《架空輸電線路荷載規范》新舊規范線條荷載計算的差異分析

(中國能源建設集團江蘇省電力設計院有限公司，江蘇 南京 211102)

0 引言

DL/T 5551—2018《架空輸電線路荷載規范》(下文簡稱“新規范”)于2019年5月1日起正式實施，在該規范實施之前，輸電線路桿塔荷載計算主要依據的規范為GB 50545—2010《110～750 kV架空輸電線路設計規范》、DL/T 5154—2012《架空輸電線路桿塔結構設計技術規定》(下文簡稱“舊規范”)。經過對比，新舊規范線條風荷載的計算與規范有較大區別。風荷載在輸電線路工程設計中非常關鍵，它的變化同時將會引起線條張力、弧垂、桿塔受力等的變化，對工程安全可靠、經濟合理至關重要[1]。本文結合工程實際問題，對新舊規范線條風荷載及受其影響的張力、弧垂計算進行比較和分析，為新規范在工程設計中的應用提供參考。

1 新舊規范線條風荷載計算公式對比

GB 50545—2010《110～750 kV架空輸電線路設計規范》規定線條風荷載的標準值，應按下列公式計算[2]：

式中：WX為垂直于導線及地線方向的風荷載標準值；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；μSC為導線或地線的體型系數；βC為風荷載調整系數；d為導線或地線的外徑；LP為桿塔的水平檔距；B為導地線覆冰風荷載增大系數；θ為風向與導線或地線方向之間的夾角；V0為基本風速；各字母取值請參考GB 50545—2010《110～750 kV架空輸電線路設計規范》。

DL/T 5551—2018《架空輸電線路荷載規范》規定線條風荷載的標準值，應按下列公式計算[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為導地線陣風系數（與舊規范含義不同）；αL為檔距折減系數；B1為導地線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；IZ為導線平均高z處的湍流強度；I10為10 m高度名義湍流強度；z為導、地線平均高度；α為地面粗糙度指數；εC為導地線風荷載脈動折減系數；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；e為自然常數。各字母取值請參考DL/T 5551—2018《架空輸電線路荷載規范》。

通過對比規范條文，新舊規范基準風壓標準值W0、風向與導地線的夾角θ的取值和計算一致；線條風荷載計算公式對風荷載不均勻度、風壓高度變化、體型系數、風荷載調整系數、覆冰風荷載增大系數等因素的表征方法差異對比如表1所示。

表1 新舊規范線條風荷載計算公式對比

從表1可以看出，舊規范用風壓不均勻系數α來表征風壓不均勻度[4-5]，新規范引入了導地線陣風系數βC、檔距折減系數αL來表征風壓不均勻度[3]，對風荷載的影響在下節中通過具體計算來對比；新規范的粗糙度系數由原來的0.16減小為0.15，意味著新規范導線風壓隨高度的增大趨勢較舊規范有所減小[5-6]；新規范體型系數取值較舊規范變小；新規范取消了風荷載調整系數，低電壓等級與500 kV及以上電壓等級的風荷載差值將會減小[7]；對于覆冰風荷載增大系數，舊規范僅規定了不同冰區時的不同取值，未明確張力計算時的取值，而新規范明確指出張力計算時取值為1.0，采用舊規范計算張力時，各設計單位的取值習慣有所差異，本文在張力計算時新舊規范的覆冰風荷載增大系數均取1.0進行對比。

2 新舊規范對線路條荷載計算的影響對比

2.1 新舊規范線條張力計算對比

線路工程的張力計算有最低氣溫、平均氣溫、基本風速、覆冰四個控制工況[8]，其中最低氣溫與平均氣溫為無風工況，基本風速與覆冰工況為有風工況，風荷載計算值的變化將會引起控制工況的變化，進而影響到各代表檔距的導線張力值。

選取常用的JL/G1A—630/45鋼芯鋁絞線，以基本風速27 m/s、覆冰10 mm為例，分別按新舊規范計算兩種工況下不同基準高度用于張力計算的線條單位風荷載，結果見表2。

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

表2 新舊規范張力計算用線條風荷載對比

根據導、地線張力控制工況的計算原理，當無風工況控制時，新舊規范無風工況張力的計算值應一致，新規范大風工況張力的計算值應大于舊規范計算值，新規范覆冰工況張力的計算值應小于舊規范；當大風工況控制時，其他工況張力新規范計算值應小于舊規范；當覆冰工況控制時，其他工況張力新規范計算值應大于舊規范[8]。下面結合具體算例，對張力的變化做定量分析，以30 m作為基準高度，分別計算平均溫控制(27 m/s風、10 mm冰)、大風控制(35 m/s風、10 mm冰)、覆冰控制(27 m/s風、15 mm冰)三種情況下不同代表檔距的各工況張力值，新舊規范的計算結果見下表3～表5。

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

表3 新舊規范張力計算對比(平均溫控制，27 m/s風、10 mm冰)

表4 新舊規范張力計算對比(大風控制, 35m/s風、10mm冰)

表5 新舊規范張力計算對比(覆冰控制, 27m/s風、15mm冰)

2.2 新舊規范線條弧垂計算對比

無風工況控制時，由于新舊規范高溫工況的張力相同，高溫弧垂也無變化[3,8]；大風和覆冰工況控制時，新舊規范的高溫弧垂對比情況見表6～表7(弧垂計算時檔距和代表檔距取值相同)。

表6 新舊規范高溫弧垂對比(大風控制，35m/s風、10mm冰)

表7 新舊規范高溫弧垂對比(覆冰控制, 27m/s風、15mm冰)

從計算結果可以看出，覆冰工況控制時，新舊規范高溫弧垂相差很小，設計時基本可忽略；而大風工況控制時，新規范高溫弧垂計算值較舊規范增大0.5～3.5 m，其中對于500 m以上檔距將會影響到桿塔排位呼高的選取。

2.3 新舊規范線條風荷載計算對比

根據表1的對比，在進行桿塔承受的線條風荷載計算時，舊規范的風壓不均勻度僅與風速相關，新規范的風壓不均勻度與計算高度和水平檔距相關。下面以基本風速27 m/s、覆冰10 mm為例，對比新舊規范大風工況的單位線條風荷載計算值。

從表8計算結果可以看出以下幾點：

1)舊規范單位風荷載值與水平檔距無關，而新規范單位風荷載值隨水平檔距增大而減小，但仍大于舊規范。

2)在15 m及以下基準高時，新規范單位風荷載計算值較舊規范增大幅度達到19%以上，這是由于15m及以下基準高度對應的電壓等級為220kV及以下，按照舊規范規定，不考慮風荷載調整系數βC[9]。

3)在20 m及以上基準高時，按照舊規范規定，風荷載調整系數βC取值為1.2，因此新規范相對于舊規范的風荷載增幅遠小于15m及以下基準高。

4)扣除風荷載調整系數βC的影響，隨著基準高度升高，新規范相對于舊規范的風荷載增大幅度減小，這是由于粗糙度系數的變化引起，與第1節的定性結論一致。

表8 新舊規范線條風荷載計算對比

在進行桿塔承受的線條風荷載計算時，風荷載還需根據相應橫擔的實際計算高度進行風壓高度折算，為了進一步驗證新舊規范粗糙度系數變化對不同計算高度風荷載的影響，下面取基準高度30 m，水平檔距500 m，新舊規范不同計算高度下的單位風荷載的對比曲線如圖1所示。

圖1 新舊規范不同計算高度單位風荷載對比

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

3 結論

1)在線條風荷載計算公式上，新規范在風壓不均勻度、風壓高度變化、體型系數、風荷載調整系數幾方面與老規范有較大差異，綜合各種因素，在常用的基準高度下新規范線條風荷載計算值大于舊規范。

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

3)無風工況控制時，新舊規范高溫弧垂無變化，覆冰工況控制時，新舊規范高溫弧垂相差很小；而大風工況控制時，新規范高溫弧垂計算值較舊規范增大較大，對于大檔距將會影響到桿塔排位呼高的選取。

4)采用新規范后，220 kV及以下電壓等級線條風荷載將有大幅增加，桿塔設計時應引起注意；500 kV電壓等級線條風荷載適度增加；特高壓線條風荷載新舊規范基本相當。

本文未考慮新舊規范塔身風荷載的差異，下一步有必要結合塔身風的差異，對采用新舊規范設計的桿塔工程量的變化進行綜合分析。