《架空输电线路电气设计规程》对架线张力和风偏计算的影响分析

周文武，江 岳，李小亭，谭浩文，张小力，李静波

(1. 中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司，陕西 西安 710075；2. 国网经济技术研究院有限公司，北京 102209)

0 引言

DL/T 5582—2020《架空输电线路电气设计规程》(以下简称“新规范”)于2021年2月1日起正式实施，在该规范实施之前，输电线路风偏、架线张力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》(以下简称“旧规范”)。经过对比，新规范风偏及架线张力的计算与旧规范有较大区别。风偏及架线张力在输电线路工程设计中非常关键，它的变化将引起线条张力、弧垂、塔头间隙、对地距离等的变化，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，对新旧规范风偏、架线张力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

旧规范规定基准风压标准值应按式(1)～ (2)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为导线或地线外径；Lp为杆塔水平档距；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；V为基本风速。

新规范规定风荷载的风偏设计值应按式(3)～ (8)计算[3]。

式中：Wx、W0、μz、μsc、d、Lp、θ、V 与式 (1)～ (2)中的含义相同；βc为导地线阵风系数；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。

在计算架线张力和风偏时覆冰风荷载增大系数B取1.0，旧规范中风荷载调整系数βc取1.0，因此，新、旧规范在风偏风荷载和架线张力计算中仅对风荷载不均匀度、风压高度变化、体型系数的表征方法存在差异，其对比见表1所列。

表1 新旧规范风偏风荷载计算公式对比

从表1可以看出，新旧规范对风压不均匀度的定义不同，新规范借助风工程理论，将瞬时风速看成是由平均风速和脉动风速的叠加，将风压不均匀度用阵风系数βc和档距折减系数αL来表征，意义更明确，并与IEC 60826、美标ASCE 74和欧标EN 50341接轨[5-7]。依据《建筑结构荷载规范》，新规范的粗糙度系数在B类地区由原来的0.16减小为0.15[8]，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。新规范体型系数取值较旧规范变小。

2 新旧规范风偏、张力计算系数的对比

通过上节分析，新、旧规范计算公式中有区别的是系数 αL、βc、μz和 μsc，而这四个系数的取值主要受风速、水平档距和平均高的影响，下面计算 αL·βc·μz·μsc在不同规范下随风速、水平档距和平均高的变化规律。

2.1 αL·βc·μz·μsc随风速的变化规律

以750 kV线路为例，水平档距取500 m，平均高取23 m，计算风偏荷载用、风偏张力用和架线张力用 αL·βc·μz·μsc系数随风速变化规律如图1～图3所示。

图1 风偏荷载用αL·βc·μz·μsc随风速的变化规律

图2 风偏张力用αL·βc·μz·μsc随风速的变化规律

图3 架线张力用αL·βc·μz·μsc随风速的变化规律

由图1和图2可以看出，计算不同风速下风偏荷载和张力时，新旧规范差值较小，因此，新规范对不同风速下塔头尺寸设计的影响较小。此外，旧规范将风压不均匀度按平均风来定义，各系数乘积随风速的变化存在突变，这种情况很难从理论上做出解释，而新规范引入脉动风的影响后，解决了这种突变现象。

由于新规范在计算架线张力时，脉动折减系数εc取0，风荷载折减系数γc统一取0.9，因此，αL·βc·μz·μsc系数不随风速变化，而旧规范依据风速的不同取值存在差异，如图3所示。从图中还可看出，当风速大于31.5 m/s时，新旧规范计算系数相差15%。

2.2 αL·βc·μz·μsc随水平档距的变化规律

以750 kV线路为例，风速取27 m/s，平均高取23 m，计算风偏荷载用、风偏张力用和架线张力用 αL·βc·μz·μsc系数随水平档距变化规律如图4～图6所示。

图4 风偏荷载用αL·βc·μz·μsc随水平档距的变化规律

图5 风偏张力用αL·βc·μz·μsc随水平档距的变化规律

图6 架线张力用αL·βc·μz·μsc随水平档距的变化规律

旧规范中系数 αL、βc、μz和 μsc与水平档距无关，所以图4～图6中旧规范用系数随水平档距均保持不变。新规范中仅系数αL与水平档距相关，但计算张力时脉动折减系数εc取0，因此也与水平档距无关，所以图5～图6中新规范用系数随水平档距也保持不变。

从图4可以看出，新旧规范在计算风偏荷载时，存在临界档距，当水平档距小于临界档距时，新规范计算出的风偏荷载偏大，当水平档距大于临界档距时，新规范计算出的风偏荷载偏小，这是由于新规范中档距相关性积分因子δL随水平档距非线性减小的原因，由此，新规范对低电压等级线路摇摆角的影响更大。

2.3 αL·βc·μz·μsc随平均高的变化规律

以750 kV线路为例，水平档距取500 m，风速取27 m/s，计算风偏荷载用、风偏张力用和架线张力用 αL·βc·μz·μsc系数随平均高变化规律如图7～图9所示。

图7 风偏荷载用αL·βc·μz·μsc随平均高的变化规律

图8 风偏张力用αL·βc·μz·μsc随平均高的变化规律

图9 架线张力用αL·βc·μz·μsc随平均高的变化规律

在不同平均高下，新规范计算系数基本大于旧规范，但相差不大，尤其是风偏荷载用系数随平均高的增加，新旧规范相差越来越小，并出现倒转，所以新规范对低电压等级线路摇摆角的影响较大。虽然新规范将粗糙度系数在B类地区由原来的0.16修正为0.15，但其考虑了脉动风风压不均匀的影响，计算系数整体还是大于旧规范。

3 新旧规范对摇摆角、架线张力计算的影响

3.1 摇摆角计算对比

运用新旧规范计算典型220～1 000 kV线路导线悬垂串摇摆角，其中基本风区均取27 m/s，Kv系数取0.75，各电压等级下导线型号、代表档距、水平档距和平均高均取典型值，计算结果见表2所列。

由于旧规范校验用α在工程设计中主要用于排位条件下的风偏校验，并非在塔头设计时使用，并且在小档距时与设计用α的差别也比较大，考虑到新规范已有档距折减系数αL，因此风偏设计不再考虑风偏校验的因素。

从表2可以看出，新规范对500 kV及以下电压等级线路摇摆角影响较大，其中220 kV线路达到2.65°；对500 kV以上线路摇摆角影响较小，且新规范计算值基本偏小。因此，新规范的发布势必影响500 kV及以下电压等级线路杆塔的设计及典型设计的运用。该现象可以通过图4和图7解释，由于电压等级越低，水平档距和平均高越低，档距相关性积分因子δL和湍流强度Iz越大，从而导致风偏计算用风荷载越大，摇摆角越大。

表2 新旧规范摇摆角计算条件

3.2 张力计算对比

3.2.1 风偏张力计算对比

以220 kV、750 kV线路为例，计算大风控(40 m/s)和非大风控(27 m/s)下新旧规范风偏张力差值百分比如图10～图11所示，其他计算参数同3.1节。

图10 220 kV线路风偏计算用张力对比

图11 750 kV线路风偏计算用张力对比

通过图10、图11可以看出，在非大风控制下，新旧规范风偏张力计算值差值在2%以内，对线路塔头尺寸的设计影响不大。当张力控制工况为大风时，新规范计算值比旧规范计算值小约12%，以直线带3°角为例，计算220 kV及750 kV线路摇摆角见表3所列。

表3 直线带角度下新旧规范摇摆角计算对比

220 kV线路在大风控下，新规范风偏张力计算值偏小，但在不带角度时摇摆角计算值偏大，综合影响下，新旧规范在带角度直线塔摇摆角的计算上相差不大。750 kV线路不考虑纵向力时，新旧规范计算值相差不大，考虑纵向力后，由于新规范张力计算值偏小约12%，其计算摇摆角减小约1°。

3.2.2 架线张力计算对比

以220 kV、750 kV线路为例，计算大风控(40 m/s)和非大风控(27 m/s)下新旧规范架线张力差值百分比如图12～图13所示，其他计算参数同3.1节。

图12 220 kV线路架线用张力对比

图13 750 kV线路架线用张力对比

通过图12、图13可以看出，在非大风控制下，新旧规范非大风工况架线张力计算值差值在0.5%以内，对线路定位弧垂无影响。在大风控制下，新旧规范非大风工况架线张力计算值差值百分比约为12%，势必影响线路定位弧垂。以大风控为例，计算220 kV及750 kV线路定位弧垂见表4所列。

表4 新旧规范定位弧垂计算对比

表4中750 kV线路400 m以下代表档距张力控制工况非大风工况。由表4可以看出，在大风控制下，新规范定位弧垂均较旧规范偏大，其中220 kV线路在400 m代表档距下弧垂差值达到近2 m，750 kV线路在500 m代表档距下弧垂差值近2.5 m，新规范对大风区线路架线影响较大，需重点关注其弧垂的变化，避免交跨间距的不足。

4 结论

1)在风荷载计算公式上，新、旧规范在风偏荷载和架线张力计算中对风荷载不均匀度、风压高度变化、体型系数的表征方法存在差异，综合各差异系数，其受风速的影响较小，主要受水平档距和平均高的影响。其中计算风偏荷载时的综合系数随水平档距变化时，存在临界档距，当水平档距小于临界档距时，新规范计算出的风偏荷载偏大，当水平档距大于临界档距时，新规范计算出的风偏荷载偏小。

2)新规范对500 kV及以下电压等级线路摇摆角影响较大，对500 kV以上线路摇摆角影响较小。

3)在非大风控制下，新旧规范风偏张力计算差值较小，对线路塔头尺寸的设计影响不大。在大风控制下，新规范计算值比旧规范计算值偏小。

4)在非大风控制下，新旧规范非大风工况架线张力计算差值在0.5%以内，对线路定位弧垂无影响。在40 m/s大风控制下，新旧规范非大风工况架线张力计算值差值百分比约为12%，使得220 kV线路在400 m代表档距下，定位弧垂增加约2 m，750 kV线路在500 m代表档距下，定位弧垂增加约2.5 m，新规范对大风区线路架线影响较大。