架空輸電線路防風能力評估分析

朱 陽

（中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司廣州局海口分局，海南 海口 570100）

0 引 言

臺風是一種全球發生頻率高、影響嚴重的自然災害。我國位于太平洋西岸，是世界上受臺風影響嚴重的國家之一。我國平均每年臺風登陸次數9.5次，而廣東省平均每年臺風登陸次數為3.54次，位居全國各省之首。

隨著沿海地區經濟建設的發展，沿海輸電線路密度增長較大，而日趨頻繁的極端天氣如臺風災害，給廣東等沿海地區電網造成了極大威脅。2014年威馬遜、2015年彩虹等臺風，均對電網造成了重大損失。尤其是2017年8月臺風“天鴿”，廣東電網出現多次線路、桿塔受損跳閘，澳門電網損失全部負荷，珠海電網遭受重創，用時近一周才全部恢復電力供應。

跨越瓊州海峽的500 kV跨海電力聯網輸電系統（以下簡稱“聯網系統”）于2009年6月30日投入使用，是海南全島電網連接大陸南方電網主網的唯一通道。海南聯網線路在安全平穩供電、電力迎峰度夏、防風防汛、配合核電安全運行、博鰲論壇年會、文昌衛星發射等重要供電活動中，發揮了重要作用，被海南省政府表彰為“定海神針”。下面將以海南聯網系統輸電線路為例，探討沿海臺風多發地區現有輸電線路防風能力的評估方法。

1 架空輸電線路防風能力評估方法

輸電線路的可靠性由各桿塔最大耐受風荷載水平決定。桿塔最大耐受風速是指實際發生倒塔時的臨界風速。桿塔結構按概率方法設計，其中桿塔結構強度的代表值即標準值（一定保證率的代表值，對于桿塔鋼結構為95%）。一般認為，當結構外負荷導致的結構應力（荷載效應）超過強度代表值（標準值）時，結構破壞的可能性較高；當結構荷載低于此數值時，結構破壞的可能性較低，因此結構破壞的臨界值為標準值。結構是否破壞的驗算應采用標準組合，驗算得出某一風速下結構主要風控受力構件最大應力已達到其強度標準值，此風速即為結構最大耐受風速。若超過此風速，結構受力構件保證率將較低，結構破壞的可能性將較大。

通過線路各桿塔耐受風速的計算和耐受風速的概率計算推導可知，線路的抗風可靠水平和各桿塔抗風可靠水平取決于各桿塔耐受風速和耐受風速超越概率。

1.1 風荷載計算

對于輸電線路風荷載的計算，各國設計標準依據歷史與經驗各自不同。美標、歐標現行線路設計標準下的風荷載計算基于風工程理論，充分考慮了陣風效應，故其設計風速即為其耐受風速。例如，美標按60 m/s（3 s時距，33 ft高）風速設計的桿塔，在設計使用條件下最大可抵御一個10 m高3 s陣風最大風速為60 m/s的風災，即當一個10 m高3 s陣風風速遠大于60 m/s時，按此設計的鐵塔倒塌的可能性大，當一個10 m高3 s陣風風速小于60 m/s時，此鐵塔倒塌的可能性不大。

與美標、歐標相比，中國設計標準中陣風效應考慮得并不充分，采用的風荷載包含安全系數（分項系數）。按中國現行標準，一個風速35 m/s（10 m高10 min平均值）設計的鐵塔不僅能承受一個10 m高10 min測得平均風速為35 m/s的大風，也可以承受更大的情況。究其原因，在于它在設計中有總乘積為1.54的分項系數。但是，它一般也無法承受一個風速為設計風速1.24倍（相當于風力1.54倍）的風災，因為在風荷載計算中未充分考慮陣風效應。

1.1.1 風荷載計算推導理論基礎

較為精準的風荷載計算必須與歐美標準一樣，按風的數學模型構建和風工程理論計算。但是，中國的風荷載空間時間關系必須基于中國的水文氣象觀測結果，即風荷載作用計算公式推導理論基礎方法與歐美標準一致，而風場參數宜按中國地域的氣象統計結果取值，如風壓高度變化系數、湍流度等。

作用在結構上的風有一個速度大小時刻變化的過程（風時程）。為了簡單地利用擬靜力計算結構風響應，可以將風分為平均風和脈動風，通過分析計算得到結構的平均風響應和脈動風響應，將兩者疊加最終獲得風的總響應即總風荷載。

如圖1所示，由風速時程曲線可得風速相關曲線，建立相關曲線的數學表達式即相關函數，然后通過傅里葉變換得到風速功率譜的數學表達式，從而將結構的時域問題轉換為頻域問題[1]。

圖1 風速時程曲線

如圖2所示，脈動風數學處理即通過反應譜法將時域問題轉化為頻域問題，不僅考慮了結構在風作用過程中的陣風效應，而且結果具有概率統計意義。

結構位移的自譜函數表達式為：

式中，H(n)為結構的頻率響應函數，SF(n)為荷載自譜。

位移的方差可通過對位移自譜函數積分求得，并代入團流度I=σv/V可以得出：

圖2為典型的高聳結構反應函數與對應反應譜。

通過近似數學分離處理手段，忽略第三段貢獻，脈動響應可以分為背景響應分量①和共振響應分量②，則式（2）可表示為：

其中kb和kr分別為背景響應因子和共振響應因子，則風的總響應除以風的平均響應的風振系數βw可以表示為：

其中g為峰值因子，《建筑結構荷載規范》（GB50009-2012）推薦取值為2.5。

圖2 風譜、響應函數與反應譜曲線

1.1.2 導地線風荷載推導

導地線作為柔索，其自振振型密集復雜。廣東院在承擔的南網科研項目中采用時程仿真分析發現，其共振響應遠小于背景響應，可忽略不計，且歐美日各國的線路設計標準也忽略了共振響應。

1.1.3 絕緣子風荷載計算

絕緣子作為導線延伸的一部分，其脈動作用應與導線脈動作用疊加并產生相關性折減，因此絕緣子背景積分結果與相連導地線近似相等，取相同陣風系數。

式中，x、y代表垂直于導線方向與順導線方向；b為絕緣子風振系數，取其與連接的導地線、跳線的風振系數βl相等；n為絕緣子串數；μz為絕緣子平均高處的風壓高度變化系數；μsi為絕緣子體型系數，一般取1.0或取試驗數據；S為絕緣子串承受風壓面積計算值，單位為m2。λi為絕緣子串風荷載屏蔽等效折減系數。對單串，λi取1.0；對多串，計算Wxz時，λi取1.0；計算Wyz和Wxj時，雙聯λi取0.7，三聯λi取0.5，四聯λi取0.4；對于V串，不考慮為雙聯串，將其視為分離的兩個單串不折減。

1.1.4 塔身風荷載推導

我國建筑荷載規范采用慣性荷載法確定風動力等效靜力風荷載，其數值等于平均風荷載加脈動風荷載引起的慣性力，最終表達為風振系數乘以平均風荷載。但是，它的計算涉及鐵塔不同部位的相關性組合，較為繁雜，因此給出了結構體型、質量分布均勻等特殊情況下的背景響應近似公式。而對于程序計算，完全可以按隨機振動理論精確求解結構一階振型下的等效背景響應，得出對質量分布及體型分布不做限定的背景響應。

任意高度Zi處的平均風荷載為：

其中，d(zi)、r(zi)分別為Zi質點處的體型系數和擋風面積，n為自由度數，W0為基本風壓。

1.2 結構驗算

1.2.1 桿塔結構驗算

桿塔結構驗算一般采用標準組合，即按式（6）驗算：

其中，S為荷載標準組合效應；Wv為風速為v下的風荷載及其他相應條件下相應荷載如重量荷載等的標準組合；R為結構構件抗力；fy為結構構件強度標準值，角鋼、鋼管桿件、節點板取屈服值，螺栓強度標準值按設計值的1.2倍計算。

我國并沒有螺栓強度的標準值。歐州架空線路設計標準EN50341-2012中，螺栓強度代表值約為我國標準螺栓強度設計值的1.2倍。美標ASCE10-97中，螺栓強度代表值約為我國標準螺栓強度設計值的1.5倍。如果從鋼材強度設計值與標準值匹配的角度取值，應該取螺栓強度驗算代表值為設計強度值的1.1倍。但是，考慮到中國標準中為了較強的節點設計，螺栓設計強度取值較為保守，最終驗算標準組合中的螺栓強度代表值取為設計值的1.2倍。

如表1所示，可以驗算已有結構是否滿足式（6）的最大風速Vmax，此風速為鐵塔的耐受風速。驗算控制桿件為鐵塔主材、斜材及其端部節點等主要風控受力桿件，此類構件的破壞退出工作可導致結構成為可失穩坍塌結構，因此驗算時應甄別局部超靜定隔面構件。超靜定隔面類構件應力超限不一定導致結構失穩。

我國結構抗力設計值比歐美規范略微保守，鐵塔真型力學試驗表明：按我國結構標準設計的鐵塔抗力一般為設計值的110%～150%，為標準值的100%～135%，因此按標準值作為抗力代表值是合適的。由于鋼管結構穩定性較好，鐵塔結構抗力水平一般都超過設計值的120%，故鋼管塔抗力相對較高，且鋼管結構較好的延性也有利于抵抗風脈動。在結構驗算中，將鋼管構件的壓穩穩定系數取值由規范的b類柱子曲線提升至a類截面柱子曲線，穩定系數取值提升10%左右，角鋼塔與鋼管塔的抗力評價更加匹配。

1.2.2 桿塔結構基礎連接驗算

基礎連接一般有插入角鋼與地腳螺栓兩種。插入角鋼外露部分與塔腿連接一體為桿塔結構的一部分，其驗算在桿塔結構驗算中完成。插入角鋼進入基礎部分的錨固力遠大于其外露部分的承載力。中國標準的插入角鋼設計方法與設計公式引用美國標準，但錨固力設計值不足美標的80%，因此驗算時錨固力標準值可取設計值的1.2倍。

如表2所示，歐美標準對應耐受風速荷載的強度設計值是中國標準的地腳螺栓強度設計值的1.35～1.5倍。對于驗算情況對應的標準組合，材料宜采用標準值。由于地腳螺栓無強度標準值，考慮我國的地腳螺栓強度設計值較國外標準相對保守，風災中破壞現象較少。對于耐受風速驗算，地腳螺栓抗拉強度（允許值）取1.2倍螺栓設計強度。

以上輸電鐵塔風荷載計算方法與歐美日等國際較為通行的標準基本一致，也基本為新編的行業規范《架空輸電線路荷載規范》（仍在修編）所采納，但與我國現行國標“10規范”及歷史上其他線路規范均有較大不同，反映了按歷史上多版規范設計的線路桿塔抗風能力不能簡單地從標準推導，而需要通過較精確的計算方法進行驗算評估。

表1 螺栓抗剪強度代表值對比表

表2 地腳螺栓抗拉強度代表值對比表

2 結 論

上述風荷載計算較精確地考慮了線、塔的陣風效應，計算結果較準確地反映了線、塔體系在風時程過程中的最大（數秒）瞬間風荷載作用，可獲得較精確的鐵塔線塔體系風荷載。因此，按此荷載驗算的結構可較精確地把握桿塔結構實際抗風能力。