输电线路抗冰设计规程比较

管政，谢强，2，李继国

(1.同济大学建筑工程系，上海市，200092;2.土木工程防灾国家重点实验室(同济大学)，上海市，200092)

0 引言

1 覆冰荷载

1.1 设计冰荷载的确定

作为气象荷载的一种，输电线路覆冰应通过长期气象观测，进行数理统计分析，才能得到基于某一重现期的设计值。对此，我国规范与IEC标准、CSA标准都有统一的认识，且都推荐采用极值I型分布作为覆冰的概率模型。但IEC标准也提出，并不是所有区域的覆冰概率模型都与极值I型分布吻合，还需要利用观测数据对模型进行调整。我国幅员辽阔，气象区域性明显，也应根据各地观测数据进行覆冰概率模型的选择。

《线路规定》、《重冰规程》规定轻冰区导线覆冰厚度为10 mm及以下;将中、重冰区分为I～VI共6个气象分区，中冰区导线覆冰厚度为15和20 mm，重冰区导线覆冰厚度分别为20、30、40和50 mm;地线覆冰厚度应较导线增加不小于5 mm。IEC未给出具体的设计冰荷载取值，如果有20年以上的气象观测数据及线路所在地区5年以上的覆冰数据，则可用式(1)计算。

式中:g为年平均最大覆冰荷载，N/m;Kn为观测年数修正系数;Kh为导线悬挂高度修正系数;Kd为导线直径修正系数;Kσg为当观测年数趋于无穷时，重现期T和变异系数σg/对覆冰荷载的修正系数。

对于在观测年数内仅有1个覆冰最大值gmax这一特殊情况，IEC标准规定=0.4 gmax，σg=0.5。为简便起见，IEC标准认为地线覆冰厚度与导线相同。

与之前所提规范不同，CSA标准给出2种确定覆冰荷载的方法:确定性设计方法;基于可靠度的设计方法。确定性方法直接给出4种不同荷载条件下的设计冰荷载，如表1所示。

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基于可靠度的设计方法给出的计算公式为

刘崐辞世后，家里一贫如洗，家人对他的安葬成了最大的问题。他的弟子门生感其为人，凑足一万两银子，合力把他的遗体埋葬在岳麓区的一处山丘，并置下墓地墓庐，墓名为“皇清诰授光禄大夫湖南巡抚刘公韫斋府君之墓”。 2010年6月，长沙市文物局在第三次全国文物普查中，在岳麓区含浦镇玉江村罗家湾发现了刘崐的墓,由此揭开了该地“学士”名称的来历之谜。后人因对他的怀念，将其墓地附近的一条路命名为学士路。当今，在含浦镇有一个村落叫学士村，有一个收费站叫学士收费站，有一条大道叫学士路,有一所学校叫周南学士实验学校。人们自发地缅怀着纪念着刘崐,他已永远活在湖南人民心中。

式中:Wi为单位长度冰荷载，N/m;d为导线直径，mm;tT为覆冰厚度;Sa为空间影响系数，取1.5。

式(2)中乘以空间系数Sa的原因有2个:(1)CSA标准认为输电线路通常穿越广阔区域，某一测站记录的覆冰数据不太可能代表整条线路的年最大覆冰值，因此考虑1个空间系数是有益的;(2)CSA标准所采用的用于预测雨淞覆冰的Chaine模型模拟的是离地10 m高度处的导线覆冰厚度，因此还需对导线悬挂高度进行修正。

1.2 设计冰荷载的直径修正和高度修正

由于覆冰观测是针对特定导线直径和离地高度而言，因此在应用至其他情况时，必须进行导线直径修正和离地高度修正。部分国家和学者提出了电线覆冰高度修正公式［9］，现有研究及实测［10］表明:覆冰厚度或重量随导线悬挂高度的增加而增加;覆冰重量随导线直径的增加而增加;覆冰厚度随导线直径的增加而减小。我国《高耸结构设计规范》在其条文中规定，圆形截面架空线的覆冰荷载按式(3)计算。

式中:q为单位长度上的覆冰荷载，kN/m;b为基本覆冰厚度，mm;d为架空线直径，mm;α1为与构件直径有关的覆冰厚度修正系数，见表2;α2为覆冰厚度的高度递增系数，见表3;γ为覆冰重度，取9 kN/m3。

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IEC标准中的高度和直径修正系数分别是式(1)中所提到的Kh和Kd，与《高耸结构设计规范》不同之处在于，IEC标准修正的是覆冰重量，而《高耸结构设计规范》修正的是覆冰厚度。现将我国规范中的覆冰厚度修正系数换算成按覆冰重量计算的修正系数，并分别绘制于图1和图2。

IEC标准是以离地10 m高度，导线直径30 mm时的覆冰重量为基准，其他情况通过Kh和Kd进行调整;而《高耸结构设计规范》是以离地10 m高度，构件直径10 mm时的覆冰厚度为基准。为便于比较，以30 mm直径对应的覆冰重量为基准计算得到直径修正系数如图1所示;如果导线直径定为30 mm，则可按不同高度计算得到高度修正系数如图2所示。从图可中见，《高耸结构设计规范》和IEC标准的直径修正系数吻合较好，《高耸结构设计规范》的高度修正系数较IEC标准偏大，偏于安全。通常情况下，大多数导线直径约为30 mm，悬挂高度为50～100 m，按《高耸结构设计规范》计算得 α1α2=1.28～1.6，与CSA标准规定的Sa=1.5具有一定的相似性。

2 覆冰时的风荷载计算

2.1 风速的确定

具有相同重现期的冰荷载和风荷载一般不会在冰、风共同作用时同时发生，所以要进行组合，使组合效应仍具有和单独作用时相同的重现期。对此，《重冰规程》给出了覆冰时10 m高度处的同时风速:中冰区为10 m/s，重冰区为15 m/s。IEC标准在这方面考虑了表4列举的3种组合情况。

表4 IEC标准荷载组合Tab.4 Load combination in IEC standard

其中，VIH和 VIL在没有充足观测数据情况下，可在参考风速VR(重现期为T的风速)基础上乘1个风速降低因子Bi得到。

与IEC标准类似，CSA标准规定的风速降低因子为0.6～0.75。由于我国规范规定500～750 kV输电线路的基本风速不宜低于27 m/s，按IEC标准规定计算得VIL=16.11～22.82 m/s，VIH=10.74～13.43 m/s;按CSA 标准规定计算得V=16.11～20.25 m/s。可见，我国规范规定的中冰区10 m/s同时风速和重冰区15 m/s同时风速与IEC标准的VIH吻合较好，但较CSA标准偏小，由此可知最小风速的规定具有一定的合理性。

2.2 风荷载的确定

风速确定之后，便可计算作用在导、地线上的风荷载。《重冰规程》计算作用在覆冰导、地线上的风荷载公式如下。

式中:Wx为垂直于导、地线方向的水平风荷载标准值，kN;α为风压不均匀系数;βc为500和750 kV线路导、地线风荷载调整系数;μz为风压高度变化系数;μsc为导、地线体型系数;d为导、地线覆冰外径，mm;Ln为杆塔的水平档距，m;B1为中、重冰区导、地线及绝缘子覆冰后风荷载增大系数;θ为风向与导、地线方向之间的夹角，(°);W0为基准风压标准值，kN/m2;ν为基准高度10 m处风速，m/s。

IEC标准考虑表4中前2种组合情况下的风荷载计算。

组合1:

组合2:

式中:Ac1、Ac2为风荷载，N;qOH、qOL为风压，N/m2;CIH、CIL为有效阻力系数，见表5;Gc为导、地线综合系数;GL为档距折减系数;DL、DH为覆冰导、地线直径，mm;gL、gH为单位长度覆冰重量，N/m。

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对比《重冰规程》和 IEC 标准，μsc和 CIH、CIL的含义是相当的，都是考虑覆冰对导、地线体型系数的影响。IEC标准中的DL、DH考虑了不同密度冰凌的等值受风面积与标准密度冰凌受风面积的不同，我国规范也考虑了这一因素，并且考虑线路等级的提高和规范修订后覆冰重现期的增大，将体型系数一并校正在内形成了风荷载综合增大系数B1，15 mm冰区取1.3，20 mm以上冰区取1.5～2.0。可见在这一点上，我国规范与IEC较为吻合。

3 不均匀覆冰工况

当导线覆冰不均匀时，便会对杆塔形成极限弯矩或极限扭矩。《重冰规程》针对此种工况规定杆塔一侧覆冰100%，直线型杆塔另一侧覆冰按线路等级从一级到三级分别为20%、30%和40%，耐张塔则为0，15%和30%。此外，我国规范还对不平衡张力给出了最小限值。IEC标准也有类似规定，只是不均匀覆冰率为40%。但有一点应引起注意，《重冰规程》不均匀覆冰率的基准是设计冰重，而IEC标准的基准为0.7gR。这里以捷克Studnice覆冰观测站得到的年最大覆冰值［11］为基础，按极值I型分布推算，若gR重现期为50、150和500年，那么0.7gR对应的重现期分别为9.74、20.51和47.05年，分别与我国规范的10、30和50年接近，也即与《重冰规程》的设计荷载相吻合。另外，《重冰规程》三类线路40%的不均匀覆冰率也与IEC标准相同，只是在考虑一、二级线路的重要性时，将不均匀覆冰率提高。

CSA标准对覆冰率规定则有所不同，一侧覆冰率为30%，另一侧认为不覆冰，但这只是针对由冻雨覆冰的脱落造成的不平衡张力，CSA标准认为此种不平衡张力不大，而由冻雾覆冰造成的不平衡张力更为严重，需要进行气象观测。对于需要考虑严重覆冰荷载的情况，将不均匀覆冰率从0.3提高至0.5。

各国规范关于不均匀覆冰情况见表6，从表6中也可看出IEC标准中500年重现期的0.7gR对应于我国的50年重现期，而CSA中将不均匀覆冰率提高至0.5时与我国和IEC规程较为吻合。此外，IEC标准和CSA标准中同时提到由脱冰不均匀引起的不平衡张力，脱冰跳跃的危害除了减少线与线之间的距离外，对输电塔线体系也会产生强大的动力冲击作用［12］，这一点在输电线路设计中应逐步引起重视。

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4 断线工况

断线是输电线路承受的又一不利工况。《重冰规程》在断线时不考虑风荷载作用，但要计入冰荷载。对于中、重冰区的I～III气象分区，一至三类线路的断线覆冰率分别为70%、60%和50%，并规定了断线张力的最小限值。IEC标准在其结构稳定性要求中考虑到由断线引起的扭转，断线时不考虑风荷载和覆冰荷载，但对于易受恶劣天气影响的线路，可采用3年重现期的冰荷载或风荷载。因此，当变异系数σ/=0.2～0.7时，断线覆冰量与设计覆冰量的比值可用式(14)计算，由此得不同重现期的断线覆冰率见表7。

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从表7中可以看出，IEC标准断线覆冰率与我国规范规定的50%、60%和70%比较吻合，对应的变异系数为0.2。CSA标准关于这部分的内容全部引自IEC标准，故不再赘述。

5 结语

由于各国在荷载、可靠度等方面的设计理念存在差异，对输电线路覆冰规程的对比很难做到绝对的量化，基于上文的对比，总结如下:

(1)我国规范提倡利用基于概率论的数理统计方法进行线路覆冰研究，但由于缺乏长期的覆冰气象观测，这方面的应用程度低于国外相关规范，亟待改善。

(2)虽然我国荷载的重现期低于国外相关规范，但从实际的荷载取值对比来看，覆冰荷载的导线直径修正系数与IEC标准基本吻合，而导线高度修正系数大于IEC标准;与CSA标准的空间系数Sa具有一定相似性。由于线路最小风速的规定，覆冰时的风荷载与IEC标准、CSA标准较为吻合。

(3)因基准冰荷载选取和覆冰率的不同，我国以50年重现期为基准的不均匀覆冰荷载与IEC标准以500年重现期为基准时吻合，达到甚至超过CSA标准150年重现期的水平。我国一、二和三类杆塔的断线覆冰率亦与IEC标准、CSA标准中500、150和50年重现期对应的断线覆冰率相吻合。而我国随线路等级变化的覆冰率更为合理，但脱冰对输电塔线体系的动力作用在今后的规范中应逐步引起重视。

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