李宏进 陈旭林 林原辰 陈俊
（中国电建集团福建省电力勘测设计院有限公司 福建福州 350003）
为实现“碳达峰、碳中和”的目标，节约资源、保护环境、减少排放，全面推进福建省输变电工程低碳设计，国网福建省电力有限公司组织开展了2021 年福建省内输变电工程设计竞赛。福建院参加了线路部分的竞赛，通过对国内新技术、新工艺、新设备的对比分析，从路径选择、导地线选型、绝缘配合及防雷接地、杆塔设计、基础设计、电缆优化设计、环水保设计、全过程机械化施工技术、新型电力系统下智慧输电线路、三维数字化设计等方面进行亮点设计。本文通过对部分设计亮点的重点论述，结合依托工程及福建省内工程实际情况，探讨符合福建省特色的低碳节能设计新技术。
本工程依托福建泉州晋江官桥～加工区π 入后坑变、官桥～后坑π 入紫帽变110 kV 线路工程。线路采用单回路架空、双回路架空和双回路电缆混合架设，其中110 kV 紫帽进线段、官加线改接段采用单回路架空架设，长度为0.5 km；
紫帽变至进区大道南采用同塔双回路架空架设，长度为4.9 km；
进区大道南至后坑变采用双回路电缆沟敷设，长度为3.3 km［1］。
线路建设地点为泉州市晋江市、南安市，沿线海拔高程在0 m～100 m，沿线地形比例为平地51%、丘陵49%。沿线可利用的道路主要有324 国道、乡村公路等，全线交通条件较好，如图1 所示。
图1 工程现状
本依托工程有2 个特点：线路航空线范围内障碍物密集，如何合理规划线路走向，工程造价最经济；
线路位于福建沿海属于大风速区，如何采用新技术提高线路的抗风能力，保证运行安全。根据依托工程实际情况，本文将从架空线路电气、结构，电缆设计等方面进行低碳设计探讨。
架空线路电气低碳设计涵盖了路径选择及优化、导地线选型、绝缘子设计、防雷与接地等内容，主要从路径选择和导线选择2 个方面进行低碳设计的探讨。
2.1 路径选择及优化
线路航空线附近有密集的居民区、规划工业用地、城区大道等障碍物，本工程利用无人机摄影测量技术对区域内进行了数据采集，利用自主研发的CAD/GIS 数字平台进行数据处理，同时导入到数字化设计平台进行多方案对比选线。合理地利用对旧线路的开断位置，与已建的官加线并行，优化线路间距，节约线路走廊宽度，如图2 所示；
结合当地区域的规划，利用城市道路绿化带走线，减少占用城市土地资源；
避让基本农田，采用电缆敷设方案从基本农田的空隙中穿行。利用数字化技术可以搭建复原精确的工程模型，实现可视化设计，也将会不断提升线路设计的精细化程度，实现各专业信息共享，如图3 所示。
图2 推荐方案与已建的官加线并行
图3 通道原景搭建
2.2 导线选择
依托工程位于福建沿海地区属于大风速区，基本设计风速为33 m/s，提高线路的抗风能力是本工程的设计重点，主要从导线部分进行优化选择。对导线进行了输送容量、电阻损耗、经济性、工程费用等方面进行全寿命周期专题对比分析，低风压铝合金芯高导电率铝绞线JL3X/LHA1（DFY）-135/140 是最优的选择。对导线厂家进行了国内新型导线的调研，国内厂家具备生产低风压铝合金芯高导电率铝绞线能力，导线的外侧设计为特殊凹槽构造，表面形成一定的粗糙度，从而降低导线的体型系数；
导线的导电层采用特殊型线结构，可以减小导线的外径；
导线体型系数和外径的减小可降低其受到的风荷载影响，能有效地减小耗钢［2］。低风压铝合金芯高导电率铝绞线也是节能导线，可有效地减少电能损耗，符合低碳设计理念。在福建沿海地区大力推广低风压节能导线的应用，对新型导线的推广应用具有里程碑的意义，目前在福建莆田已有1 条110 kV 的线路工程试点应用，后续随着技术和工艺的进步更多的新型节能导线应用到线路工程中。
通过对CAD/GIS 数字平台的应用实现路径多方案对比优化、对低风压节能导线的选型比较等内容阐述，从架空线路电气专业角度实现低碳设计。
根据依托工程的实际情况，架空线路结构部分进行了杆塔专项设计、基础专项设计，从这2 个方面进行低碳设计的探讨。
3.1 杆塔专项设计
参照以往国网设计竞赛的经验，根据工程实际排杆情况进行杆塔规划设计，高强钢选用、耐候钢试点应用，风帆型、雁翅型景观塔特殊设计等前沿的技术都会被提及。本次主要探讨复合材料横担及5G 共享铁塔。
本工程推荐方案一部分在进区大道路边绿化带走线。泉州晋江地区经济相对发达，土地资源宝贵，如何减少塔基占地、减小线路的走廊宽度是本工程重点考虑的问题。常规的角钢塔跟开大已经不适合本工程，对钢管杆和窄基钢管塔的方案进行了对比分析，虽钢管杆单公里造价略高于窄基钢管塔，但是钢管杆的基础范围小于窄基钢管塔的基础范围，更符合工程现状，综合考虑，仍建议采用钢管杆。同时基于设计院自有专利技术“一种220 kV 钢管杆复合材料横担”进行110 kV钢管杆的深化设计，设计成“一拉两压”式复合横担，可有效缩短横担长度、降低塔高、减少走廊宽度。国内复合材料横担在不同地区、各种电压等级都有试点应用，特别是在1 000 kV 及800 kV 特高压工程中有应用，应用情况良好。目前福建省内主网复合材料横担暂时没有应用，可通过设计竞赛试点应用，积累设计、施工、运维等相关经验，为后续省内的推广应用提供借鉴。
5G 共享铁塔也是近几年的热点，通过铁塔资源的共享，实现电力铁塔功能的延伸，从而节约土地、钢材等资源，实现利益的最大化。共享铁塔将融合电力和通信，发挥出“1+1>2”的作用，加快5G 技术的发展及推广［3］。同时共享铁塔可有效降低重复建设造成的新增成本，实现低碳可持续发展。
3.2 基础专项设计
根据依托工程的地质、地下水情况，适合的基础型式平地段主要是灌注桩基础和板式基础，山丘段主要是挖孔基础和掏挖基础。上述基础型式应用比较成熟，但是随着更加重视施工安全、普及机械化施工、水保同步验收，需要对原有的基础型式进行升级改造，提出适合低碳环保的新型基础型式。
目前平地段新型基础主要是螺旋锚基础，国内多家单位在进行试点应用。山地段的新型基础主要是微型桩基础，微型桩基础的计算原理、试验效果等相关内容需要等试点应用情况统一验证，福建省内微型桩基础在福厦特高压工程进行试点应用。山地段另外一种值得推广应用的基础型式为岩石锚杆基础，也是本次设计竞赛的专题要求，开展适用于福建省内的岩石锚杆基础设计应用研究。
国内多家电力设计院根据省内地质情况开展了岩石锚杆基础的试验与理论计算模型的研究，从不同的地质形式、上拔承载力机理、破坏模型等方面进行了研究，积累了诸多研究成果，在福建省内可以借鉴应用。
福建省山地面积约占全省陆地面积的75%，上层为土层、下部为岩石的地质情况在省内普遍常见。在上层为土层（厚度约为2.5 m～4.0 m），下部为岩层（包括微风化、中风化的各类岩石）的地质条件非常适用岩石锚杆基础。设计院结构人员从2014 年开始就开展岩石锚杆基础的技术研究，并在省内工程进行试点应用，可减小土方开挖，减少混凝土方量，减小对塔位周边环境的破坏，试点应用工程效果显著。但是近几年试点应用的成果很难在省内工程大力推广，主要原因在于选择的岩石锚杆塔位数量少且非连续性，施工单位机械进场麻烦，最后都被挖孔基础替代。为提高输电线路的机械化施工率，减少土方开挖，保护自然环境，白浙直流特高压工程对岩石锚杆基础的设计原则进行了重新梳理，调整了适用坡度及岩性的要求，省内福厦特高压工程基础也参照该原则进行设计，后续省内工程可参照白浙线、福厦特高压工程的设计、施工、运行情况进行借鉴。岩石锚杆基础适用条件合理放宽，经过大力的推广应用，也将成为常规基础。
通过对杆塔、基础2 方面的阐述，结合目前依托工程及福建省实际情况，适合的新技术可在试点工程中进行应用，不断应用、总结，整个行业才会进步，才能实现低碳设计。
主要从电缆优化设计进行探讨，设计亮点包括大长度电缆、新型电缆桥架方案、预制电缆沟/排管技术、电缆工井钢模板与顶板两合一技术、电缆三维数字化设计等内容，本文主要介绍大长度电缆及电缆三维数字化设计。
4.1 大长度电缆
本工程电缆部分长度为3.3 km，目前常规方案是按500 m左右进行分段敷设，中间通过接头来实现电缆的连续。接头主要为绝缘接头和接头防火防爆盒，单个接头的造价约为4 万元。本工程设计需约42 个接头，电缆接头数量的增加加大了线路的投资，同时也增加了电缆线路的运维难度，供电系统的故障率也相应提高。结合现有工程应用情况及国内电缆生产情况提出大长度电缆应用方案。大长度电缆可以取消或者减少中间接头，经过测算可以减少接头数量18 个。国内电缆厂家对大长度电缆也进行了相应的研发，试点工程中也有应用，生产成本和运输成本会高于普通的电缆长度，但是敷设安装施工周期、线路造价成本、运营维护、线路可靠性等方面，大长度电缆都会优于普通电缆长度。目前福建省内没有工程应用，可以在该依托工程进行试点应用，通过大长度电缆的应用可有效地减少电缆附件使用，减少故障点，提高线路安全可靠性，减少电缆线路的运维工作量，从而推广应用到其他电缆工程［4］。
4.2 电缆三维数字化设计
相较于架空线路的三维数字化设计快速发展，国内电缆三维数字化设计进展相对缓慢，目前国内市场上主流的电缆三维软件为博超和道亨2 家。电缆三维数字化设计的重点在于电缆通道场景的还原，平台能够自动解析地下管线数据的图形和属性信息，特别是解析与线路平行的地下管线，同时能够进行标识，方便设计人员进行判断。目前勘测专业通过自主研发CAD/GIS 数字平台进行数据处理，将各类管线数据转化输出DXF 格式的测绘图，电缆三维平台读取测绘图，实现通道的还原，设计人员在数字化平台进行电缆路径的选择，随时校验与现有管道的安全距离，规避障碍物，电缆三维可视化操作进一步提升了设计速度和质量。
本文依托省内设计竞赛工程进行低碳设计探讨，同时结合福建省沿海大风速区、多山地等实际情况，主要探讨了低风压节能导线、复合材料横担、岩石锚杆基础等相关技术，节约塔材、减少走廊宽度、减少土方开挖、减少混凝土量等优点，实现省内线路工程低碳设计。
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