架空输电线路防风能力评估分析

2019-02-21朱阳

通信电源技术 2019年1期

朱阳

（中国南方电网有限责任公司超高压输电公司广州局海口分局，海南海口 570100）

0 引言

台风是一种全球发生频率高、影响严重的自然灾害。我国位于太平洋西岸，是世界上受台风影响严重的国家之一。我国平均每年台风登陆次数9.5次，而广东省平均每年台风登陆次数为3.54次，位居全国各省之首。

随着沿海地区经济建设的发展，沿海输电线路密度增长较大，而日趋频繁的极端天气如台风灾害，给广东等沿海地区电网造成了极大威胁。2014年威马逊、2015年彩虹等台风，均对电网造成了重大损失。尤其是2017年8月台风“天鸽”，广东电网出现多次线路、杆塔受损跳闸，澳门电网损失全部负荷，珠海电网遭受重创，用时近一周才全部恢复电力供应。

跨越琼州海峡的500 kV跨海电力联网输电系统（以下简称“联网系统”）于2009年6月30日投入使用，是海南全岛电网连接大陆南方电网主网的唯一通道。海南联网线路在安全平稳供电、电力迎峰度夏、防风防汛、配合核电安全运行、博鳌论坛年会、文昌卫星发射等重要供电活动中，发挥了重要作用，被海南省政府表彰为“定海神针”。下面将以海南联网系统输电线路为例，探讨沿海台风多发地区现有输电线路防风能力的评估方法。

1 架空输电线路防风能力评估方法

输电线路的可靠性由各杆塔最大耐受风荷载水平决定。杆塔最大耐受风速是指实际发生倒塔时的临界风速。杆塔结构按概率方法设计，其中杆塔结构强度的代表值即标准值（一定保证率的代表值，对于杆塔钢结构为95%）。一般认为，当结构外负荷导致的结构应力（荷载效应）超过强度代表值（标准值）时，结构破坏的可能性较高；当结构荷载低于此数值时，结构破坏的可能性较低，因此结构破坏的临界值为标准值。结构是否破坏的验算应采用标准组合，验算得出某一风速下结构主要风控受力构件最大应力已达到其强度标准值，此风速即为结构最大耐受风速。若超过此风速，结构受力构件保证率将较低，结构破坏的可能性将较大。

通过线路各杆塔耐受风速的计算和耐受风速的概率计算推导可知，线路的抗风可靠水平和各杆塔抗风可靠水平取决于各杆塔耐受风速和耐受风速超越概率。

1.1 风荷载计算

对于输电线路风荷载的计算，各国设计标准依据历史与经验各自不同。美标、欧标现行线路设计标准下的风荷载计算基于风工程理论，充分考虑了阵风效应，故其设计风速即为其耐受风速。例如，美标按60 m/s（3 s时距，33 ft高）风速设计的杆塔，在设计使用条件下最大可抵御一个10 m高3 s阵风最大风速为60 m/s的风灾，即当一个10 m高3 s阵风风速远大于60 m/s时，按此设计的铁塔倒塌的可能性大，当一个10 m高3 s阵风风速小于60 m/s时，此铁塔倒塌的可能性不大。

与美标、欧标相比，中国设计标准中阵风效应考虑得并不充分，采用的风荷载包含安全系数（分项系数）。按中国现行标准，一个风速35 m/s（10 m高10 min平均值）设计的铁塔不仅能承受一个10 m高10 min测得平均风速为35 m/s的大风，也可以承受更大的情况。究其原因，在于它在设计中有总乘积为1.54的分项系数。但是，它一般也无法承受一个风速为设计风速1.24倍（相当于风力1.54倍）的风灾，因为在风荷载计算中未充分考虑阵风效应。

1.1.1 风荷载计算推导理论基础

较为精准的风荷载计算必须与欧美标准一样，按风的数学模型构建和风工程理论计算。但是，中国的风荷载空间时间关系必须基于中国的水文气象观测结果，即风荷载作用计算公式推导理论基础方法与欧美标准一致，而风场参数宜按中国地域的气象统计结果取值，如风压高度变化系数、湍流度等。

作用在结构上的风有一个速度大小时刻变化的过程（风时程）。为了简单地利用拟静力计算结构风响应，可以将风分为平均风和脉动风，通过分析计算得到结构的平均风响应和脉动风响应，将两者叠加最终获得风的总响应即总风荷载。

如图1所示，由风速时程曲线可得风速相关曲线，建立相关曲线的数学表达式即相关函数，然后通过傅里叶变换得到风速功率谱的数学表达式，从而将结构的时域问题转换为频域问题[1]。

图1 风速时程曲线

如图2所示，脉动风数学处理即通过反应谱法将时域问题转化为频域问题，不仅考虑了结构在风作用过程中的阵风效应，而且结果具有概率统计意义。

结构位移的自谱函数表达式为：

式中，H(n)为结构的频率响应函数，SF(n)为荷载自谱。

位移的方差可通过对位移自谱函数积分求得，并代入团流度I=σv/V可以得出：

图2为典型的高耸结构反应函数与对应反应谱。

通过近似数学分离处理手段，忽略第三段贡献，脉动响应可以分为背景响应分量①和共振响应分量②，则式（2）可表示为：

其中kb和kr分别为背景响应因子和共振响应因子，则风的总响应除以风的平均响应的风振系数βw可以表示为：

其中g为峰值因子，《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）推荐取值为2.5。

图2 风谱、响应函数与反应谱曲线

1.1.2 导地线风荷载推导

导地线作为柔索，其自振振型密集复杂。广东院在承担的南网科研项目中采用时程仿真分析发现，其共振响应远小于背景响应，可忽略不计，且欧美日各国的线路设计标准也忽略了共振响应。

1.1.3 绝缘子风荷载计算

绝缘子作为导线延伸的一部分，其脉动作用应与导线脉动作用叠加并产生相关性折减，因此绝缘子背景积分结果与相连导地线近似相等，取相同阵风系数。

式中，x、y代表垂直于导线方向与顺导线方向；b为绝缘子风振系数，取其与连接的导地线、跳线的风振系数βl相等；n为绝缘子串数；μz为绝缘子平均高处的风压高度变化系数；μsi为绝缘子体型系数，一般取1.0或取试验数据；S为绝缘子串承受风压面积计算值，单位为m2。λi为绝缘子串风荷载屏蔽等效折减系数。对单串，λi取1.0；对多串，计算Wxz时，λi取1.0；计算Wyz和Wxj时，双联λi取0.7，三联λi取0.5，四联λi取0.4；对于V串，不考虑为双联串，将其视为分离的两个单串不折减。

1.1.4 塔身风荷载推导

我国建筑荷载规范采用惯性荷载法确定风动力等效静力风荷载，其数值等于平均风荷载加脉动风荷载引起的惯性力，最终表达为风振系数乘以平均风荷载。但是，它的计算涉及铁塔不同部位的相关性组合，较为繁杂，因此给出了结构体型、质量分布均匀等特殊情况下的背景响应近似公式。而对于程序计算，完全可以按随机振动理论精确求解结构一阶振型下的等效背景响应，得出对质量分布及体型分布不做限定的背景响应。

任意高度Zi处的平均风荷载为：

其中，d(zi)、r(zi)分别为Zi质点处的体型系数和挡风面积，n为自由度数，W0为基本风压。

1.2 结构验算

1.2.1 杆塔结构验算

杆塔结构验算一般采用标准组合，即按式（6）验算：

其中，S为荷载标准组合效应；Wv为风速为v下的风荷载及其他相应条件下相应荷载如重量荷载等的标准组合；R为结构构件抗力；fy为结构构件强度标准值，角钢、钢管杆件、节点板取屈服值，螺栓强度标准值按设计值的1.2倍计算。

我国并没有螺栓强度的标准值。欧州架空线路设计标准EN50341-2012中，螺栓强度代表值约为我国标准螺栓强度设计值的1.2倍。美标ASCE10-97中，螺栓强度代表值约为我国标准螺栓强度设计值的1.5倍。如果从钢材强度设计值与标准值匹配的角度取值，应该取螺栓强度验算代表值为设计强度值的1.1倍。但是，考虑到中国标准中为了较强的节点设计，螺栓设计强度取值较为保守，最终验算标准组合中的螺栓强度代表值取为设计值的1.2倍。

如表1所示，可以验算已有结构是否满足式（6）的最大风速Vmax，此风速为铁塔的耐受风速。验算控制杆件为铁塔主材、斜材及其端部节点等主要风控受力杆件，此类构件的破坏退出工作可导致结构成为可失稳坍塌结构，因此验算时应甄别局部超静定隔面构件。超静定隔面类构件应力超限不一定导致结构失稳。

我国结构抗力设计值比欧美规范略微保守，铁塔真型力学试验表明：按我国结构标准设计的铁塔抗力一般为设计值的110%～150%，为标准值的100%～135%，因此按标准值作为抗力代表值是合适的。由于钢管结构稳定性较好，铁塔结构抗力水平一般都超过设计值的120%，故钢管塔抗力相对较高，且钢管结构较好的延性也有利于抵抗风脉动。在结构验算中，将钢管构件的压稳稳定系数取值由规范的b类柱子曲线提升至a类截面柱子曲线，稳定系数取值提升10%左右，角钢塔与钢管塔的抗力评价更加匹配。

1.2.2 杆塔结构基础连接验算

基础连接一般有插入角钢与地脚螺栓两种。插入角钢外露部分与塔腿连接一体为杆塔结构的一部分，其验算在杆塔结构验算中完成。插入角钢进入基础部分的锚固力远大于其外露部分的承载力。中国标准的插入角钢设计方法与设计公式引用美国标准，但锚固力设计值不足美标的80%，因此验算时锚固力标准值可取设计值的1.2倍。

如表2所示，欧美标准对应耐受风速荷载的强度设计值是中国标准的地脚螺栓强度设计值的1.35～1.5倍。对于验算情况对应的标准组合，材料宜采用标准值。由于地脚螺栓无强度标准值，考虑我国的地脚螺栓强度设计值较国外标准相对保守，风灾中破坏现象较少。对于耐受风速验算，地脚螺栓抗拉强度（允许值）取1.2倍螺栓设计强度。

以上输电铁塔风荷载计算方法与欧美日等国际较为通行的标准基本一致，也基本为新编的行业规范《架空输电线路荷载规范》（仍在修编）所采纳，但与我国现行国标“10规范”及历史上其他线路规范均有较大不同，反映了按历史上多版规范设计的线路杆塔抗风能力不能简单地从标准推导，而需要通过较精确的计算方法进行验算评估。