一。在高压长距输电铁塔中，高强耐腐结构钢管当前已在大连、广州、无锡、上海等地试用。据调研，目前常规Q235B、Q345B材质冷弯型钢(厚度12mm以下)的价格和一般热轧角钢差别不大，Q355耐候钢冷弯型钢价格比常规Q345热轧角钢价格高出不少，但是考虑常规角钢热浸镀锌成本，冷弯耐候角钢成本略有优势。高强螺栓的应用本工程杆塔荷载较大，构件受力大，因此连接螺栓数多。采用高强度螺栓可有效减小构件端头连接螺栓的数量，从而达到减小连接板的尺寸，降低塔重的目的。不同级别的螺栓，其抗剪强度不同。根据6.8级和8.8级螺栓抗剪强度的比值来看，当采用8.8级螺栓时，螺栓数量可减少20％，节点板可缩小10％左右，从而使板的重量减轻10％左右；采用10.9级螺栓可节省的更多，但由于10.9级螺栓在酸洗除锈时容易造成氢脆断裂，且在电力行业中缺乏成熟的运行经验，不建议采用10.9级螺栓。结合2010年国家电网公司750kV输电线路通用设计原则，以及市场上的供应情况，6.8级M16、M20螺栓和8.8级M24螺栓，包括相关的运行经验，均已经非常成熟，可以确保杆塔的安全性和经济性。本工程铁塔螺栓推荐采用6.8级（M16和M20）、8.8级（M24）镀锌螺栓，以减小节点板，减轻塔重的同时提高组塔效率。（5）不等边角钢在铁塔中的应用对于纯受拉材（横担上平面主材）、大长细比平行轴布置的杆件（塔身下部斜材）和应力比较小且平行轴布置的杆件（隔面斜材及塔腿V面辅助材），可用不等边角钢替代等边角钢。不等边角钢和等边角钢的混合使用，直线塔塔重可减少1%〜1.8%；耐张塔可减少约1%。经济效益明显。（6）高强钢应用1）Q420高强角钢的应用减小铁塔耗钢指标的一个很重要的措施是采用高强钢材。在以往的线路设计中，国内普遍采用的钢材为Q235和Q345。近几年来电力行业内常提的高强钢有Q390、Q420。通过比较，可以看到与Q345角钢相比，Q390角钢屈服强度只提高13%，而Q420则提高了22%，因此采用Q390高强钢与常规设计，塔重减少幅度较小，而采用Q420高强钢则塔重幅度减少较为明显，且目前国内Q390高强钢的价格只是略低于Q420。因此，综合考虑Q460角钢与Q420角钢的工程综合效益，本工程推荐采用Q420钢材。基础模块的全寿命周期及技术创新分析研究常规基础型式推荐根据本工程沿线地质地形特点，可采用的常规基础主要有：板式基础、掏挖基础、挖孔基础、灌注桩基础、装配式基础。表5.6-1列出了上述基础型式及其工程特性的比较。表5.6-1常用基础型式工程特性比较表基础型式工程特性及优点存在的问题和缺点rf-iI1n|直柱扩展基础开挖回填斜柱扩展基础掏挖