新規范對輸電線路電氣設計的影響

邢 明，任美玲，蔣偉東，吳才亮

(佛山電力設計院，廣東 佛山 528200)

0 引言

自GB 50545—2010《110 kV～750 kV架空輸電線路設計規范》[1](以下簡稱“老規范”)于2010年1月18日發布以來，工程設計人員在開展110 kV～750 kV架空輸電線路電氣設計時，均以此國標為依據開展相關計算和設計工作。隨著我國近十年來在超、特高壓架空輸電線路工程中積累了較為豐富的建設和運行經驗，吸收了輸電線路行業在各個環節積累的寶貴經驗和科研成果，同時也為了讓中國標準與國際接軌，因此近期頒布了兩個與輸電線路電氣設計相關的規范。其中DL/T 5551—2018《架空輸電線路荷載規范》[2](以下簡稱“新荷載規范”)已于2018年12月25日正式發布，DLT 5582—2020《架空輸電線路電氣設計規程》[3](以下簡稱“新電氣規范”)已于2020年10月23日發布(兩個規范以下簡稱“新規范”)，新規范都引進了國際上通用的瞬時風、脈動風的概念，同時考慮國內傳統習慣的影響，增加了一系列關于風荷載計算需要用到的新的計算系數，導致按照新規范計算出的結果與老規范計算出的結果不一致。本文主要進一步解讀兩本新規范中和電氣設計計算相關的新系數的取法，同時論述新老規范對工程設計的影響。

1 新規范主要變化內容

新規范最主要變化內容就是導地線風荷載的計算，風荷載Wx的公式如式(1)～(5)。

式中：Wx為垂直導地線風荷載；βc為導地線陣風系數，反映了風速的脈動特性；αL為檔距折減系數，考慮了檔距不同位置脈動風荷載的水平相關性；W0為基準風壓；μz為風壓高度變化系數；z為導地線平均高度；μsc為導地線體型系數；d為導地線外徑；Lp為桿塔水平檔距；B為覆冰風荷載增大系數；γc為導地線風荷載折減系數；g為峰值因子，取值與我國規范規定的可靠度目標有關，可理解為與10 min 內允許的風速超越次數或時間有關[4]；Iz為線平均高z處 的湍流強度；I10為10 m高度湍流強度；α為地面粗糙度指數；δL為檔距相關性積分因子；Lx為水平向相關函數的積分長度；εc為導地線風荷載脈動折減系數，εc主要考慮兩方面的因素：一為塔線疊加相關性，二為結構敏感性，即瞬時的峰值荷載不足以對結構產生破壞性影響；e為自然常數。

老規范導線線風荷載的計算公式如式(6)。

式中：Wx為垂直導地線風荷載；βc為導地線風荷載調整系數；α為風壓不均勻系數；W0為基準風壓；μz為風壓高度變化系數；z為導地線平均高度；μsc為導地線體型系數；d為導地線外徑；Lp為桿塔水平檔距；B為覆冰風荷載增大系數。

新老規范關于導地線風荷載計算公式的表現型式基本一樣，但式中各個系數的物理含義和取值發生了較大變化，主要差異情況見表1所列。

表1 新老規范風荷載計算系數差異對比情況

2 新規范系數的選取

新規范中新增了脈動折減系數εc、風荷載折減系數γc、峰值因子g等計算參數，使得導地線理論計算荷載與實際荷載更加吻合，但不同的系數在不同用途中取值不一樣。具體對比情況見表2～表4所列。

表2 脈動折減系數εc取值

表3 脈動折減系數γc取值

表4 峰值因子g取值

3 新規范對輸電線路電氣設計的影響

新規范發布對電氣計算影響主要體現3個方面：①導地線弧垂。②搖擺角。③掛點荷載。其中導地線弧垂、掛點荷載變化主要是由于新荷載規范引起的，搖擺角變化受新荷載規范和新電氣規范共同影響，其主要原因是搖擺角計算在垂直檔距換算時涉及導線張力計算，導線張力控制工況張力按照新荷載規范計算，非控制工況張力按照新電氣規范計算，這樣的規定也是新規范較老規范最大的改進，這樣可保證導線張力無論是電氣計算還是結構計算均能保持在同一控制條件下開展，與實際也更加吻合。

3.1 對弧垂的影響

影響弧垂計算的氣象因素主要有：溫度、風速、覆冰。在狀態方程中起控制的工況主要有：低溫、大風、覆冰和年平工況四個工況[6]，其中低溫和年平工況為無風工況，大風和覆冰為有風工況[7]。由于新荷載規范根據風工程理論充分考慮脈動風具有的零均值和隨機特性等因素，導致新荷載規范和老規范計算出的風荷載不一致，新荷載規范和老規范計算出的控制工況也會發生變化。上述2個主要原因都會影響弧垂的變化。

通過計算對比：①在低風無冰區，大部分導線的控制工況均為年平工況，新老規范變化對弧垂無影響。②在強風無冰區，大風工況為控制工況，風速越大對弧垂影響越大，風速在33～45m/s區間導線弧垂變化范圍在1.1～3.0 m之間。具體對比情況見表5所列。

表5 新老規范對導線弧垂影響 (風速高度20 m，80 ℃弧垂)

通過計算對比，在覆冰區新老規范對弧垂影響較小。主要原因是覆冰區大風工況風速一般較小，大風工況一般不會形成控制工況，大部分導線控制工況均為覆冰工況，而覆冰工況中風速一般為10～15 m/s，不同風速新老規范比載對比情況如圖1所示，可知風速10～25 m/s 范圍內比載基本無變化。

圖1 不同風速新舊規范比載變化圖

由此可見覆冰區新老規范的變化對比載的計算影響較小，故弧垂變化較小。具體對比情況見表6所列。

表6 新老規范對導線弧垂影響(風速高度20 m，覆冰厚度10 mm，80 ℃弧垂)

3.2 對搖擺角的影響

影響搖擺角的主要因素是導線、絕緣子串風荷載和自重荷載比值，進行塔頭規劃時一般需要考慮大風、操作、雷電、帶電作業四種工況搖擺角，計算時根據待求工況和最大弧垂工況導線比載、應力關系，將最大弧垂工況垂直檔距折算成待求工況垂直檔距，進而求出待求工況搖擺角。由于新電氣規范考慮電氣對風的響應較為敏感，將峰值因子提高至3.6，同時通過對搖擺角計算用到的張力計算風荷載折減系數γc和風壓計算風荷載折減系數γc均做了不同的規定，導致新老規范對搖擺角計算影響很小。通過計算對比，按新電氣規范計算出的搖擺角與按老規范計算出的搖擺角相差-1°～ 2°，故對塔頭尺寸影響較小。具體對比情況見表7 所列。

表7 新老規范對搖擺角影響

3.3 對掛點荷載的影響

新荷載規范將風對結構的作用分為平均風的靜力作用和脈動風的動力作用，并充分考慮結構敏感性和塔線疊加相關性的影響，使得荷載理論計算結果與實際更加吻合。通過計算對比，對于超高壓例如500 kV線路，新老規范變化對掛點橫向荷載影響較小，主要原因是500 kV線路執行老規范時，考慮風荷載調整系數βc。但在高壓線路例如220 kV線路，不同導線新老規范變化對掛點橫向荷載影響較大，增加20%～30%。具體對比情況見表8所列。

表8 不同導線新老規范對掛點橫向荷載的影響(平均高度20 m，水平檔距500 m)

相同導線不同高度新老規范變化對掛點橫向荷載影響隨著高度增加越來越小，主要原因是新規范B類地區風壓變化系數取0.3，老規范B類地區風壓變化系數取0.32，新規范粗糙度系數的減小是造成新老規范對掛點橫向荷載影響較少的主要原因，具體對比情況見表9所列。

表9 相同導線不同高度新老規范對掛點橫向荷載的影響(水平檔距500 m)

一般在非冰區對鐵塔進行極限承載力計算時，主要考慮大風工況、低溫工況、斷線工況、安裝工況。進行正常使用極限承載力計算時，主要考慮年平氣溫、風速5 m/s 工況。通過計算對比，新老規范變化針對大風、低溫、年平三種工況對掛點縱向荷載影響一般，縱向荷載變化范圍在-1%～8%之間。具體對比情況見表10所列。

表10 新老規范對掛點縱向荷載的影響 (平均高度20 m，代表檔距500 m)

經計算對比發現利用依據老規范開展的500 kV鐵塔標準設計按照新規范計算的荷載驗算后，局部材料不滿足，可通過更換少量材料后使用。利用依據老規范開展的110 kV～220 kV鐵塔標準設計按照新規范驗算后，大部分材料受力均不滿足，無法換材使用，可通過采用比實際風速大4 m/s標準設計(依據老規范開展設計)進行驗算 使用。

4 結論

1)新規范中新增了脈動折減系數εc、風荷載折減系數γc、峰值因子g等計算參數，在不同用途中取值不一樣；

2)在低風速無冰區，年平為控制工況，新老規范變化對弧垂無影響，但在強風無冰區，風速越大對弧垂影響越大，風速在33～45 m/s期間不同導線弧垂變化范圍在1.1～3.0 m之間。尤其是常用JL/G1A-400/35導線弧垂受新老規范影響較大。在開展設計工作時需要充分考慮弧垂增大導致鐵塔高度增加帶來的影響；

3) 新老規范對搖擺角計算影響較小，故對塔頭尺寸影響較小；

4) 對于超高壓例如500 kV線路，新老規范變化對掛點橫向荷載影響較小，但在高壓線路例如220 kV線路，新老規范變化對掛點橫向荷載影響較大。新老規范變化對掛點縱向荷載影響一般，影響主材規格的大風工況，縱向荷載增加2%～8%。在開展設計工作時需要充分考慮荷載增加導致鐵塔結構受力變化帶來的影響。