國內(nèi)外輸電線路桿塔設(shè)計標準對比分析

李生澤，黃滿長，楊 磊，楊庭志，謝 靜

(1.中國機械設(shè)備工程股份有限公司，北京 100055；2.湖南省電力設(shè)計院，湖南 長沙 410007)

國內(nèi)外輸電線路桿塔設(shè)計標準對比分析

李生澤1，黃滿長2，楊 磊1，楊庭志1，謝 靜2

(1.中國機械設(shè)備工程股份有限公司，北京 100055；2.湖南省電力設(shè)計院，湖南 長沙 410007)

隨著國家“一帶一路”戰(zhàn)略政策的出臺，國內(nèi)電力企業(yè)紛紛走向國際市場，境外電網(wǎng)項目越來越多，了解和掌握國內(nèi)外桿塔設(shè)計標準的差異是目前境外輸電線路項目中亟待解決的問題，對控制工程的造價、質(zhì)量尤為重要。本文結(jié)合實際工程，分別從桿塔安全度、荷載及構(gòu)件計算等方面進行了分析對比，并通過實例計算及鐵塔真型力學(xué)試驗驗證，分析結(jié)果可為境外輸電線路工程設(shè)計提供參考。

電網(wǎng)工程；輸電線路；安全度；荷載；桿塔設(shè)計。

當今世界正發(fā)生復(fù)雜深刻的變化，國際投資貿(mào)易格局和多邊投資貿(mào)易規(guī)則醞釀深刻調(diào)整，國家制定“一帶一路”政策，鼓勵國內(nèi)企業(yè)走出去。掌握國內(nèi)外輸電線路工程設(shè)計標準的差異，對于控制工程造價、質(zhì)量和進度顯得尤為重要。桿塔設(shè)計是影響線路工程造價的關(guān)鍵因素之一。本文通過研究國內(nèi)外輸電線路桿塔設(shè)計標準在安全度、荷載和構(gòu)件計算方面的差異，結(jié)合實例進行對比分析計算，并通過鐵塔真型力學(xué)試驗進行驗證，其結(jié)論可為以后的境外輸電線路工程設(shè)計提供參考。

1 國內(nèi)外輸電線路標準簡介

我國架空輸電線路設(shè)計的標準體系分為國家標準、行業(yè)標準和企業(yè)標準等，國家標準主要有：GB 50545－2010《110 kV～750 kV架空輸電線路設(shè)計標準》等，行業(yè)標準主要有：DL/T 5154－2002《架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)定》等。國際電工委員會(IEC)于1991年頒布了IEC60826：1991《架空輸電線路荷載和強度》，2003年在總結(jié)實踐經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，進一步修訂并頒布了IEC60826：2003《輸電線路結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》。美國的架空輸電線路設(shè)計標準體系主要由以下4部分組成：(1)國家法規(guī)和安全規(guī)定執(zhí)行美國國家電力規(guī)定NEC和美國國家電力安全標準NESC；(2)電氣部分以IEC60826標準為主；(3)結(jié)構(gòu)設(shè)計以美國土木工程協(xié)會ASCE標準為主，還可參考美國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會AISC標準；(4)桿塔材料執(zhí)行美國測試和材料協(xié)會ASTM的系列標準。歐盟于1972年成立歐盟電工標準化委員會(CENELEC)，2001年正式發(fā)行架空輸電線路設(shè)

計標準EN50341∶2001，包括英語、德語和法語3個版本，各個國家再根據(jù)本國的實際情況進行小幅度的修訂，形成本國的標準，并在名稱前面加上本國的簡寫，如英國標準為BSEN 50341∶2001。

2 國內(nèi)外輸電線路桿塔設(shè)計標準差異

從影響桿塔設(shè)計的關(guān)鍵因素：安全度、荷載和結(jié)構(gòu)計算三方面進行對比分析，找出設(shè)計標準的差異及其影響。

2.1 桿塔安全度

我國規(guī)范按照電壓等級和線路種類的不同，將輸電線路劃分為3個結(jié)構(gòu)安全級別，通過結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)來反映。國外規(guī)范規(guī)定的安全級別與冰、風(fēng)荷載的重現(xiàn)期有關(guān)，見表1。

為使得國內(nèi)外規(guī)范相當安全系數(shù)相互比較的起點相同，以我國規(guī)范規(guī)定的50年重現(xiàn)期為基準，分別將各國規(guī)范各個重現(xiàn)期的相當安全系數(shù)與之比較，計算結(jié)果見表2。

表1 國內(nèi)外標準安全級別比較

表2 國內(nèi)外輸電線規(guī)范相當安全系數(shù)比較

從表2可以看出，與國外規(guī)范相比，我國規(guī)范50a重現(xiàn)期的相當安全系數(shù)：

(1)對于輕冰區(qū)，Ⅰ級結(jié)構(gòu)與美國規(guī)范50 a及歐盟500 a重現(xiàn)期較為接近；Ⅱ級結(jié)構(gòu)，除與歐盟規(guī)范150 a重現(xiàn)期較為接近，普遍小于國外規(guī)范；Ⅲ級結(jié)構(gòu)，則遠小于國外規(guī)范。

(2)對于中冰區(qū)，Ⅰ級結(jié)構(gòu)除與IEC規(guī)范500 a重現(xiàn)期較為接近外，普遍大于國外規(guī)范；Ⅱ級結(jié)構(gòu)，與美國規(guī)范400 a和IEC規(guī)范150 a重現(xiàn)期較為接近，略小于IEC規(guī)范500 a重現(xiàn)期，普遍大于國外規(guī)范其他重現(xiàn)期；Ⅲ級結(jié)構(gòu)，與美國規(guī)范100 a重現(xiàn)期和IEC規(guī)范50 a重現(xiàn)期較為接近，普遍大于國外規(guī)范其他重現(xiàn)期。

(3)對于重冰區(qū)，則遠大于國外規(guī)范。

2.2 桿塔荷載

(1)桿塔荷載工況

國內(nèi)外規(guī)范設(shè)計荷載工況的大致對應(yīng)關(guān)系見表3。

表3 國內(nèi)外規(guī)范設(shè)計荷載工況對應(yīng)關(guān)系

(2)冰、風(fēng)荷載取值

國外規(guī)范都是以冰、風(fēng)荷載的長期觀測資料為基礎(chǔ)，假定冰、風(fēng)荷載服從某一概率分布類型，按其概率分布的某一不利分位值用概率統(tǒng)計方法確定。我國規(guī)范除風(fēng)荷載具有較長期

的觀測資料，可按概率統(tǒng)計方法確定外，冰荷載由于缺乏長期的覆冰觀測數(shù)據(jù)，多按相鄰已運行線路的運行資料和經(jīng)驗來確定設(shè)計冰厚，缺乏長期觀測數(shù)據(jù)的支撐和數(shù)理模型的推算見表4。

表4 國內(nèi)外規(guī)范風(fēng)荷載的比較

(3) 荷載工況組合及分項系數(shù)

國內(nèi)外規(guī)范均采用概率統(tǒng)計理論進行桿塔荷載計算，對不同類型工況采取不同的分項系數(shù)和荷載組合系數(shù)。

表5 國內(nèi)外規(guī)范荷載工況組合系數(shù)對比

2.3 結(jié)構(gòu)計算

國內(nèi)外規(guī)范桿塔構(gòu)件結(jié)構(gòu)計算均分別從軸心受壓、受拉、螺栓抗剪和螺栓孔承壓等方面考慮，其計算方法基本類似，但在參數(shù)取值方面存在差異，總體來說，其構(gòu)件承載力較國內(nèi)規(guī)范要高，詳見表9。

3 計算實例

針對安哥拉SOYO項目400 kV輸電線路工程中的4Z1直線塔、4J1耐張塔，分別根據(jù)歐盟和國內(nèi)規(guī)范進行設(shè)計計算。設(shè)計風(fēng)速為30 m/s，無冰；導(dǎo)線型號為AAAC－660 (d＝33.39 mm)，地線型號為OPGW－143 (d＝16 mm)；4Z1直線塔設(shè)計水平檔距450 m，垂直檔距600 m；4J1轉(zhuǎn)角塔設(shè)計水平檔距450 m，垂直檔距650 m，轉(zhuǎn)角度數(shù)30°。

3.1 桿塔計算荷載對比

(1)大風(fēng)工況導(dǎo)、地線荷載，見表6、表7。

表6 4Z1大風(fēng)工況時導(dǎo)、地線荷載對比 (單位： kN)

表7 4J1轉(zhuǎn)角塔大風(fēng)工況導(dǎo)、地線荷載對比 (單位： kN)

(2)塔身風(fēng)荷載

國內(nèi)外規(guī)范塔身風(fēng)荷載計算方法基本類似，限于篇幅，僅給出4Z1直線塔45°風(fēng)工況塔身風(fēng)荷載計算值，見表8、圖1。

表8 4Z1塔身風(fēng)荷載設(shè)計值計算對比(45°風(fēng))

圖1 不同風(fēng)向角度下中歐標準塔身風(fēng)荷載設(shè)計值比值圖

以上結(jié)果表明按國內(nèi)規(guī)范計算的塔身風(fēng)荷載值較歐盟規(guī)范要大，橫擔部分相差較大，塔身部位差別在20%左右。

3.2 桿塔構(gòu)件計算對比

選取Q235、Q345和Q420三種材質(zhì)的鋼材按國內(nèi)和歐盟規(guī)范進行構(gòu)件承載力對比分析，4Z1、4J1塔的主要構(gòu)件承載力對比見表9。

從表9可以看出按歐盟規(guī)范計算的構(gòu)件承載力比國內(nèi)規(guī)范高，受不同的構(gòu)件規(guī)格、材質(zhì)及計算長度等影響，一般在5%～20%之間。

表9 構(gòu)件承載力計算對比 (單位：kN)

3.3 桿塔計算塔重對比

計算塔重比較見表10。

表10 計算塔重比較 (單位：kg)

由表10可以看出，采用歐盟規(guī)范計算得到的4Z1、4J1塔計算重量比國內(nèi)規(guī)范小5%～10%。

4 結(jié)論

以上兩種塔型分別于2013年11月5～6日和11月20～21日在中國電力科學(xué)研究院北京良鄉(xiāng)輸電桿塔試驗基地順利通過所有試驗工況，并超載120%。

(1)我國桿塔50a重現(xiàn)期相當安全系數(shù)：對于輕冰區(qū)，Ⅰ、Ⅱ級結(jié)構(gòu)分別與美國及歐盟規(guī)范不同重現(xiàn)期接近，Ⅲ級結(jié)構(gòu)則遠小于國外規(guī)范；對于中冰區(qū)，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級結(jié)構(gòu)分別與美國及歐盟規(guī)范不同重現(xiàn)期接近；對于重冰區(qū)，則各級別結(jié)構(gòu)均遠大于國外規(guī)范。

(2)國內(nèi)外規(guī)范在桿塔荷載工況方面基本一致，均考慮了風(fēng)荷載、覆冰、斷線等工況，但各荷載工況略有差異，荷載取值計算方法基本相同，計算參數(shù)取值存在差異。

(3)采用中歐規(guī)范對4Z1直線塔、4J1轉(zhuǎn)角塔進行實例計算。按歐盟規(guī)范計算構(gòu)件承載力比國內(nèi)規(guī)范要高，受不同的構(gòu)件規(guī)格、材質(zhì)及計算長度等影響，一般在5%～20%之間，同時考慮荷載差異的影響，鐵塔計算重量比國內(nèi)規(guī)范小5%～10%。

(4)按國外規(guī)范設(shè)計的鐵塔順利通過真型力學(xué)試驗，表明鐵塔設(shè)計理論正確，設(shè)計成果安全、經(jīng)濟，可為以后境外輸電線路桿塔設(shè)計作為參考。

[1] IEC60826，Design criteria of overhead transmission lines[S]．2003．

[2] ASCE 74，Guidelines for Electical Transmission Line Structural Loading[S]．

[3] ASCE 10－94，Design of Latticed Steel Transmission Structures[S]．

[4] EN 50341－1，Overhead electrical lines exceeding AC 45 kV — Part 1： General requirements —Common specifcations[S]．

[5] EN 50341－3，Overhead electrical lines exceeding AC 45 kV — Part 3： Set of National Normative Aspects [S]．

[6] GB50545—2010，110～750 kV架空輸電線路設(shè)計規(guī)范[S]．

[7] DL/T5154—2002，架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)定[S]．

[8] 徐彬，馮衡，曾德森．國內(nèi)外輸電線路設(shè)計規(guī)范風(fēng)荷載比較[J]．華中電力，2012，25(2)．

[9] 屈訟昭．國內(nèi)外輸電塔風(fēng)荷載技術(shù)標準比較分析[J]．規(guī)劃設(shè)計，2013，34(5)．

Comparison Analysis Between Domestic and Foreign Standard in Design of Transmission Line Tower

LI Sheng-ze1，HUANG Man-chang2，YANG Lei1，YANG Ting-zhi1，XIE Jing2
(1. China Machinery Engineering Corporation, Beijing 100055, China; 2.Hunan Electric Power Design Institute, Changsha 410007, China)

With the introduction of the national strategic policy of "The Belt and Road Initiative", domestic electric power enterprises are moving into the international market extensively. Along with the increasing offshore power grid projects, to understand and knowledge the differences between domestic and foreign standards in design of the towers is becoming an urgent problem to be solved at present in power transmission line projects. It’s very important to control the cost and quality of engineering. With combination of practical engineering, tower safety degree, loads and member calculation are compared and analyzed respectively in this thesis, which are also verifed by calculation examples and tower type mechanical test. The analysis results can provide references for the overseas project design of transmission line.

grid project; transmission line; safety degree; load; design of tower.

TM75

：B

：1671-9913(2017)01-0067-06

2015-09-27

李生澤(1971- )，男，河南南陽人，工程師，主要從事輸變電技術(shù)管理工作和研究。