特高壓輸電線路重冰區荷載及荷載組合研究

段輝順 劉生奎 王公陽

(中國能源建設集團甘肅省電力設計院有限公司，甘肅 蘭州 730050)

特高壓輸電線路重冰區荷載及荷載組合研究

王公陽(1988- )，男，碩士，工程師

段輝順 劉生奎 王公陽

(中國能源建設集團甘肅省電力設計院有限公司，甘肅 蘭州 730050)

分析研究了±800 kV線路輸電桿塔的荷載作用特點，總結了特高壓輸電鐵塔的荷載計算方法和荷載組合。在保證輸電線路工程安全運行的前提下，經濟合理的解決了重冰線路設計難題。

輸電線路，重冰區，荷載，荷載組合

重覆冰區的線路由于覆冰厚度都在20 mm及以上，其靜態和動態的覆冰荷載較大，對桿塔的強度、剛度和抗扭性提出較高的要求。因此，世界各國對重冰線路都是按特殊情況處理的。IEC標準中運用概率論和數理統計法對冰荷載和冰風組合荷載提出了較合理的處理方法[1,2]，并對重冰區線路提出了兩項特殊要求：1)在計算導、地線事故工況下的張力必須考慮覆冰；2)重冰區的重要線路應每隔若干基增加一基抗串倒型終端塔。國際上如加拿大、法國、英國等對重冰線路的處理也基本上參照IEC標準的做法。結合世界各國對重冰線路的處理措施，重冰區線路的設計宜首先采用避冰和抗冰措施，這就需要重冰區鐵塔具有足夠的抗冰能力。

在2008年南方冰災以后，修訂的《重覆冰架空輸電線路設計技術規程》[3](以下簡稱重覆冰規程)已經給出各種冰區鐵塔所受的荷載，然而并沒有給出750 kV以上電壓等級荷載組合的詳細說明。

某±800 kV特高壓直流線路通過的冰區范圍從5 mm輕冰區至40 mm重冰區，基本涵蓋了規范中所列的冰區。該工程規劃的塔型多達80種，鐵塔的投資在本體造價中占據的比重較大，保證其安全而又經濟合理是鐵塔設計的關鍵。

1 ±800 kV重冰區荷載

重冰線路與輕冰區線路相比，除常規的運行、安裝情況外，主要還應考慮覆冰運行、覆冰斷線和不均勻覆冰、脫冰及過載覆冰情況。

1.1導地線覆冰荷載

考慮到線路覆冰后，引起導地線直徑增加，與實際導地線的受風面積出入較大，為考慮覆冰厚度對風荷載的影響，提出風荷載增大系數，根據重覆冰規程及IEC相關規定，覆冰后導線的風荷載應考慮有效阻力系數和等值受風面積。鑒于我國的重覆冰規程在計算覆冰風壓時已計入風荷載體型系數，相當于有效阻力系數，因此，僅需考慮覆冰后等值受風面積的影響[4]。

為此，根據冰凌性質和覆冰厚度取不同的增大系數，建議20 mm冰區風荷載增大取值不小于1.2，30 mm冰區風荷載增大取值不小于1.5。

1.2桿塔覆冰風荷載

同理，覆冰后的鐵塔構件的受風面積較無冰時有所增大。因此提出桿塔覆冰風荷載增大系數，建議重冰區桿塔風荷載增大系數的取值不小于2.0。

1.3覆冰斷線荷載

重覆冰線路的斷線情況應考慮在設計冰厚下的覆冰斷線。

1)直線塔斷線荷載。

為了合理增加桿塔的抗扭強度，斷線覆冰率隨設計冰厚增加而增加，且線路等級越高斷線覆冰率越大。結合500 kV重冰線路的成功運行經驗，±800 kV直流重冰區直線桿塔斷線覆冰率取值不應低于500 kV標準，因此，推薦±800 kV直流重冰區直線桿塔斷線覆冰率見表1。

表1 ±800 kV直線塔斷線覆冰率取值

2)耐張塔斷線荷載。

現有的重覆冰線路的耐張型桿塔，基本上都能起到抑制冰害桿塔導致串倒事故的發生。國內500 kV及以下耐張桿塔斷線覆冰率見表2。

表2 500 kV及以下耐張桿塔斷線覆冰率

根據重冰導則，并參照IEC標準，±800 kV直流重冰區耐張塔斷線覆冰率取值不應低于500 kV標準。因此，推薦±800 kV直流重冰區耐張塔斷線覆冰率取值仍然按照500 kV斷線覆冰率的取值，重冰區耐張塔斷線覆冰率均取100%。

1.4不均勻覆冰荷載

不均勻冰荷載分為覆冰不均勻冰荷載和脫冰不均勻冰荷載兩種情況。前者使桿塔受到很大的縱向彎矩；后者使桿塔上不同相存在不同的不均勻冰荷載，從而使桿塔受到很大的扭矩。

結合國內重冰規程的規定以及現有重冰線路的運行經驗，推薦±800 kV直流重冰線路不均勻冰載覆冰率見表3。

表3 ±800 kV直流重冰線路不均勻冰載覆冰率 %

根據重覆冰規程：垂直檔距系數小于0.8的直線桿塔應進行導線、地線脫冰跳躍和不均勻覆冰時產生的上拔力校驗導線橫擔和地線支架，導線上拔力取最大使用張力的5%～10%，大牌號的導線可取偏小數值，中、小牌號導線取偏大數值。地線取最大使用應力的5%。對于±800 kV特高壓直流重冰直線塔，由于其間距大，此時應考慮一側導地線脫冰跳躍，另一側導地線覆冰情況下的局部最大彎距情況的荷載組合。

1.5驗算覆冰荷載

驗算覆冰荷載情況主要是考慮局部微氣象和微地形引起的稀有覆冰情況，也就是說在某些情況下會出現比設計覆冰厚度要大的覆冰條件，目的是為了提高線路在稀有覆冰情況下的抗冰能力。因此只需在正常計算工況下增加一個驗冰工況。

在重冰區線路設計中，必須考慮驗算覆冰荷載工況。因此，各冰區應根據具體的氣象和地形條件來進行驗算冰的設計組合。建議設計冰厚20 mm冰區應考慮按30 mm冰驗算，設計冰厚30 mm冰區應考慮按45 mm冰驗算。

2 ±800 kV重冰區荷載組合

2.1斷線情況荷載組合

斷線情況計算條件為-5 ℃、有冰、無風。直線型桿塔荷載組合：斷一根地線，導線未斷；斷一極導線、地線未斷。耐張型桿塔：在同一檔內斷任意一極導線、地線未斷；斷一根地線，導線未斷。

2.2不均勻冰情況荷載組合

不均勻冰荷載情況計算條件為未斷線、-5 ℃、無風。直線型和耐張型桿塔不均勻冰荷載組合：1)兩根導線和兩根地線同時有不均勻冰荷載，組合使桿塔產生最大的彎矩；此時應考慮導地線同期和不同期有不均勻冰情況。2)一根導線和一根地線同時有不均勻冰荷載，組合使桿塔產生最大彎矩和扭矩。3)直線塔的脫冰跳躍。

3 重冰區荷載組合對±800 kV塔重的影響

以該工程30 mm冰區直線Ⅰ型和耐張Ⅰ型塔為例來分析各種荷載組合對塔重的影響。計算結果分別見表4,表5。

表4 直線塔塔重

表5 耐張塔塔重

從表4,表5看出，對于重冰區直線塔，大風及安裝情況對塔重的影響幅度很小，基本上不控制鐵塔構件，影響塔重的主要因素在于覆冰斷線及不均勻冰的荷載組合，覆冰斷線主要控制橫擔材及頭部部分交叉斜材，而不均勻冰主要控制塔身主斜材。對于耐張塔，影響塔重的主要因素在于覆冰斷線及不均勻冰和驗算冰的荷載組合，大風及安裝情況基本不控制鐵塔構件。

4 結語

本文通過研究重覆冰的作用機理，給出了覆冰風荷載增大系數、斷線覆冰率、不均勻覆冰率、驗冰厚度的取值、脫冰跳躍荷載計算及相應的荷載組合。同時分析了重覆冰對塔重的影響。根據重冰在各組合情況下的塔重比值關系，進一步說明了±800 kV直流重冰荷載取值和組合的特點。

[1] 陳 斌,蓋永志.輸電線路桿塔荷載設計計算[J].山東電力技術,2011(6):18-22.

[2] 王永華，朱 江.中美輸電線路鐵塔設計標準比較[J].電力勘測設計,2014(4):75-80.

[3] DL/T 5440—2009,重覆冰架空輸電線路設計技術規程[S].

[4] 鐘寅亥.冰區輸電鐵塔設計的荷載組合[J].廣東輸電與變電技術,2010,12(1):65-66.

[5] 張海平,張 馳.20 mm重冰區500 kV同塔雙回輸電線路設計[J].電網技術,2015,39(1):123-129.

StudyofheavyicingarealoadandloadcombinationresearchinUHVtransmissionline

DuanHuishunLiuShengkuiWangGongyang

(ChinaEngineeringGroupGansuElectricPowerDesignInstituteCo.,Ltd,Lanzhou730050,China)

In this paper, load characteristics of ±800 kV DC transmission line tower is studied, and load calculation methods and load combinations of UHV transmission towers are summarized. In the premise of ensuring the safe operation of transmission line, we solve the heavy ice line design problem economically and reasonably.

transmission line, heavy icing area, load, load combination

TU312.1

A

1009-6825(2017)26-0044-03

2017-07-09

段輝順(1972- )，男，高級工程師；劉生奎(1973- )，男，工程碩士，教授級高級工程師；

3)合肥市計算方法(合建設[2013]15號)。