《架空输电线路荷载规范》新旧规范线条荷载计算的差异分析

2021-02-03

电力勘测设计 2021年1期

(中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司，江苏南京 211102)

0 引言

DL/T 5551—2018《架空输电线路荷载规范》(下文简称“新规范”)于2019年5月1日起正式实施，在该规范实施之前，输电线路杆塔荷载计算主要依据的规范为GB 50545—2010《110～750 kV架空输电线路设计规范》、DL/T 5154—2012《架空输电线路杆塔结构设计技术规定》(下文简称“旧规范”)。经过对比，新旧规范线条风荷载的计算与规范有较大区别。风荷载在输电线路工程设计中非常关键，它的变化同时将会引起线条张力、弧垂、杆塔受力等的变化，对工程安全可靠、经济合理至关重要[1]。本文结合工程实际问题，对新旧规范线条风荷载及受其影响的张力、弧垂计算进行比较和分析，为新规范在工程设计中的应用提供参考。

1 新旧规范线条风荷载计算公式对比

GB 50545—2010《110～750 kV架空输电线路设计规范》规定线条风荷载的标准值，应按下列公式计算[2]：

式中：WX为垂直于导线及地线方向的风荷载标准值；α为风压不均匀系数；W0为基准风压；μZ为风压高度变化系数；μSC为导线或地线的体型系数；βC为风荷载调整系数；d为导线或地线的外径；LP为杆塔的水平档距；B为导地线覆冰风荷载增大系数；θ为风向与导线或地线方向之间的夹角；V0为基本风速；各字母取值请参考GB 50545—2010《110～750 kV架空输电线路设计规范》。

DL/T 5551—2018《架空输电线路荷载规范》规定线条风荷载的标准值，应按下列公式计算[3]：

式中：WX、W0、μZ、μSC、d、LP、θ、V0与式（1）、式（2）中的含义相同；其余字母代表含义如下：βC为导地线阵风系数（与旧规范含义不同）；αL为档距折减系数；B1为导地线覆冰风荷载增大系数；γC为导地线风荷载折减系数；g为峰值因子；IZ为导线平均高z处的湍流强度；I10为10 m高度名义湍流强度；z为导、地线平均高度；α为地面粗糙度指数；εC为导地线风荷载脉动折减系数；δL为档距相关性积分因子；LX为水平向相关函数的积分长度；e为自然常数。各字母取值请参考DL/T 5551—2018《架空输电线路荷载规范》。

通过对比规范条文，新旧规范基准风压标准值W0、风向与导地线的夹角θ的取值和计算一致；线条风荷载计算公式对风荷载不均匀度、风压高度变化、体型系数、风荷载调整系数、覆冰风荷载增大系数等因素的表征方法差异对比如表1所示。

表1 新旧规范线条风荷载计算公式对比

从表1可以看出，旧规范用风压不均匀系数α来表征风压不均匀度[4-5]，新规范引入了导地线阵风系数βC、档距折减系数αL来表征风压不均匀度[3]，对风荷载的影响在下节中通过具体计算来对比；新规范的粗糙度系数由原来的0.16减小为0.15，意味着新规范导线风压随高度的增大趋势较旧规范有所减小[5-6]；新规范体型系数取值较旧规范变小；新规范取消了风荷载调整系数，低电压等级与500 kV及以上电压等级的风荷载差值将会减小[7]；对于覆冰风荷载增大系数，旧规范仅规定了不同冰区时的不同取值，未明确张力计算时的取值，而新规范明确指出张力计算时取值为1.0，采用旧规范计算张力时，各设计单位的取值习惯有所差异，本文在张力计算时新旧规范的覆冰风荷载增大系数均取1.0进行对比。

2 新旧规范对线路条荷载计算的影响对比

2.1 新旧规范线条张力计算对比

线路工程的张力计算有最低气温、平均气温、基本风速、覆冰四个控制工况[8]，其中最低气温与平均气温为无风工况，基本风速与覆冰工况为有风工况，风荷载计算值的变化将会引起控制工况的变化，进而影响到各代表档距的导线张力值。

选取常用的JL/G1A—630/45钢芯铝绞线，以基本风速27 m/s、覆冰10 mm为例，分别按新旧规范计算两种工况下不同基准高度用于张力计算的线条单位风荷载，结果见表2。

从表2可以看出，不同基准高度下大风工况线条单位风荷载新规范计算值较旧规范增大6%至10%之间，增大的原因主要是风压不均匀度计算的变化；随着基准高度升高增大量减小，原因是新规范粗糙度系数的减小。覆冰工况线条单位风荷载新规范计算值较旧规范计算值减小约25%，减小的原因主要是风压不均匀度计算的变化和体型系数的减小。

表2 新旧规范张力计算用线条风荷载对比

根据导、地线张力控制工况的计算原理，当无风工况控制时，新旧规范无风工况张力的计算值应一致，新规范大风工况张力的计算值应大于旧规范计算值，新规范覆冰工况张力的计算值应小于旧规范；当大风工况控制时，其他工况张力新规范计算值应小于旧规范；当覆冰工况控制时，其他工况张力新规范计算值应大于旧规范[8]。下面结合具体算例，对张力的变化做定量分析，以30 m作为基准高度，分别计算平均温控制(27 m/s风、10 mm冰)、大风控制(35 m/s风、10 mm冰)、覆冰控制(27 m/s风、15 mm冰)三种情况下不同代表档距的各工况张力值，新旧规范的计算结果见下表3～表5。

从表3中计算结果可以看出，平均温工况控制时，新规范大风工况张力计算值较旧规范增量在2%～3%之间，新规范覆冰工况张力计算值较旧规范略微下降；从表4中计算结果可以看出，大风工况控制时，新规范其他工况张力计算值较旧规范普遍下降6%～10%，这主要是由于新规范大风工况风荷载增大，其他工况导线张力计算时，新规范相对于旧规范相当于放松；从表5中计算结果可以看出，覆冰工况控制时，由于风荷载在覆冰工况综合荷载中所占比例较小，其他工况张力新规范计算值略有增加，其中大风工况张力计算值增幅最大是由于其风压不均匀度计算的变化，并非覆冰工况控制所致。

表3 新旧规范张力计算对比(平均温控制，27 m/s风、10 mm冰)

表4 新旧规范张力计算对比(大风控制, 35m/s风、10mm冰)

表5 新旧规范张力计算对比(覆冰控制, 27m/s风、15mm冰)

2.2 新旧规范线条弧垂计算对比

无风工况控制时，由于新旧规范高温工况的张力相同，高温弧垂也无变化[3,8]；大风和覆冰工况控制时，新旧规范的高温弧垂对比情况见表6～表7(弧垂计算时档距和代表档距取值相同)。

表6 新旧规范高温弧垂对比(大风控制，35m/s风、10mm冰)

表7 新旧规范高温弧垂对比(覆冰控制, 27m/s风、15mm冰)

从计算结果可以看出，覆冰工况控制时，新旧规范高温弧垂相差很小，设计时基本可忽略；而大风工况控制时，新规范高温弧垂计算值较旧规范增大0.5～3.5 m，其中对于500 m以上档距将会影响到杆塔排位呼高的选取。

2.3 新旧规范线条风荷载计算对比

根据表1的对比，在进行杆塔承受的线条风荷载计算时，旧规范的风压不均匀度仅与风速相关，新规范的风压不均匀度与计算高度和水平档距相关。下面以基本风速27 m/s、覆冰10 mm为例，对比新旧规范大风工况的单位线条风荷载计算值。

从表8计算结果可以看出以下几点：

1)旧规范单位风荷载值与水平档距无关，而新规范单位风荷载值随水平档距增大而减小，但仍大于旧规范。

2)在15 m及以下基准高时，新规范单位风荷载计算值较旧规范增大幅度达到19%以上，这是由于15m及以下基准高度对应的电压等级为220kV及以下，按照旧规范规定，不考虑风荷载调整系数βC[9]。

3)在20 m及以上基准高时，按照旧规范规定，风荷载调整系数βC取值为1.2，因此新规范相对于旧规范的风荷载增幅远小于15m及以下基准高。

4)扣除风荷载调整系数βC的影响，随着基准高度升高，新规范相对于旧规范的风荷载增大幅度减小，这是由于粗糙度系数的变化引起，与第1节的定性结论一致。

表8 新旧规范线条风荷载计算对比

在进行杆塔承受的线条风荷载计算时，风荷载还需根据相应横担的实际计算高度进行风压高度折算，为了进一步验证新旧规范粗糙度系数变化对不同计算高度风荷载的影响，下面取基准高度30 m，水平档距500 m，新旧规范不同计算高度下的单位风荷载的对比曲线如图1所示。

图1 新旧规范不同计算高度单位风荷载对比

在基准高度时，新规范单位风荷载计算值大于旧规范，但随着计算高度升高，旧规范单位风荷载计算值逐渐接近新规范，在计算高度达到70 m时，旧规范单位风荷载计算值反超新规范。考虑到220 kV及以下电压等级杆塔横担的计算高度往往难以达到70 m，且旧规范单位风荷载与新规范有较大差值，采用新规范计算杆塔承受的线条风荷载较旧规范将会有大幅增加；对于500 kV线路，在基准高度下新旧规范单位风荷载差值有限，且随着横担高度升高差值减小，可判断杆塔承受的线条风荷载较旧规范将会有适度增加；对于特高压线路，在基准高度下新旧规范单位风荷载差值较小，考虑到特高压线路杆塔计算高度及横担层间距较大，上层横担旧规范单位风荷载计算值将反超新规范[10]，可判断杆塔承受的线条风荷载新旧规范基本相当。