架空输电线路气象条件设计标准刍议

焦俊洲

摘 要：空气密度对输电线路风荷载计算的影响，现行技术标准缺乏明确规定，对设计冰厚离地计算高度规定亦欠合理.基于伯努利公式和克拉珀龙方程，分析指出对于中、高海拔地区的线路，空气密度对风荷载计算及风区划分的影响不容忽视，建议采用考虑空气密度的设计风压或设计标准风速为指标进行输电线路风荷载计算及风区划分；鉴于高度和档距对覆冰的综合影响，建议输电线路设计冰厚计算高度取导、地线平均高度.

关键词：架空输电线路；空气密度；设计风压：设计标准风速

一、对风压取值以风区及划分过程中出现的问题

对于风区风速的取值，根据《110kV～750kV架空输电线路设计规范》（GB50545-2010）对于基本风速的定义，即为“按当地空旷平坦地面上10m高度处10min时距，平均的年最大风速观测数据，经概率统计得出50（30）年一遇最大值后确定的风速”，但是，这种基本风速具体指的是哪一种空气状态下的风速并没有明确的规定。我国过去一般采用维尔达压板对风进行测量，它的刻度所反映出的风速都是根据统一的标准空气密度依据伯努利公式反算得出的结果。因此在计算风压时，风压系数取值为1600。近年来，我国有多个地区气象站先后安装了电接风向风速仪，其属于风杯式风速计，在观测中并未记录空气密度对风速的影响。就目前而言，在设计中，各电力设计单位一般是由气象勘测专业提供沿线气象站历年实测最大风速系列的频率分析结果，送电电气等专业据此进行线路风区划分，并仅按标准空气状态计算风荷载，进而提供给结构专业进行杆塔设计。而并未针对不同的空气密度对搜集到的风速进行修正。风区风速取值，根据现行标准，架空输电线路风区划分指标为离地10m高与电压等级相应的某一重现期的最大风速，即基本风速，而这样的“基本风速”是指何种空气状态下的风速，标准并无明确规定。电力设计单位大多由气象勘测专业提供沿线气象站历年实测最大风速系列的频率分析成果，气象、电气等专业据此进行线路风区划分。并仅按标准空气状态计算风荷载，进而提供给结构专业进行杆塔设计。因缺少明确规定，在上述过程中，各专业均可能未对基本风速施以空气密度订正，这在500m以下的低海拔地区问题并不突出。

二、风压取值及风区划分的建议

在设计中，采用考虑实际空气密度的设计风压来进行输电线路风区划分，再对照全国或地区风压图检查设计成果是否合理，并再按此值直接进行风荷载高度变化计算。

1.风速的地貌与高度转换，在大气边界层内，风速随离地面高度而增大。当气压场随高度不变时，风速随高度增大的规律，主要取决于地面粗糙度和温度垂直梯度。通常认为在离地面高度为300～550m时，风速不再受地面粗糙度的影响，也即达到所谓“梯度风速”，该高度称之梯度风高度。

2.以设计风压为指标，当采用设计风压为指标划分风区时，对于沿线空气状态与标准空气状态差异较大的地区，如高程在500m以上的中、高海拔地区，应当考虑当地实际的空气可能己远非标准空气状态，而不是简单地将风压系数取l600直接计算设计风压。以设计风压为指标划分风区，有如下优点；①有利于风区划分成果的合理性检查。实际工程中，常以全国或地区基本风压图反算风速，进行输电线路设计风速合理性检查，或直接风速区取值的依据。以设计风压进行划分风区，便于和基本风压图比较，避免由风压反算风速，因为这样的“反算”易因有否考虑空气密度带来误差。②可直接进行风荷载高度变化计算。现行《建筑结构荷载规范》按4类地貌（粗糙度），给出了离地（水）面5--450m高度的风压高度变化系数表。当以风压划风区，电气或结构专业以10m高的设计风压为基准，可直接换算为线路沿线实际地貌类别下不同高度的风荷载，以便于实际操作。

三、设计覆冰厚度的计算高度

1.导线悬挂高度对覆冰产生的影响，覆冰随导线悬挂高度而增加，其第一原因就是结冰时风速随高度的增加而增加，风速愈大，导线获取的水滴、冰晶就越多，覆冰也就越大；另外就在覆冰增长期间内，空气含水量随高度的增加而增加，水分含量越来越多，覆冰则大。大量实测资料说明，不同悬挂高度覆冰厚度比KZ是高度比的幂函数，即KZ（Z/Z0）式中：Z为计算离地高度；Z0为气象站电线悬挂高度，一般为2.0m；为指数，表示冰厚随高度变化的关系，综合反映了风速、含水量、捕获系数等随高度的变化，与覆冰类型有关。

2.档距对覆冰的不同的影响，覆冰总是首先在导线迎风面上生成增长，当达到一定重量时，导线因承受偏心荷重而产生扭转，覆冰有可能在导线各个侧面生成，并逐渐增长，从而导致导线上的覆冰愈积愈大。由于扭转角度与L2/d4（L为档距长度，d为导线直径）成比例，而L>>d，因此档距愈大扭转角度就愈大。在档距达到一定长度时，中央线段的扭转程度要比兩端线夹附近大。随风运动的水滴或者冰晶得以比较均匀地积聚到扭转导线的整个表面，使该段覆冰较厚较重，而两端线段难以扭转，覆冰主要积聚在迎风一侧，覆冰就较薄较轻。

3.设计覆冰厚度取值中出现的问题，根据现行的行业标准，输电线路设计基本风速离地（水）面高度为10m，设计专业可以根据这一数据为依据计算风压，查风压高度换算系数表给出结构各高度设计风压。与风荷载不同，对冰厚的计算高度，技术标准曾缺少明确规定。实际工程中，常跟随基本风速对高度进行计算，例如110kV、220kV及330kV线路风速离地高度曾取值为15m，500kV线路离地高度曾取20m，设计冰厚取值高度分别取15m和20m。当现行规程基本风速离地高度改为10m高的时候，冰厚取值高度按10m。应当说，这种“跟随”是没有依据的。由于对设计覆冰厚度，设计专业并不象风荷载计算那样进行高度换算，只需要设计冰厚取值一经取定，则各高度结构的覆冰荷载都按此方式进行计算。事实上，如果对设计覆冰厚度的计算高度取离地十米高，对于110～750kV一般输电线路，而言，由于呼高相对不高，计算高度的取值对覆冰厚度的影响较小，一般不会影响设计覆冰厚度的取值。而对于1000kV、±800kV线路、同塔多回路等输变电工程，尤其在大跨越的工程中，由于其呼高（呼高100m以上）档距大（1km以上），计算高度的取值将对设计覆冰厚度产生较为明显的影响。各电压等级输电线路技术标准虽均规定：除无冰地区，大跨越设计冰厚较附近一般线路增加5mm。但对于呼高较高的特高压线路、同塔多回路塔，是否也按此执行还有待商榷。

四、设计冰厚计算高度的建议

对于呈弧垂状的导地线而言，覆冰的档距订正系数随高度增高而减小，高度订正系数随高度增高而增大。因此，大档距线路导、地线的最大覆冰既不在最高悬挂点，亦不在弧垂最低点。在设计中，设计覆冰厚度一经取定，一般不像风荷载

那样再行高度换算，因此建议在架空输电线路设计覆冰厚度计算高度取导、地线平均离地（水）面高度。为便于操作，可取力学计算用各电压等级线路导线平均离地高度，用作各电压等级覆冰离地计算高度，即110～330kV线路取15m；500kV、500kV、750kV线路取20m；800kV、1000kV线路和同塔多回路取30m；大跨越工程取导地线平均离水面高度。

随着架空输电线路的不断规划和完善我国大档距跨越塔、同塔多回路塔等高塔得到了有效应用，技术水平还有待提高，技术人员要从多种角度分析研究问题，合理划分架空输电线路的区域，并进行全面检查，对存在的突出问题采取有效措施进行完善，合理区划分架空气象线路，并根据方案设计进行风速调整以及覆冰厚度计算高度高度的取值，将会大袋提高设计的准确性和严谨性，带动经济效益最大化。

参考文献

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