架空輸電線路氣象條件設計標準芻議

焦俊洲

摘 要：空氣密度對輸電線路風荷載計算的影響，現(xiàn)行技術標準缺乏明確規(guī)定，對設計冰厚離地計算高度規(guī)定亦欠合理.基于伯努利公式和克拉珀龍方程，分析指出對于中、高海拔地區(qū)的線路，空氣密度對風荷載計算及風區(qū)劃分的影響不容忽視，建議采用考慮空氣密度的設計風壓或設計標準風速為指標進行輸電線路風荷載計算及風區(qū)劃分；鑒于高度和檔距對覆冰的綜合影響，建議輸電線路設計冰厚計算高度取導、地線平均高度.

關鍵詞：架空輸電線路；空氣密度；設計風壓：設計標準風速

一、對風壓取值以風區(qū)及劃分過程中出現(xiàn)的問題

對于風區(qū)風速的取值，根據(jù)《110kV～750kV架空輸電線路設計規(guī)范》（GB50545-2010）對于基本風速的定義，即為“按當?shù)乜諘缙教沟孛嫔?0m高度處10min時距，平均的年最大風速觀測數(shù)據(jù)，經概率統(tǒng)計得出50（30）年一遇最大值后確定的風速”，但是，這種基本風速具體指的是哪一種空氣狀態(tài)下的風速并沒有明確的規(guī)定。我國過去一般采用維爾達壓板對風進行測量，它的刻度所反映出的風速都是根據(jù)統(tǒng)一的標準空氣密度依據(jù)伯努利公式反算得出的結果。因此在計算風壓時，風壓系數(shù)取值為1600。近年來，我國有多個地區(qū)氣象站先后安裝了電接風向風速儀，其屬于風杯式風速計，在觀測中并未記錄空氣密度對風速的影響。就目前而言，在設計中，各電力設計單位一般是由氣象勘測專業(yè)提供沿線氣象站歷年實測最大風速系列的頻率分析結果，送電電氣等專業(yè)據(jù)此進行線路風區(qū)劃分，并僅按標準空氣狀態(tài)計算風荷載，進而提供給結構專業(yè)進行桿塔設計。而并未針對不同的空氣密度對搜集到的風速進行修正。風區(qū)風速取值，根據(jù)現(xiàn)行標準，架空輸電線路風區(qū)劃分指標為離地10m高與電壓等級相應的某一重現(xiàn)期的最大風速，即基本風速，而這樣的“基本風速”是指何種空氣狀態(tài)下的風速，標準并無明確規(guī)定。電力設計單位大多由氣象勘測專業(yè)提供沿線氣象站歷年實測最大風速系列的頻率分析成果，氣象、電氣等專業(yè)據(jù)此進行線路風區(qū)劃分。并僅按標準空氣狀態(tài)計算風荷載，進而提供給結構專業(yè)進行桿塔設計。因缺少明確規(guī)定，在上述過程中，各專業(yè)均可能未對基本風速施以空氣密度訂正，這在500m以下的低海拔地區(qū)問題并不突出。

二、風壓取值及風區(qū)劃分的建議

在設計中，采用考慮實際空氣密度的設計風壓來進行輸電線路風區(qū)劃分，再對照全國或地區(qū)風壓圖檢查設計成果是否合理，并再按此值直接進行風荷載高度變化計算。

1.風速的地貌與高度轉換，在大氣邊界層內，風速隨離地面高度而增大。當氣壓場隨高度不變時，風速隨高度增大的規(guī)律，主要取決于地面粗糙度和溫度垂直梯度。通常認為在離地面高度為300～550m時，風速不再受地面粗糙度的影響，也即達到所謂“梯度風速”，該高度稱之梯度風高度。

2.以設計風壓為指標，當采用設計風壓為指標劃分風區(qū)時，對于沿線空氣狀態(tài)與標準空氣狀態(tài)差異較大的地區(qū)，如高程在500m以上的中、高海拔地區(qū)，應當考慮當?shù)貙嶋H的空氣可能己遠非標準空氣狀態(tài)，而不是簡單地將風壓系數(shù)取l600直接計算設計風壓。以設計風壓為指標劃分風區(qū)，有如下優(yōu)點；①有利于風區(qū)劃分成果的合理性檢查。實際工程中，常以全國或地區(qū)基本風壓圖反算風速，進行輸電線路設計風速合理性檢查，或直接風速區(qū)取值的依據(jù)。以設計風壓進行劃分風區(qū)，便于和基本風壓圖比較，避免由風壓反算風速，因為這樣的“反算”易因有否考慮空氣密度帶來誤差。②可直接進行風荷載高度變化計算。現(xiàn)行《建筑結構荷載規(guī)范》按4類地貌（粗糙度），給出了離地（水）面5--450m高度的風壓高度變化系數(shù)表。當以風壓劃風區(qū)，電氣或結構專業(yè)以10m高的設計風壓為基準，可直接換算為線路沿線實際地貌類別下不同高度的風荷載，以便于實際操作。

三、設計覆冰厚度的計算高度

1.導線懸掛高度對覆冰產生的影響，覆冰隨導線懸掛高度而增加，其第一原因就是結冰時風速隨高度的增加而增加，風速愈大，導線獲取的水滴、冰晶就越多，覆冰也就越大；另外就在覆冰增長期間內，空氣含水量隨高度的增加而增加，水分含量越來越多，覆冰則大。大量實測資料說明，不同懸掛高度覆冰厚度比KZ是高度比的冪函數(shù)，即KZ（Z/Z0）式中：Z為計算離地高度；Z0為氣象站電線懸掛高度，一般為2.0m；為指數(shù)，表示冰厚隨高度變化的關系，綜合反映了風速、含水量、捕獲系數(shù)等隨高度的變化，與覆冰類型有關。

2.檔距對覆冰的不同的影響，覆冰總是首先在導線迎風面上生成增長，當達到一定重量時，導線因承受偏心荷重而產生扭轉，覆冰有可能在導線各個側面生成，并逐漸增長，從而導致導線上的覆冰愈積愈大。由于扭轉角度與L2/d4（L為檔距長度，d為導線直徑）成比例，而L>>d，因此檔距愈大扭轉角度就愈大。在檔距達到一定長度時，中央線段的扭轉程度要比兩端線夾附近大。隨風運動的水滴或者冰晶得以比較均勻地積聚到扭轉導線的整個表面，使該段覆冰較厚較重，而兩端線段難以扭轉，覆冰主要積聚在迎風一側，覆冰就較薄較輕。

3.設計覆冰厚度取值中出現(xiàn)的問題，根據(jù)現(xiàn)行的行業(yè)標準，輸電線路設計基本風速離地（水）面高度為10m，設計專業(yè)可以根據(jù)這一數(shù)據(jù)為依據(jù)計算風壓，查風壓高度換算系數(shù)表給出結構各高度設計風壓。與風荷載不同，對冰厚的計算高度，技術標準曾缺少明確規(guī)定。實際工程中，常跟隨基本風速對高度進行計算，例如110kV、220kV及330kV線路風速離地高度曾取值為15m，500kV線路離地高度曾取20m，設計冰厚取值高度分別取15m和20m。當現(xiàn)行規(guī)程基本風速離地高度改為10m高的時候，冰厚取值高度按10m。應當說，這種“跟隨”是沒有依據(jù)的。由于對設計覆冰厚度，設計專業(yè)并不象風荷載計算那樣進行高度換算，只需要設計冰厚取值一經取定，則各高度結構的覆冰荷載都按此方式進行計算。事實上，如果對設計覆冰厚度的計算高度取離地十米高，對于110～750kV一般輸電線路，而言，由于呼高相對不高，計算高度的取值對覆冰厚度的影響較小，一般不會影響設計覆冰厚度的取值。而對于1000kV、±800kV線路、同塔多回路等輸變電工程，尤其在大跨越的工程中，由于其呼高（呼高100m以上）檔距大（1km以上），計算高度的取值將對設計覆冰厚度產生較為明顯的影響。各電壓等級輸電線路技術標準雖均規(guī)定：除無冰地區(qū)，大跨越設計冰厚較附近一般線路增加5mm。但對于呼高較高的特高壓線路、同塔多回路塔，是否也按此執(zhí)行還有待商榷。

四、設計冰厚計算高度的建議

對于呈弧垂狀的導地線而言，覆冰的檔距訂正系數(shù)隨高度增高而減小，高度訂正系數(shù)隨高度增高而增大。因此，大檔距線路導、地線的最大覆冰既不在最高懸掛點，亦不在弧垂最低點。在設計中，設計覆冰厚度一經取定，一般不像風荷載

那樣再行高度換算，因此建議在架空輸電線路設計覆冰厚度計算高度取導、地線平均離地（水）面高度。為便于操作，可取力學計算用各電壓等級線路導線平均離地高度，用作各電壓等級覆冰離地計算高度，即110～330kV線路取15m；500kV、500kV、750kV線路取20m；800kV、1000kV線路和同塔多回路取30m；大跨越工程取導地線平均離水面高度。

隨著架空輸電線路的不斷規(guī)劃和完善我國大檔距跨越塔、同塔多回路塔等高塔得到了有效應用，技術水平還有待提高，技術人員要從多種角度分析研究問題，合理劃分架空輸電線路的區(qū)域，并進行全面檢查，對存在的突出問題采取有效措施進行完善，合理區(qū)劃分架空氣象線路，并根據(jù)方案設計進行風速調整以及覆冰厚度計算高度高度的取值，將會大袋提高設計的準確性和嚴謹性，帶動經濟效益最大化。

參考文獻

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