《架空輸電線路荷載規(guī)范》新舊規(guī)范線條荷載計(jì)算的差異分析

(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)江蘇省電力設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇 南京 211102)

0 引言

DL/T 5551—2018《架空輸電線路荷載規(guī)范》(下文簡(jiǎn)稱“新規(guī)范”)于2019年5月1日起正式實(shí)施，在該規(guī)范實(shí)施之前，輸電線路桿塔荷載計(jì)算主要依據(jù)的規(guī)范為GB 50545—2010《110～750 kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》、DL/T 5154—2012《架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》(下文簡(jiǎn)稱“舊規(guī)范”)。經(jīng)過(guò)對(duì)比，新舊規(guī)范線條風(fēng)荷載的計(jì)算與規(guī)范有較大區(qū)別。風(fēng)荷載在輸電線路工程設(shè)計(jì)中非常關(guān)鍵，它的變化同時(shí)將會(huì)引起線條張力、弧垂、桿塔受力等的變化，對(duì)工程安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理至關(guān)重要[1]。本文結(jié)合工程實(shí)際問(wèn)題，對(duì)新舊規(guī)范線條風(fēng)荷載及受其影響的張力、弧垂計(jì)算進(jìn)行比較和分析，為新規(guī)范在工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用提供參考。

1 新舊規(guī)范線條風(fēng)荷載計(jì)算公式對(duì)比

GB 50545—2010《110～750 kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定線條風(fēng)荷載的標(biāo)準(zhǔn)值，應(yīng)按下列公式計(jì)算[2]：

式中：WX為垂直于導(dǎo)線及地線方向的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值；α為風(fēng)壓不均勻系數(shù)；W0為基準(zhǔn)風(fēng)壓；μZ為風(fēng)壓高度變化系數(shù)；μSC為導(dǎo)線或地線的體型系數(shù)；βC為風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)；d為導(dǎo)線或地線的外徑；LP為桿塔的水平檔距；B為導(dǎo)地線覆冰風(fēng)荷載增大系數(shù)；θ為風(fēng)向與導(dǎo)線或地線方向之間的夾角；V0為基本風(fēng)速；各字母取值請(qǐng)參考GB 50545—2010《110～750 kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》。

DL/T 5551—2018《架空輸電線路荷載規(guī)范》規(guī)定線條風(fēng)荷載的標(biāo)準(zhǔn)值，應(yīng)按下列公式計(jì)算[3]：

式中：WX、W0、μZ、μSC、d、LP、θ、V0與式（1）、式（2）中的含義相同；其余字母代表含義如下：βC為導(dǎo)地線陣風(fēng)系數(shù)（與舊規(guī)范含義不同）；αL為檔距折減系數(shù)；B1為導(dǎo)地線覆冰風(fēng)荷載增大系數(shù)；γC為導(dǎo)地線風(fēng)荷載折減系數(shù)；g為峰值因子；IZ為導(dǎo)線平均高z處的湍流強(qiáng)度；I10為10 m高度名義湍流強(qiáng)度；z為導(dǎo)、地線平均高度；α為地面粗糙度指數(shù)；εC為導(dǎo)地線風(fēng)荷載脈動(dòng)折減系數(shù)；δL為檔距相關(guān)性積分因子；LX為水平向相關(guān)函數(shù)的積分長(zhǎng)度；e為自然常數(shù)。各字母取值請(qǐng)參考DL/T 5551—2018《架空輸電線路荷載規(guī)范》。

通過(guò)對(duì)比規(guī)范條文，新舊規(guī)范基準(zhǔn)風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)值W0、風(fēng)向與導(dǎo)地線的夾角θ的取值和計(jì)算一致；線條風(fēng)荷載計(jì)算公式對(duì)風(fēng)荷載不均勻度、風(fēng)壓高度變化、體型系數(shù)、風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)、覆冰風(fēng)荷載增大系數(shù)等因素的表征方法差異對(duì)比如表1所示。

表1 新舊規(guī)范線條風(fēng)荷載計(jì)算公式對(duì)比

從表1可以看出，舊規(guī)范用風(fēng)壓不均勻系數(shù)α來(lái)表征風(fēng)壓不均勻度[4-5]，新規(guī)范引入了導(dǎo)地線陣風(fēng)系數(shù)βC、檔距折減系數(shù)αL來(lái)表征風(fēng)壓不均勻度[3]，對(duì)風(fēng)荷載的影響在下節(jié)中通過(guò)具體計(jì)算來(lái)對(duì)比；新規(guī)范的粗糙度系數(shù)由原來(lái)的0.16減小為0.15，意味著新規(guī)范導(dǎo)線風(fēng)壓隨高度的增大趨勢(shì)較舊規(guī)范有所減小[5-6]；新規(guī)范體型系數(shù)取值較舊規(guī)范變小；新規(guī)范取消了風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)，低電壓等級(jí)與500 kV及以上電壓等級(jí)的風(fēng)荷載差值將會(huì)減小[7]；對(duì)于覆冰風(fēng)荷載增大系數(shù)，舊規(guī)范僅規(guī)定了不同冰區(qū)時(shí)的不同取值，未明確張力計(jì)算時(shí)的取值，而新規(guī)范明確指出張力計(jì)算時(shí)取值為1.0，采用舊規(guī)范計(jì)算張力時(shí)，各設(shè)計(jì)單位的取值習(xí)慣有所差異，本文在張力計(jì)算時(shí)新舊規(guī)范的覆冰風(fēng)荷載增大系數(shù)均取1.0進(jìn)行對(duì)比。

2 新舊規(guī)范對(duì)線路條荷載計(jì)算的影響對(duì)比

2.1 新舊規(guī)范線條張力計(jì)算對(duì)比

線路工程的張力計(jì)算有最低氣溫、平均氣溫、基本風(fēng)速、覆冰四個(gè)控制工況[8]，其中最低氣溫與平均氣溫為無(wú)風(fēng)工況，基本風(fēng)速與覆冰工況為有風(fēng)工況，風(fēng)荷載計(jì)算值的變化將會(huì)引起控制工況的變化，進(jìn)而影響到各代表檔距的導(dǎo)線張力值。

選取常用的JL/G1A—630/45鋼芯鋁絞線，以基本風(fēng)速27 m/s、覆冰10 mm為例，分別按新舊規(guī)范計(jì)算兩種工況下不同基準(zhǔn)高度用于張力計(jì)算的線條單位風(fēng)荷載，結(jié)果見(jiàn)表2。

從表2可以看出，不同基準(zhǔn)高度下大風(fēng)工況線條單位風(fēng)荷載新規(guī)范計(jì)算值較舊規(guī)范增大6%至10%之間，增大的原因主要是風(fēng)壓不均勻度計(jì)算的變化；隨著基準(zhǔn)高度升高增大量減小，原因是新規(guī)范粗糙度系數(shù)的減小。覆冰工況線條單位風(fēng)荷載新規(guī)范計(jì)算值較舊規(guī)范計(jì)算值減小約25%，減小的原因主要是風(fēng)壓不均勻度計(jì)算的變化和體型系數(shù)的減小。

表2 新舊規(guī)范張力計(jì)算用線條風(fēng)荷載對(duì)比

根據(jù)導(dǎo)、地線張力控制工況的計(jì)算原理，當(dāng)無(wú)風(fēng)工況控制時(shí)，新舊規(guī)范無(wú)風(fēng)工況張力的計(jì)算值應(yīng)一致，新規(guī)范大風(fēng)工況張力的計(jì)算值應(yīng)大于舊規(guī)范計(jì)算值，新規(guī)范覆冰工況張力的計(jì)算值應(yīng)小于舊規(guī)范；當(dāng)大風(fēng)工況控制時(shí)，其他工況張力新規(guī)范計(jì)算值應(yīng)小于舊規(guī)范；當(dāng)覆冰工況控制時(shí)，其他工況張力新規(guī)范計(jì)算值應(yīng)大于舊規(guī)范[8]。下面結(jié)合具體算例，對(duì)張力的變化做定量分析，以30 m作為基準(zhǔn)高度，分別計(jì)算平均溫控制(27 m/s風(fēng)、10 mm冰)、大風(fēng)控制(35 m/s風(fēng)、10 mm冰)、覆冰控制(27 m/s風(fēng)、15 mm冰)三種情況下不同代表檔距的各工況張力值，新舊規(guī)范的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)下表3～表5。

從表3中計(jì)算結(jié)果可以看出，平均溫工況控制時(shí)，新規(guī)范大風(fēng)工況張力計(jì)算值較舊規(guī)范增量在2%～3%之間，新規(guī)范覆冰工況張力計(jì)算值較舊規(guī)范略微下降；從表4中計(jì)算結(jié)果可以看出，大風(fēng)工況控制時(shí)，新規(guī)范其他工況張力計(jì)算值較舊規(guī)范普遍下降6%～10%，這主要是由于新規(guī)范大風(fēng)工況風(fēng)荷載增大，其他工況導(dǎo)線張力計(jì)算時(shí)，新規(guī)范相對(duì)于舊規(guī)范相當(dāng)于放松；從表5中計(jì)算結(jié)果可以看出，覆冰工況控制時(shí)，由于風(fēng)荷載在覆冰工況綜合荷載中所占比例較小，其他工況張力新規(guī)范計(jì)算值略有增加，其中大風(fēng)工況張力計(jì)算值增幅最大是由于其風(fēng)壓不均勻度計(jì)算的變化，并非覆冰工況控制所致。

表3 新舊規(guī)范張力計(jì)算對(duì)比(平均溫控制，27 m/s風(fēng)、10 mm冰)

表4 新舊規(guī)范張力計(jì)算對(duì)比(大風(fēng)控制, 35m/s風(fēng)、10mm冰)

表5 新舊規(guī)范張力計(jì)算對(duì)比(覆冰控制, 27m/s風(fēng)、15mm冰)

2.2 新舊規(guī)范線條弧垂計(jì)算對(duì)比

無(wú)風(fēng)工況控制時(shí)，由于新舊規(guī)范高溫工況的張力相同，高溫弧垂也無(wú)變化[3,8]；大風(fēng)和覆冰工況控制時(shí)，新舊規(guī)范的高溫弧垂對(duì)比情況見(jiàn)表6～表7(弧垂計(jì)算時(shí)檔距和代表檔距取值相同)。

表6 新舊規(guī)范高溫弧垂對(duì)比(大風(fēng)控制，35m/s風(fēng)、10mm冰)

表7 新舊規(guī)范高溫弧垂對(duì)比(覆冰控制, 27m/s風(fēng)、15mm冰)

從計(jì)算結(jié)果可以看出，覆冰工況控制時(shí)，新舊規(guī)范高溫弧垂相差很小，設(shè)計(jì)時(shí)基本可忽略；而大風(fēng)工況控制時(shí)，新規(guī)范高溫弧垂計(jì)算值較舊規(guī)范增大0.5～3.5 m，其中對(duì)于500 m以上檔距將會(huì)影響到桿塔排位呼高的選取。

2.3 新舊規(guī)范線條風(fēng)荷載計(jì)算對(duì)比

根據(jù)表1的對(duì)比，在進(jìn)行桿塔承受的線條風(fēng)荷載計(jì)算時(shí)，舊規(guī)范的風(fēng)壓不均勻度僅與風(fēng)速相關(guān)，新規(guī)范的風(fēng)壓不均勻度與計(jì)算高度和水平檔距相關(guān)。下面以基本風(fēng)速27 m/s、覆冰10 mm為例，對(duì)比新舊規(guī)范大風(fēng)工況的單位線條風(fēng)荷載計(jì)算值。

從表8計(jì)算結(jié)果可以看出以下幾點(diǎn)：

1)舊規(guī)范單位風(fēng)荷載值與水平檔距無(wú)關(guān)，而新規(guī)范單位風(fēng)荷載值隨水平檔距增大而減小，但仍大于舊規(guī)范。

2)在15 m及以下基準(zhǔn)高時(shí)，新規(guī)范單位風(fēng)荷載計(jì)算值較舊規(guī)范增大幅度達(dá)到19%以上，這是由于15m及以下基準(zhǔn)高度對(duì)應(yīng)的電壓等級(jí)為220kV及以下，按照舊規(guī)范規(guī)定，不考慮風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)βC[9]。

3)在20 m及以上基準(zhǔn)高時(shí)，按照舊規(guī)范規(guī)定，風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)βC取值為1.2，因此新規(guī)范相對(duì)于舊規(guī)范的風(fēng)荷載增幅遠(yuǎn)小于15m及以下基準(zhǔn)高。

4)扣除風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)βC的影響，隨著基準(zhǔn)高度升高，新規(guī)范相對(duì)于舊規(guī)范的風(fēng)荷載增大幅度減小，這是由于粗糙度系數(shù)的變化引起，與第1節(jié)的定性結(jié)論一致。

表8 新舊規(guī)范線條風(fēng)荷載計(jì)算對(duì)比

在進(jìn)行桿塔承受的線條風(fēng)荷載計(jì)算時(shí)，風(fēng)荷載還需根據(jù)相應(yīng)橫擔(dān)的實(shí)際計(jì)算高度進(jìn)行風(fēng)壓高度折算，為了進(jìn)一步驗(yàn)證新舊規(guī)范粗糙度系數(shù)變化對(duì)不同計(jì)算高度風(fēng)荷載的影響，下面取基準(zhǔn)高度30 m，水平檔距500 m，新舊規(guī)范不同計(jì)算高度下的單位風(fēng)荷載的對(duì)比曲線如圖1所示。

圖1 新舊規(guī)范不同計(jì)算高度單位風(fēng)荷載對(duì)比

在基準(zhǔn)高度時(shí)，新規(guī)范單位風(fēng)荷載計(jì)算值大于舊規(guī)范，但隨著計(jì)算高度升高，舊規(guī)范單位風(fēng)荷載計(jì)算值逐漸接近新規(guī)范，在計(jì)算高度達(dá)到70 m時(shí)，舊規(guī)范單位風(fēng)荷載計(jì)算值反超新規(guī)范。考慮到220 kV及以下電壓等級(jí)桿塔橫擔(dān)的計(jì)算高度往往難以達(dá)到70 m，且舊規(guī)范單位風(fēng)荷載與新規(guī)范有較大差值，采用新規(guī)范計(jì)算桿塔承受的線條風(fēng)荷載較舊規(guī)范將會(huì)有大幅增加；對(duì)于500 kV線路，在基準(zhǔn)高度下新舊規(guī)范單位風(fēng)荷載差值有限，且隨著橫擔(dān)高度升高差值減小，可判斷桿塔承受的線條風(fēng)荷載較舊規(guī)范將會(huì)有適度增加；對(duì)于特高壓線路，在基準(zhǔn)高度下新舊規(guī)范單位風(fēng)荷載差值較小，考慮到特高壓線路桿塔計(jì)算高度及橫擔(dān)層間距較大，上層橫擔(dān)舊規(guī)范單位風(fēng)荷載計(jì)算值將反超新規(guī)范[10]，可判斷桿塔承受的線條風(fēng)荷載新舊規(guī)范基本相當(dāng)。

3 結(jié)論

1)在線條風(fēng)荷載計(jì)算公式上，新規(guī)范在風(fēng)壓不均勻度、風(fēng)壓高度變化、體型系數(shù)、風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)幾方面與老規(guī)范有較大差異，綜合各種因素，在常用的基準(zhǔn)高度下新規(guī)范線條風(fēng)荷載計(jì)算值大于舊規(guī)范。

2)平均溫工況控制時(shí)，新規(guī)范大風(fēng)工況張力計(jì)算值較舊規(guī)范增量在2%～3%之間，新規(guī)范覆冰工況張力計(jì)算值較舊規(guī)范略微下降；大風(fēng)工況控制時(shí)，新規(guī)范其他工況張力計(jì)算值較舊規(guī)范普遍下降6%～10%；覆冰工況控制時(shí)，其他工況張力新規(guī)范計(jì)算值略有增加，其中大風(fēng)工況張力計(jì)算值增幅最大。

3)無(wú)風(fēng)工況控制時(shí)，新舊規(guī)范高溫弧垂無(wú)變化，覆冰工況控制時(shí)，新舊規(guī)范高溫弧垂相差很小；而大風(fēng)工況控制時(shí)，新規(guī)范高溫弧垂計(jì)算值較舊規(guī)范增大較大，對(duì)于大檔距將會(huì)影響到桿塔排位呼高的選取。

4)采用新規(guī)范后，220 kV及以下電壓等級(jí)線條風(fēng)荷載將有大幅增加，桿塔設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)引起注意；500 kV電壓等級(jí)線條風(fēng)荷載適度增加；特高壓線條風(fēng)荷載新舊規(guī)范基本相當(dāng)。

本文未考慮新舊規(guī)范塔身風(fēng)荷載的差異，下一步有必要結(jié)合塔身風(fēng)的差異，對(duì)采用新舊規(guī)范設(shè)計(jì)的桿塔工程量的變化進(jìn)行綜合分析。