超高壓輸電線路耐張塔45°風荷載的計算與分析

王新宇，施菁華，曹玉杰，張耀民，杜國良

(華北電力設計院工程有限公司，北京市 100120)

0 引言

文獻［1］中規定:一般耐張型桿塔可只計算90°風向。這是因為耐張塔在90°風荷載作用下，導線、地線、塔身風壓與導線、地線張力引起的橫向力疊加，形成了耐張塔的主要荷載，而鐵塔前后側張力差相對較小，不起控制作用。

文獻［2］中規定:一般耐張塔可以只考慮90°和45°這2個風向;終端鐵塔除考慮90°風向外，還需考慮0°風向。但文獻［2］中沒有明確說明超高壓線路耐張塔是否必須考慮45°風向。

目前，特高壓線路耐張塔在設計時要求進行45°風荷載的計算，而其他電壓等級線路則不需要。因此，本文將研究45°風荷載對其他電壓等級耐張塔的影響，以及進行45°風荷載計算的必要性。

1 45°風荷載作用下線條荷載的計算

桿塔風荷載由3部分組成:線條風荷載、塔身風荷載和水平橫擔風荷載。

文獻［1-2］給出了線條風荷載的計算方法，如表1所示。表1中，Wx為風垂直導線、地線方向流動時，導線、地線風荷載的標準值。

對于耐張塔，除了風向角外，導線、地線本身與垂直于鐵塔橫擔的方向也存在夾角。在以往不考慮45°風荷載的耐張塔計算中，通常不計入這個夾角，而考慮45°風荷載后，由于大、小號側線條與45°風的夾角不同，需要將線條風荷載按十字分解法分解為垂直于導線、地線方向的力和順導線、地線方向的力，進而轉化為整體坐標下的x和y方向的力。采用該方法計算45°風荷載作用的耐張塔時，只考慮90°風的工況，塔腿主材內力增加，尤其對轉角度數較大的耐張塔，內力增幅可以達到10%。

表1 角度風吹時風荷載分配表Tab.1 Distribution of wind load under angle wind

上述方法沒有將耐張塔的導線、地線張力負荷視為隨垂直于導線、地線方向風速不斷變化的函數，因此對于不同轉角度數的耐張塔，在45°風荷載作用下線條張力減小。按照十字分解法對順線條和垂直線條方向分別進行計算［3］，其分解圖如圖1所示。

圖1 45°風對不同轉角線條作用Fig.1 Effect of 45°wind on lines of different angles

根據十字分解法可得

式中:α為轉角度數;Vc、Vs分別為順線路風速和垂直線路風速。

由文獻［4］可知:風向順線路時的線路風荷載與弧垂的3次方成正比，與檔距的平方成反比，其順線路方向的荷載比垂直方向的小。因此在計算45°風荷載工況時，可將設計風速折算到垂直線條方向上進行計算，各種工況下的風壓不均勻系數按照設計風速取值［5-8］。

2 500 kV耐張塔45°風荷載的計算

500 kV承德—平安城雙回輸電線路工程平丘段鐵塔基本設計條件如下:導線型號為4XJL/G1A-630-45/7;地線型號為JLB30-185鋁包鋼絞線、GJ-100;基本風速V=27.0 m/s;導線覆冰為5 mm;地線覆冰為10 mm。

耐張塔角度劃分為 SJ611(0°～ 20°)，SJ612(20°～40°)，SJ613(40°～ 60°)，SJ614(60°～ 90°)。45°風荷載工況下的耐張塔如圖2所示。

圖2 45°風工況下耐張塔Fig.2 Tension tower under 45°wind conditions

不同轉角度數下45°風(風速為27m/s)的風速換算見表2。

表2 不同轉角度數下45°風的風速換算Tab.2 Conversion of 45°wind under different deviation angles

由表2可以看出，小號側折算風速隨轉角度數的增加而增加，大號側折算風速隨轉角度數的增加而減小。由換算風壓進一步計算I～IV型耐張塔的線條荷載如表3所示，由于地線負荷較小，表3中僅列出導線的線條荷載情況。

從表3可以看出:換算后，除了0°轉角外，其余轉角度數下的小號側線條風壓較換算前增加，增加量隨耐張塔轉角度數的增加而增大;90°轉角時換算后的線條風壓可達換算前的2.6倍;換算后大號側線條風壓隨耐張塔轉角度數的增加而減少;90°轉角時，由于45°風向與線條方向重合，線條風壓為0。上導線風壓換算前后數值如圖3所示。導線橫向張力換算后小于換算前，縱向張力差換算后大于換算前，方向為負。將導線風壓十字分解至x-y坐標系，x向的風壓值換算后小于換算前，y向的風壓值換算后隨耐張塔轉角度數的增加而增大顯著，方向為正。

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3 超高壓耐張塔45°風荷載的計算

根據上述分析，耐張塔在計入45°風荷載后，不僅線條風壓發生變化，耐張塔兩側的導線、地線張力也發生變化;橫向張力減小而縱向張力差有所增加。因此，要判斷耐張塔在計入45°風荷載后對鐵塔的影響，需對鐵塔相關系數進行計算［9-10］。

以500 kV承德—平安城雙回輸電線路工程的耐張塔為例，本工程使用了3種型式的耐張塔，其在90°和45°風荷載作用下塔腿主材的內力見表4。

表4 500 kV交流線路耐張塔在90°和45°風荷載作用下塔腿主材的內力Tab.4 Internal force of main material of 500 kV AC tension tower leg under 90°and 45°wind

以±660 kV寧東—山東直流輸電線路工程耐張塔為例，該工程采用了3種型式耐張轉角塔:JC3042(20°～ 40°)、JC3043(40°～ 60°)、JC3044(60°～90°)，3種耐張塔在90°和45°風荷載作用下塔腿主材的內力見表5。

表5 ±660 kV直流線路耐張塔在90°和45°風荷載作用下塔腿主材的內力Tab.5 Internal force of main material of±660 kV DC tension tower leg under 90°and 45°wind

從表4、5可以看出，2線線路的耐張塔在計入45°風荷載作用后，塔腿內力比90°風荷載作用時的增加值均不超過1%，對塔體質量沒有影響。而在1 000 kV特高壓線路設計中，計入45°風荷載后塔腿內力比90°風荷載時增加0～3%，其原因是隨電壓等級的增加，塔的外形尺寸增大，風荷載的影響也在不斷增大。

4 結論

(1)按照折算風速對線路風壓及張力進行換算，換算后除0°轉角外，其余轉角度數下小號側線條風壓較換算前增加，增加量隨耐張塔轉角度數的增加而增大;換算后大號側線條風壓隨耐張塔轉角度數的增加而減少;90°轉角時，由于45°風向與線條方向重合，線條風壓為0;導線橫向張力換算后小于換算前，縱向張力差換算后大于換算前。

(2)對于500 kV雙回路和±660 kV直流輸電線路的耐張塔，計入45°風荷載作載后塔腿內力增加較小，對塔體質量的影響也較小，但隨著電壓等級增加、鐵塔外形尺寸的加大，塔腿內力有所加大。

(3)對于500 kV雙回路和±660 kV直流輸電線路的耐張塔，各種塔型在計入45°風荷載作用后內力增加均小于1%，對塔體質量的影響較小，所以在設計超高壓線路耐張塔時，可以將45°風荷載作為非必要工況進行設計。

［1］DL/T 5154—2002架空送電線路桿塔結構設計規定［S］.

［2］Q/DG 1-T003—2010架空輸電線路鐵塔設計技術導則［S］.

［3］中國電力工程顧問集團公司.1 000 kV錫盟—南京、淮南(皖南)—上海(皖電東送)特高壓交流線路工程桿塔設計原則［R］.北京:中國電力工程顧問集團公司，2011.

［4］邵天曉.架空輸電線路的電線力學計算(第2版)［M］.北京:中國電力出版社，2003.

［5］GB 50545—2010 110 kV～750 kV架空輸電線路設計規范［S］.

［6］康東升.500 kV緊湊型輸電線路的規劃設計［D］.山東:山東大學，2006.

［7］白鵬.淺析500 kV耐張塔在風荷載作用下的極限承載力［J］.華章，2011，27(9):12-15.

［8］GB 50009—2001建筑結構荷載規范［S］.

［9］王力爭.輸電鐵塔順風向風振系數計算方法的對比分析［J］.電力建設，1996，17(6)，19-22.

［10］李喜來.架空送電線路風荷載的探討［J］.電力建設，1994，13(S1)，34-37.