架空輸電線路導地線風荷載計算分析

徐曉暉

國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院 黑龍江 哈爾濱 150000

引言

近年來，各種極限氣象情況發(fā)生頻繁，架空輸電線路在運行過程中，承受各種氣象影響逐年增大。在傳輸線的設計中，對風荷載的計算過程要求較為詳細，對風荷載的計算方法和計算結(jié)果要求較高的精度。

220kV架空傳輸線項目投資約占總投資的20%，110kV、66kV架空傳輸線項目投資約占總投資的18%。

本文根據(jù)DL/T5551-2018[1]、DL/T5582-2020[2]兩種規(guī)范的風荷載計算公式進行比較分析，對每個計算參數(shù)進行對比及技術(shù)經(jīng)濟比較，依據(jù)伊春輸電線路工程提出風荷載的主要計算原則。

1 工程概況

該項目是大興安嶺松嶺220kV變電站至塔河220kV變電站的送電線路。線路起始于大興安嶺松嶺220kV變電站，終止于220kV塔河變電站。線路的空中距離是141km。本期送電線路工程經(jīng)過全線為沖洪積平原地形，站址至（護城）河北岸附近沿線為沙石料場及回填土堆，局部為取沙坑回填，回填土坑深約4.00～5.20m，南岸附近為大棚區(qū)，部分大棚栽種景觀松樹，棚內(nèi)目前雜草叢生，旱地主要農(nóng)作物為玉米，局部灌木茂密，行走困難。新線路是單回路結(jié)構(gòu)，大約152km，海拔高度＜1000m，導線截面為2×240mm2。

系統(tǒng)額定電壓：220kV；

系統(tǒng)最高運行電壓：230kV；

功率因數(shù)：0.95；

最大負荷利用小時數(shù)：5500h；

系統(tǒng)單回正常輸送功率：320MW。

2 路徑

線路起點由松嶺變220kV出線間隔起，向北前行，J1、J2、J3、J4平行于塔松一回線，經(jīng)約27.6km路徑到達J5，為躲避塔源鎮(zhèn)柯多蒂河上游銅多金屬礦，J5向東側(cè)偏離松塔甲線，距原線約350m。躲讓后向東北方向前行至J6，繼續(xù)平行一回線。J6左轉(zhuǎn)，經(jīng)8km直線至塔源鎮(zhèn)南公路附近，跨越兩條66千伏線路后設立J7，此處一回線與公路緊鄰之間通道狹窄需跨過公路，公路東側(cè)為廠區(qū)和66kV電力走廊，致使線路無法前行，此處需要借用一段原線路路徑，將本期線路J8-J9段改接在一回線上。一回線西側(cè)新建線路用于一回線新走廊。改造松塔甲線4km。避開路徑狹窄段后在公路北側(cè)設立J9，J9右轉(zhuǎn)，繼續(xù)向北平行松塔甲線至林海鎮(zhèn)西南側(cè)的J12，林海鎮(zhèn)西側(cè)有一基和二級水源地保護區(qū)，林海鎮(zhèn)西北側(cè)有林業(yè)的林業(yè)保育區(qū)需要避讓，故路徑需要繞行此保護區(qū)，經(jīng)J13，J14，J15，J16繞開保護區(qū)后回到原路徑，線路繼續(xù)向北，J18途徑新林鎮(zhèn)西側(cè)向東北方向前進，J20設立在大烏蘇鎮(zhèn)西側(cè)約2.3km處，平行一回線經(jīng)8km直線設立J21，之后右轉(zhuǎn)前行17km，在翠崗鎮(zhèn)西南4km處設立轉(zhuǎn)角J22，之后平行一回線路21km后在塔爾根鎮(zhèn)西南設立J23，J23左轉(zhuǎn)，10km后經(jīng)J24，J25，J26調(diào)整方向進入塔河站構(gòu)架[3]。線路路徑經(jīng)過地區(qū)均為林地。線路全長152km。松塔甲線改造4km，轉(zhuǎn)角共計26次。曲折系數(shù)為1.08。

本工程位于黑龍江省加格達奇地區(qū)的松嶺區(qū)，新林區(qū)和塔河市境內(nèi)，主要經(jīng)過地區(qū)為多林區(qū)，以自然林為主，交通條件較差；已避開城鎮(zhèn)規(guī)劃、遺址遺跡及重要影響線路安全的設施，線路所經(jīng)區(qū)域避讓自然保護區(qū)。

本工程路徑經(jīng)過林區(qū)主要樹種為楊樹、松樹，樺樹，杉樹，平均自然生長高度25m，按跨越設計。塔基處臨時砍伐按30×30m2， 張牽場按50×50m2給定，共計30處張牽場。林區(qū)長度為150km。

無拆除或遷移改造道路或管線。

松塔甲線改造段線路長度為4km，需要拆除原松塔甲線8基桿塔，新建4基耐張、8基直線桿塔。

對導航臺、雷達站、通信基站等特殊障礙物無影響。

塔源鎮(zhèn)柯多蒂河上游銅多金屬礦普查礦區(qū)已經(jīng)避讓。本工程經(jīng)過塔源一支線鉛鋅多金屬普查探礦區(qū)范圍，約6.43km2，該礦目前處于過期狀態(tài)。

3 氣象條件選擇

本工程線路經(jīng)過地帶高程在230~450m左右，氣象站與線路路徑所在區(qū)域海拔高度相差不大，地形地貌與線路路徑較為一致，代表性較好，線路經(jīng)過地帶主要為丘陵、山地地形，主要跨越為沿線林區(qū)樹木及非通航河流[4]。根據(jù)沿線市縣氣象站的氣象資料，參考風壓分布圖和附近現(xiàn)有線路的設計資料和運行情況逐項分析如下。

本次線路新建工程起點位于塔河縣，終點位于大興安嶺松嶺區(qū)。 在線路的兩側(cè)及線路中部均有國家氣象基本站-塔河氣象站、新林氣象站、加格達奇氣象站，三個氣象站資料測驗精度高，成果可靠，氣象站與工程地點距離較近，氣象站與線路工程地形高程相近，屬同一氣候區(qū)，資料具有代表性，因此本次線路新建工程采用塔河氣象站、新林氣象站、加格達奇氣象站作為本次工程設計參證站。

搜集塔河氣象站、新林氣象站、加格達奇氣象站逐年最大風速資料，數(shù)據(jù)經(jīng)過了一致性、代表性、可靠性檢查，塔河氣象站擁有1974-2018年共45年最大風速資料，新林氣象站擁有1974-2018年共45年最大風速資料，加格達奇氣象站擁有1967-2018年共52年最大風速資料，不需要展延資料序列[5]。可以用于本次線路工程設計使用。

對沿線的塔爾根鎮(zhèn)、翠崗鎮(zhèn)、碧州鎮(zhèn)、大烏蘇鎮(zhèn)、新林鎮(zhèn)、塔源 鎮(zhèn)等村屯居民進行調(diào)查，電線結(jié)冰多發(fā)現(xiàn)在初冬的凌晨，但多是霧凇及濕雪，并且都不重，隨著陽光的照射或輕微的震動就會脫落。

并根據(jù)供電局人員介紹，該地區(qū)屬于輕冰區(qū)，線路一般按10mm設計，與本次線路平行的“松塔線”在2006年投運至今，也沒有因為電線結(jié)冰出現(xiàn)倒塔斷線問題，前幾年發(fā)生過小范圍的導線覆冰情況，但按此設計的線路并未受到任何損失。

塔河氣象站、新林氣象站、加格達奇氣象站均觀測電線結(jié)冰，根據(jù)多年覆冰觀測資料統(tǒng)計，塔河最大覆冰發(fā)生在1984年10月16日，新林最大覆冰發(fā)生在1984年10月16日，加格達奇最大覆冰發(fā)生在1997年10月20日，根據(jù)以上覆冰計算成果以及沿線覆冰調(diào)查，確定本工程線路經(jīng)過地區(qū)為小于10mm的輕冰區(qū)[6]。

本次線路工程地形大多為山區(qū)地帶，地形變化明顯，不受內(nèi)澇影響，只有局部地區(qū)為水草地、沼澤地帶，地勢較低洼，低洼地帶相對周圍地勢較低，在夏季豐雨期，短時間內(nèi)的強降雨容易造成排水不暢，造成內(nèi)澇，對地勢低洼地帶進行詳細的調(diào)查以及必要測量，內(nèi)澇水深 約 0.6 m。

設計氣象條件見表1。

表1 線路設計氣象組合條件表

注：上表中，括號中的數(shù)值是地線冰層覆蓋的厚度，僅用于地線支架強度計算。

根據(jù)導線類型、地線類型、氣象條件和工程特點，按照10米高、30年一次、10分鐘平均最大值計算，工程最大風速為28m/s。

4 兩個規(guī)范的風荷載計算公式對比

DL/T5551-2018《架空輸電線路荷載規(guī)范》（以下簡稱“荷載規(guī)范”）和DL/T5582-2020《架空輸電線路電氣設計規(guī)程》（以下簡稱“電氣規(guī)程”）均對導地線的風荷載的計算方法進行了規(guī)定，計算公式相同，均為：

對公式中各參數(shù)逐一進行對比：

基準風壓、風壓高度變化系數(shù)、導地線的體型系數(shù)、導地線外徑、桿塔水平擋距、導地線覆冰風荷載增大系數(shù)和風向與導地線方向之間的夾角等參數(shù)取值基本一致。

兩導地線陣風系數(shù)、擋距折減系數(shù)此兩個參數(shù)取值不同。

βc在兩個規(guī)范中其計算公式一致，均為：

γc導地線風荷載折減系數(shù)在荷載規(guī)范中取0.9，在電氣規(guī)程中分別按風速20m/s為分界線進行調(diào)整，其中小于20m/s時，計算張力取0.9，計算風壓時取0.85；大于等于20m/s時，計算張力按“-1/（5.97+EXP（33.2-1.2×V0））+0.88”，計算風壓時按“-1/（7.16+EXP（32.5-1.2×V0））”。在電氣規(guī)程中將風荷載折減系數(shù)更加細化，并按照不同風速及張力、風壓分別進行計算，在高風速時折減較多，但都不大于荷載規(guī)范中的0.9。考慮到電氣規(guī)程在塔頭電氣間隙設計中的作用，及增大塔頭尺寸的代價較大，細化計算折減系數(shù)是合理的。因此在桿塔荷載計算時可按0.9選取，在計算、確定鐵塔塔頭的尺寸時按電氣規(guī)程計算選取。

Iz導線平均高z處的湍流強度兩規(guī)范一致。

g峰值因子在荷載規(guī)范中取2.5，在電氣規(guī)程中取3.6。在電氣規(guī)程中峰值因子較荷載規(guī)范更大一些，這是由于電氣和結(jié)構(gòu)比較來看響應更加敏感，也就是說在數(shù)次結(jié)構(gòu)應力超限不會造成破壞，但電氣間隙超限即可能造成擊穿、閃絡。因此這里電氣取3.6，結(jié)構(gòu)取2.5是合理的。

αL在兩規(guī)范中其計算公式一致，均為：

εc導地線風荷載脈動折減系數(shù)在電氣規(guī)程中張力時取0，風壓取1.0。在結(jié)構(gòu)規(guī)范中張力時取0，用于桿塔結(jié)構(gòu)設計時按導線平均高度取值。

結(jié)合結(jié)構(gòu)的敏感性和塔形線疊加的相關(guān)脈動，其折減系數(shù)用于風偏的風荷載計算，與鐵塔結(jié)構(gòu)計算沒有關(guān)系，可以不進行折減，按1.0選取。在張力計算時，一般來說一個耐張段長度要大于代表擋距的長度，可不考慮脈動的影響。

5 結(jié)束語

綜上所述，兩個規(guī)范對于輸電線路的導地線風荷載計算公式一致，但導地線陣風系數(shù)和擋距折減系數(shù)兩個參數(shù)取值不同，在實際工程中可根據(jù)實際需求按照不同的取值進行計算。塔體結(jié)構(gòu)計算應采用DL/T5551-2018公式，電氣間隙校核和塔頭設計應采用DL/T5582-2020公式。這兩個規(guī)范用于不同的計算條件和計算目的，并不沖突。