輸電線路抗冰設計規程比較

管政，謝強，2，李繼國

(1.同濟大學建筑工程系，上海市，200092;2.土木工程防災國家重點實驗室(同濟大學)，上海市，200092)

0 引言

1 覆冰荷載

1.1 設計冰荷載的確定

作為氣象荷載的一種，輸電線路覆冰應通過長期氣象觀測，進行數理統計分析，才能得到基于某一重現期的設計值。對此，我國規范與IEC標準、CSA標準都有統一的認識，且都推薦采用極值I型分布作為覆冰的概率模型。但IEC標準也提出，并不是所有區域的覆冰概率模型都與極值I型分布吻合，還需要利用觀測數據對模型進行調整。我國幅員遼闊，氣象區域性明顯，也應根據各地觀測數據進行覆冰概率模型的選擇。

《線路規定》、《重冰規程》規定輕冰區導線覆冰厚度為10 mm及以下;將中、重冰區分為I～VI共6個氣象分區，中冰區導線覆冰厚度為15和20 mm，重冰區導線覆冰厚度分別為20、30、40和50 mm;地線覆冰厚度應較導線增加不小于5 mm。IEC未給出具體的設計冰荷載取值，如果有20年以上的氣象觀測數據及線路所在地區5年以上的覆冰數據，則可用式(1)計算。

式中:g為年平均最大覆冰荷載，N/m;Kn為觀測年數修正系數;Kh為導線懸掛高度修正系數;Kd為導線直徑修正系數;Kσg為當觀測年數趨于無窮時，重現期T和變異系數σg/對覆冰荷載的修正系數。

對于在觀測年數內僅有1個覆冰最大值gmax這一特殊情況，IEC標準規定=0.4 gmax，σg=0.5。為簡便起見，IEC標準認為地線覆冰厚度與導線相同。

與之前所提規范不同，CSA標準給出2種確定覆冰荷載的方法:確定性設計方法;基于可靠度的設計方法。確定性方法直接給出4種不同荷載條件下的設計冰荷載，如表1所示。

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基于可靠度的設計方法給出的計算公式為

劉崐辭世后，家里一貧如洗，家人對他的安葬成了最大的問題。他的弟子門生感其為人，湊足一萬兩銀子，合力把他的遺體埋葬在岳麓區的一處山丘，并置下墓地墓廬，墓名為“皇清誥授光祿大夫湖南巡撫劉公韞齋府君之墓”。 2010年6月，長沙市文物局在第三次全國文物普查中，在岳麓區含浦鎮玉江村羅家灣發現了劉崐的墓,由此揭開了該地“學士”名稱的來歷之謎。后人因對他的懷念，將其墓地附近的一條路命名為學士路。當今，在含浦鎮有一個村落叫學士村，有一個收費站叫學士收費站，有一條大道叫學士路,有一所學校叫周南學士實驗學校。人們自發地緬懷著紀念著劉崐,他已永遠活在湖南人民心中。

式中:Wi為單位長度冰荷載，N/m;d為導線直徑，mm;tT為覆冰厚度;Sa為空間影響系數，取1.5。

式(2)中乘以空間系數Sa的原因有2個:(1)CSA標準認為輸電線路通常穿越廣闊區域，某一測站記錄的覆冰數據不太可能代表整條線路的年最大覆冰值，因此考慮1個空間系數是有益的;(2)CSA標準所采用的用于預測雨淞覆冰的Chaine模型模擬的是離地10 m高度處的導線覆冰厚度，因此還需對導線懸掛高度進行修正。

1.2 設計冰荷載的直徑修正和高度修正

由于覆冰觀測是針對特定導線直徑和離地高度而言，因此在應用至其他情況時，必須進行導線直徑修正和離地高度修正。部分國家和學者提出了電線覆冰高度修正公式［9］，現有研究及實測［10］表明:覆冰厚度或重量隨導線懸掛高度的增加而增加;覆冰重量隨導線直徑的增加而增加;覆冰厚度隨導線直徑的增加而減小。我國《高聳結構設計規范》在其條文中規定，圓形截面架空線的覆冰荷載按式(3)計算。

式中:q為單位長度上的覆冰荷載，kN/m;b為基本覆冰厚度，mm;d為架空線直徑，mm;α1為與構件直徑有關的覆冰厚度修正系數，見表2;α2為覆冰厚度的高度遞增系數，見表3;γ為覆冰重度，取9 kN/m3。

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IEC標準中的高度和直徑修正系數分別是式(1)中所提到的Kh和Kd，與《高聳結構設計規范》不同之處在于，IEC標準修正的是覆冰重量，而《高聳結構設計規范》修正的是覆冰厚度。現將我國規范中的覆冰厚度修正系數換算成按覆冰重量計算的修正系數，并分別繪制于圖1和圖2。

IEC標準是以離地10 m高度，導線直徑30 mm時的覆冰重量為基準，其他情況通過Kh和Kd進行調整;而《高聳結構設計規范》是以離地10 m高度，構件直徑10 mm時的覆冰厚度為基準。為便于比較，以30 mm直徑對應的覆冰重量為基準計算得到直徑修正系數如圖1所示;如果導線直徑定為30 mm，則可按不同高度計算得到高度修正系數如圖2所示。從圖可中見，《高聳結構設計規范》和IEC標準的直徑修正系數吻合較好，《高聳結構設計規范》的高度修正系數較IEC標準偏大，偏于安全。通常情況下，大多數導線直徑約為30 mm，懸掛高度為50～100 m，按《高聳結構設計規范》計算得 α1α2=1.28～1.6，與CSA標準規定的Sa=1.5具有一定的相似性。

2 覆冰時的風荷載計算

2.1 風速的確定

具有相同重現期的冰荷載和風荷載一般不會在冰、風共同作用時同時發生，所以要進行組合，使組合效應仍具有和單獨作用時相同的重現期。對此，《重冰規程》給出了覆冰時10 m高度處的同時風速:中冰區為10 m/s，重冰區為15 m/s。IEC標準在這方面考慮了表4列舉的3種組合情況。

表4 IEC標準荷載組合Tab.4 Load combination in IEC standard

其中，VIH和 VIL在沒有充足觀測數據情況下，可在參考風速VR(重現期為T的風速)基礎上乘1個風速降低因子Bi得到。

與IEC標準類似，CSA標準規定的風速降低因子為0.6～0.75。由于我國規范規定500～750 kV輸電線路的基本風速不宜低于27 m/s，按IEC標準規定計算得VIL=16.11～22.82 m/s，VIH=10.74～13.43 m/s;按CSA 標準規定計算得V=16.11～20.25 m/s。可見，我國規范規定的中冰區10 m/s同時風速和重冰區15 m/s同時風速與IEC標準的VIH吻合較好，但較CSA標準偏小，由此可知最小風速的規定具有一定的合理性。

2.2 風荷載的確定

風速確定之后，便可計算作用在導、地線上的風荷載。《重冰規程》計算作用在覆冰導、地線上的風荷載公式如下。

式中:Wx為垂直于導、地線方向的水平風荷載標準值，kN;α為風壓不均勻系數;βc為500和750 kV線路導、地線風荷載調整系數;μz為風壓高度變化系數;μsc為導、地線體型系數;d為導、地線覆冰外徑，mm;Ln為桿塔的水平檔距，m;B1為中、重冰區導、地線及絕緣子覆冰后風荷載增大系數;θ為風向與導、地線方向之間的夾角，(°);W0為基準風壓標準值，kN/m2;ν為基準高度10 m處風速，m/s。

IEC標準考慮表4中前2種組合情況下的風荷載計算。

組合1:

組合2:

式中:Ac1、Ac2為風荷載，N;qOH、qOL為風壓，N/m2;CIH、CIL為有效阻力系數，見表5;Gc為導、地線綜合系數;GL為檔距折減系數;DL、DH為覆冰導、地線直徑，mm;gL、gH為單位長度覆冰重量，N/m。

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對比《重冰規程》和 IEC 標準，μsc和 CIH、CIL的含義是相當的，都是考慮覆冰對導、地線體型系數的影響。IEC標準中的DL、DH考慮了不同密度冰凌的等值受風面積與標準密度冰凌受風面積的不同，我國規范也考慮了這一因素，并且考慮線路等級的提高和規范修訂后覆冰重現期的增大，將體型系數一并校正在內形成了風荷載綜合增大系數B1，15 mm冰區取1.3，20 mm以上冰區取1.5～2.0。可見在這一點上，我國規范與IEC較為吻合。

3 不均勻覆冰工況

當導線覆冰不均勻時，便會對桿塔形成極限彎矩或極限扭矩。《重冰規程》針對此種工況規定桿塔一側覆冰100%，直線型桿塔另一側覆冰按線路等級從一級到三級分別為20%、30%和40%，耐張塔則為0，15%和30%。此外，我國規范還對不平衡張力給出了最小限值。IEC標準也有類似規定，只是不均勻覆冰率為40%。但有一點應引起注意，《重冰規程》不均勻覆冰率的基準是設計冰重，而IEC標準的基準為0.7gR。這里以捷克Studnice覆冰觀測站得到的年最大覆冰值［11］為基礎，按極值I型分布推算，若gR重現期為50、150和500年，那么0.7gR對應的重現期分別為9.74、20.51和47.05年，分別與我國規范的10、30和50年接近，也即與《重冰規程》的設計荷載相吻合。另外，《重冰規程》三類線路40%的不均勻覆冰率也與IEC標準相同，只是在考慮一、二級線路的重要性時，將不均勻覆冰率提高。

CSA標準對覆冰率規定則有所不同，一側覆冰率為30%，另一側認為不覆冰，但這只是針對由凍雨覆冰的脫落造成的不平衡張力，CSA標準認為此種不平衡張力不大，而由凍霧覆冰造成的不平衡張力更為嚴重，需要進行氣象觀測。對于需要考慮嚴重覆冰荷載的情況，將不均勻覆冰率從0.3提高至0.5。

各國規范關于不均勻覆冰情況見表6，從表6中也可看出IEC標準中500年重現期的0.7gR對應于我國的50年重現期，而CSA中將不均勻覆冰率提高至0.5時與我國和IEC規程較為吻合。此外，IEC標準和CSA標準中同時提到由脫冰不均勻引起的不平衡張力，脫冰跳躍的危害除了減少線與線之間的距離外，對輸電塔線體系也會產生強大的動力沖擊作用［12］，這一點在輸電線路設計中應逐步引起重視。

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4 斷線工況

斷線是輸電線路承受的又一不利工況。《重冰規程》在斷線時不考慮風荷載作用，但要計入冰荷載。對于中、重冰區的I～III氣象分區，一至三類線路的斷線覆冰率分別為70%、60%和50%，并規定了斷線張力的最小限值。IEC標準在其結構穩定性要求中考慮到由斷線引起的扭轉，斷線時不考慮風荷載和覆冰荷載，但對于易受惡劣天氣影響的線路，可采用3年重現期的冰荷載或風荷載。因此，當變異系數σ/=0.2～0.7時，斷線覆冰量與設計覆冰量的比值可用式(14)計算，由此得不同重現期的斷線覆冰率見表7。

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從表7中可以看出，IEC標準斷線覆冰率與我國規范規定的50%、60%和70%比較吻合，對應的變異系數為0.2。CSA標準關于這部分的內容全部引自IEC標準，故不再贅述。

5 結語

由于各國在荷載、可靠度等方面的設計理念存在差異，對輸電線路覆冰規程的對比很難做到絕對的量化，基于上文的對比，總結如下:

(1)我國規范提倡利用基于概率論的數理統計方法進行線路覆冰研究，但由于缺乏長期的覆冰氣象觀測，這方面的應用程度低于國外相關規范，亟待改善。

(2)雖然我國荷載的重現期低于國外相關規范，但從實際的荷載取值對比來看，覆冰荷載的導線直徑修正系數與IEC標準基本吻合，而導線高度修正系數大于IEC標準;與CSA標準的空間系數Sa具有一定相似性。由于線路最小風速的規定，覆冰時的風荷載與IEC標準、CSA標準較為吻合。

(3)因基準冰荷載選取和覆冰率的不同，我國以50年重現期為基準的不均勻覆冰荷載與IEC標準以500年重現期為基準時吻合，達到甚至超過CSA標準150年重現期的水平。我國一、二和三類桿塔的斷線覆冰率亦與IEC標準、CSA標準中500、150和50年重現期對應的斷線覆冰率相吻合。而我國隨線路等級變化的覆冰率更為合理，但脫冰對輸電塔線體系的動力作用在今后的規范中應逐步引起重視。

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