中國與IEC標準架空輸電線路設荷載對比

張建明，王 恒，劉 剛

( 華中電力設計研究院有限公司，河南 鄭州 450007)

隨著國內電網建設的日趨完善，越來越多的電力設計院和電力建設公司把目光投向了國外市場。國外架空輸電線路工程一般按業主提出的標準進行設計，目前比較常用的標準有IEC標準(IEC 60826：2017) (以下簡稱IEC標準)、歐洲標準 (EN 50341－1：2012) 和美國標準(ASCE 10－15、ACSE 74－09) 等。其中，國際電工委員會(IEC)是世界上成立最早的國際性電工標準化機構，權威性也是世界公認的。IEC于2017年修訂并頒布了IEC 60826：2017，供各成員國直接采用或為各國制訂標準時提供參考。

目前我國國內輸電線路采用的標準主要為《110 kV～750 kV架空輸電線路設計規范》(GB 50545—2010)(以下簡稱我國標準)，線路覆冰厚度超過10 mm時需采用《重覆冰架空輸電線路設計技術規程》(DL/T 5440—2009)(以下簡稱重冰規程)中相關內容。我國標準與IEC標準在輸電線路的設計方法、風荷載計算、冰荷載計算、設計工況選擇等方面均存在著一定的差異。目前國內有部分文章對兩個標準的風荷載進行了對比分析，關于覆冰荷載的比較論述則鮮見于文獻。本文采用最新IEC標準并以國網典型設計的5E1－SZ2鐵塔為例，進行了線條風荷載和鐵塔風荷載的結果對比分析，另外，本文還著重進行了設計方法、冰荷載計算、設計工況選擇等方面的對比分析，供國內同行借鑒和參考。

1 設計方法

中國標準和IEC標準的桿塔結構設計均采用以概率理論為基礎的極限狀態設計法。中國標準的承載力極限狀態表達式為：

IEC標準的承載力極限狀態表達式為：

公式的各種符號代表含義見表1。可以看出，兩個標準均設置了材料性能分項系數，我國標準還按不同的結構安全級別和荷載組合工況設置了結構重要性系數、荷載分項系數和可變荷載組合系數。IEC標準雖然沒有重要性系數，但對不同的結構安全級別采用了不同的荷載重現期。

表1 符號含義

我國標準和IEC標準對于風、冰的概率模擬一般采用極值Ⅰ型分布，對于材料強度的概率模擬一般采用正態分布或對數正態分布。

另外，IEC標準注重線路系統可靠度的設計，將一條線路當成一個系統，主要分桿塔、基礎、導、地線和絕緣子四個組成部分，根據不同子系統失效對線路造成損失及修復難易程度的不同而采用不同的可靠度水平，設計時集中反應在子系統配合系數的取值上。

2 風荷載

2.1 概述

桿塔屬高柔結構，對風荷載較為敏感。線路所在地區的基本風速是桿塔設計的基本參數。基本風速一般通過對標準條件下記錄的數據進行統計分析得到。目前年最大風速的概率模擬一般有三種：極值Ⅰ型分布、極值Ⅱ型分布和韋布爾分布。我國標準和IEC標準均采用極值Ⅰ型分布。

標準條件一般牽涉到地面粗糙度類別，標準高度及重現期、平均風時距和平均風概率分布類型等。我國標準與IEC標準均規定了A、B、C、D四類地面粗糙度類別，大體對應海上、鄉村、城市和大城市中心4類典型地貌。B類為標準地面粗糙度，能代表大部分線路所經過的地區。我國標準中，110 kV～330 kV輸電線路及其大跨越重現期取30年，500 kV、750 kV輸電線路及其大跨越重現期取50年。IEC標準中，一般線路重現期取50年，高于230 kV的一般線路和作為給重要負荷供電的主要或唯一通道的低于230 kV的線路取150年，作為給重要負荷供電的主要或唯一通道的高于230 kV的線路取500年。

2.2 基本風速和基本風壓

我國標準和IEC標準對基本風速V(VRB)的定義基本一致，概括如下：按當地空曠平坦地面上10 m高度處10 min時距，平均的年最大風速觀測數據，經概率統計得出的50(30)年一遇最大值后確定的風速。

我國標準和IEC標準規定基本風壓計算分別公式為：

式中：μ為空氣密度；KR為地面粗糙度類別風速轉換系數；τ為空氣密度修正系數，一般取1.0。

2.3 線條風荷載

兩種標準對于線條水平風荷載的標準值計算公式及參數取值見表2，表中d為線條外徑或覆冰時的計算外徑，L或Lp為水平檔距，θ和Ω為風向與線條夾角。

表2 導、地線風荷載

本文以國網典設中的5E1－SZ2為例，比較兩個標準的風荷載設計值(需要考慮重要性系數、分項系數、組合系數、重現期等因素，見第1節)。鐵塔設計風速為27 m/s，導線采用4×LGJ－630/45，水平檔距500 m。表3為導線平均高度從10 m到70 m時所受的風荷載，IEC標準結果的斜劃線后數值為其與中國標準的比值，其中500年重現期的風荷載與我國標準比較時，我國標準重要性系數取1.1。

表3 不同高度不同重現期下的導線風荷載設計值 單位：kN

IEC標準導線風荷載與我國標準導線風荷載的比值隨導線高度增加而減小，這是因為IEC標準的脈動風影響系數隨高度增加而降低。我國標準計算的風荷載設計值與IEC標準50年重現期對應的結果相當。但IEC標準對于500 kV線路一般按150年的重現期進行設計，風荷載設計值將比中國標準大10%～47%。

2.4 鐵塔風荷載

鐵塔的水平風荷載標準值的對比分析見表4，發展中國家較少使用鋼管塔，本文只介紹角鋼塔的計算，表4中參數與表2相同的不再贅述，θ為風向與受風面1法線的夾角。

表4 鐵塔風荷載

仍以國網典設中的5E1－SZ2為例，鐵塔標準呼稱高39 m，全高64.3 m，全塔共分為11段。表5為考慮重現期、重要性系數等因素計算得到的鐵塔根部風荷載總效應。可以看出，我國標準計算的鐵塔風荷載設計值與IEC標準150年重現期對應的結果相當。

表5 鐵塔風荷載總效應

3 冰荷載

3.1 概述

我國的重冰規程對冰載取值做了具體規定。在有足夠的有效的覆冰觀測資料時，應采用概率統計法確定線路設計冰厚，概率模型宜采用極值Ⅰ型分布。但我國目前各地冰凌觀測資料很少，而且往往連一個較確切的歷年最大冰凌數據也難以獲得，只能通過沿線調查和收集已有氣象站、電力線、通信線等歷年的冰凌資料以供參考使用。盡管設計標準規定了重現期，設計取值大都能滿足標準的要求，但缺乏長期觀測數據的支撐和數理模型的推算。

IEC標準中冰荷載的取值來源要求有不小于20年的氣象資料和不少于5年的觀冰資料，冰荷載參數(冰重、冰厚等)與風荷載參數一樣，按年最大值統計并采用極值Ⅰ型分布。IEC標準另外給出了兩種不同情況下冰荷載的參數取值供參考，見表6，為歷年最大冰荷載平均值。

表6 冰荷載的統計參數

如果觀測導線的直徑、高度與新建線路一致，冰荷載參數無需修正，如果觀測的數據對應的導線直徑為30 mm，高度為10m，則冰荷載參數應考慮導線直徑d和離地高度h的影響并修正，對于凍雨覆冰：

對于凍霧覆冰：

另外，我國標準中正常覆冰和不均勻冰計算時均考慮有同時風速。IEC標準中則考慮多種情況：無風時最大覆冰，低概率大風對應高概率覆冰、低概率覆冰對應高概率大風等。

3.2 無風時冰荷載

我國標準和IEC標準中線條覆冰時每延米冰重計算公式基本相當，基本公式如下：

式中：δ為覆冰密度；d和t分別為導線直徑和假定均勻覆蓋在導線上的覆冰厚度。

IEC標準中覆冰時桿塔構件的垂直荷載應通過桿件的幾何尺寸、覆冰厚度和覆冰密度來計算得到，也可以采用增大系數確定，我國標準對于覆冰引起的桿塔構件垂直荷載增加采用增大系數法，取值分列于表7。

表7 覆冰桿件垂直荷載增大系數

IEC標準對產生不平衡張力的不均勻冰荷載的取值方法推薦為桿塔一側冰重取0.7GR(GR為對應不同重現期的設計冰重)，另一側冰重取0.4×0.7GR=0.28GR。另外，當線路處于環境變化較大的覆冰地段，不均勻率0.6可以考慮更大一些；在嚴重覆冰地區，可考慮一側最大冰重，另一側覆冰為0的極限不均勻情況。

我國標準中不均勻冰覆冰率與IEC標準比較有如下異同：一是覆冰率的基準為設計冰重GR，IEC標準為0.7GR，但考慮IEC標準對應的重現期為50年、150年、500年，0.7GR值相應的出現概率大約為10年、30年、50年一遇冰凌值，即與我國標準基本相當；二是我國標準對不同電壓等級線路依據其在系統中的重要性分成了三類，三類線路與IEC標準相當，不均勻率取0.6，一級、二級有所提高；三是我國標準中耐張型桿塔的不均勻覆冰率比懸垂型桿塔的要高，以限制冰害事故；四是我國標準中不均勻冰對應同時風速為10 m/s。

3.3 風冰荷載組合

覆冰時結構垂直荷載和縱向荷載的計算原則已在3.2節描述，本節著重介紹覆冰時導、地線和桿塔的橫向風荷載的計算差異。

我國標準規定設計冰厚為在規定的重現期內折算為冰密度0. 9 g/cm3的冰厚，同時風速為10 m/s。IEC標準不對冰密度進行折算，按冰重和密度通過公式(8)計算冰厚，IEC標準一般計算兩種工況，一是低概率大風對應高概率覆冰、如無參考資料，推薦風速ViL=BLVR(BL對應不同重現期取0.6～0.85)，冰重gH=0.4gR；二是低概率覆冰對應高概率大風，如無參考資料，推薦冰重gL=gR，風速Vih=BHV－(BH對應不同重現期取0.4～0.5，V－為歷年最大風速均值)，兩種工況均對應高概率體型系數。

IEC標準規定覆冰風荷載應考慮體型系數和擋風面積的修正。我國標準考慮到實際覆冰形狀、密度的影響，引入了風荷載增大系數。以我國標準設計冰厚20 mm為例，體型系數為1.1，風荷載增大系數為1.5，兩個標準對于不同類型覆冰的風荷載計算結果見下表，表中僅為每延米導線等值迎風面積、體型系數和風荷載增大系數的乘積。

由表8可以看出，對濕雪、霧凇，兩個標準的風荷載計算結果差異較大，對于混合凇、雨凇，我國標準的風荷載計算結果與IEC標準中低概率體型系數的結果相近，但IEC標準一般不使用低概率體型系數，因為其對應的是高概率風速和高概率冰重，對結構一般不起控制作用。

表8 導線覆冰風荷載

IEC標準規定桿塔覆冰的風荷載應通過桿件的幾何尺寸、覆冰厚度來計算得到，我國標準對于桿塔覆冰引起的風荷載增加采用增大系數法，10 mm冰區取1.2，15 mm冰區取1.6，20 mm冰區取1.8，20 mm及以上冰區取2～2.5。

4 設計工況

我國標準同IEC標準類似，各類桿塔一般均要求計算三類工況：正常運行工況、安裝運維工況和事故工況。

4.1 正常運行工況

兩個標準的正常運行工況要求列于表9。

表9 正常運行工況

4.2 安裝運維工況

我國標準中懸垂型桿塔包括導、地線提升工況(雙倍起吊)和錨線工況，耐張型桿塔包括錨塔和緊線塔工況，對應風速為10 m/s。另外，人重荷載取1000 N，作用于與水平面夾角不大于30°、可上人的構件中心，且不與其它荷載組合。

IEC標準的安裝運維工況規定如下：桿塔組立時，所有起吊點及相應構件至少承受兩倍的構件提升荷載，當施工質量能得到較好控制時，可取1.5倍；架線時，橫向風荷載可忽略，安裝時縱向張力至少取兩倍的安裝張力，就位后取1.5倍的安裝張力，垂直荷載根據導線張力與對地夾角計算。另外，人重荷載取1500 N，垂直作用于任意桿件中心，并同時考慮運維狀態下的桿件內力。

4.3 事故工況

本文的事故工況主要指斷線工況和不均勻冰工況。

我國標準中懸垂型桿塔的斷線工況如下：單回路桿塔，斷任一相導線或一根地線；雙回路桿塔，同一檔內斷任兩相導線，或斷一根地線和任一相導線。對單、雙回路的耐張型桿塔，同一檔內斷任意兩相導線，或斷一根地線和任一相導線。斷線時對應氣象條件均為有冰、無風。

IEC標準中斷線規定如下：桿塔受扭時，任意一處地線或導線掛點處作用有殘余靜態荷載(residual static load)，殘余靜態荷載的計算以平均檔距和安裝張力為基準，計及絕緣子串長、鐵塔變形等因素影響，對應氣象條件為無風、無冰、安裝時最低氣溫；對于雙回路、多回路桿塔，增加受扭的掛點數量，即任2相導線或2根地線受殘余靜態荷載；桿塔受彎時，所有掛點上均作用有同向的不平衡張力，不平衡張力通過一側為正常掛線，一側為超載掛線(超載量等于導線重量)的假定計算得到，或直接取50%的安裝張力。

對于不均勻冰荷載工況組合，IEC標準按縱向彎矩、橫向彎矩和扭矩三種情況考慮。我國標準考慮到橫向彎矩對桿塔基本不起控制作用，簡化為縱向彎矩和扭矩兩項計算。另外，IEC標準的扭矩規定為桿塔的一側有不平衡張力，我國標準規定應考慮兩側同時有不平衡張力且方向相反，使桿塔承受最大扭矩，比IEC標準要嚴格。

5 結論

通過對中國標準和IEC標準的對比分析，得到以下結論：

(1)中國標準和IEC標準均采用以概率理論為基礎的極限狀態設計法，IEC標準注重線路系統可靠度的設計。IEC標準沒有重要性系數，但對不同的結構安全級別可采用不同的重現期來調整荷載。

(2)我國標準和IEC標準的基本風速、基本風壓定義基本一致；以5E1－SZ2鐵塔為例，50年重現期時，我國標準的線條風荷載設計值與IEC標準50年重現期對應的結果相當，我國標準的鐵塔風荷載設計值與IEC標準150年重現期對應的結果相當。

(3)IEC標準中覆冰時要考慮多種情況，包括無風時最大覆冰、低概率大風對應高概率覆冰、低概率覆冰對應高概率大風等；我國標準中不均勻冰覆冰率與IEC標準比較有較大差別；對濕雪、霧凇的風荷載，兩個標準的計算結果差異較大，對于混合凇、雨凇的風荷載，我國標準的計算結果與IEC標準中低概率體型系數對應的結果相近，與IEC標準中高概率體型系數對應的結果差異較大。

(4)我國標準同IEC標準類似，各類桿塔一般均要求計算三類工況：正常運行工況、安裝運維工況和事故工況。各類工況的具體要求均有所差異，設計時務必正確理解和應用。

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