特高壓輸電線路重冰區(qū)荷載及荷載組合研究

段輝順 劉生奎 王公陽(yáng)

(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)甘肅省電力設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅 蘭州 730050)

特高壓輸電線路重冰區(qū)荷載及荷載組合研究

王公陽(yáng)(1988- )，男，碩士，工程師

段輝順 劉生奎 王公陽(yáng)

(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)甘肅省電力設(shè)計(jì)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(diǎn)，總結(jié)了特高壓輸電鐵塔的荷載計(jì)算方法和荷載組合。在保證輸電線路工程安全運(yùn)行的前提下，經(jīng)濟(jì)合理的解決了重冰線路設(shè)計(jì)難題。

輸電線路，重冰區(qū)，荷載，荷載組合

重覆冰區(qū)的線路由于覆冰厚度都在20 mm及以上，其靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的覆冰荷載較大，對(duì)桿塔的強(qiáng)度、剛度和抗扭性提出較高的要求。因此，世界各國(guó)對(duì)重冰線路都是按特殊情況處理的。IEC標(biāo)準(zhǔn)中運(yùn)用概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)法對(duì)冰荷載和冰風(fēng)組合荷載提出了較合理的處理方法[1,2]，并對(duì)重冰區(qū)線路提出了兩項(xiàng)特殊要求：1)在計(jì)算導(dǎo)、地線事故工況下的張力必須考慮覆冰；2)重冰區(qū)的重要線路應(yīng)每隔若干基增加一基抗串倒型終端塔。國(guó)際上如加拿大、法國(guó)、英國(guó)等對(duì)重冰線路的處理也基本上參照IEC標(biāo)準(zhǔn)的做法。結(jié)合世界各國(guó)對(duì)重冰線路的處理措施，重冰區(qū)線路的設(shè)計(jì)宜首先采用避冰和抗冰措施，這就需要重冰區(qū)鐵塔具有足夠的抗冰能力。

在2008年南方冰災(zāi)以后，修訂的《重覆冰架空輸電線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》[3](以下簡(jiǎn)稱重覆冰規(guī)程)已經(jīng)給出各種冰區(qū)鐵塔所受的荷載，然而并沒(méi)有給出750 kV以上電壓等級(jí)荷載組合的詳細(xì)說(shuō)明。

某±800 kV特高壓直流線路通過(guò)的冰區(qū)范圍從5 mm輕冰區(qū)至40 mm重冰區(qū)，基本涵蓋了規(guī)范中所列的冰區(qū)。該工程規(guī)劃的塔型多達(dá)80種，鐵塔的投資在本體造價(jià)中占據(jù)的比重較大，保證其安全而又經(jīng)濟(jì)合理是鐵塔設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

1 ±800 kV重冰區(qū)荷載

重冰線路與輕冰區(qū)線路相比，除常規(guī)的運(yùn)行、安裝情況外，主要還應(yīng)考慮覆冰運(yùn)行、覆冰斷線和不均勻覆冰、脫冰及過(guò)載覆冰情況。

1.1導(dǎo)地線覆冰荷載

考慮到線路覆冰后，引起導(dǎo)地線直徑增加，與實(shí)際導(dǎo)地線的受風(fēng)面積出入較大，為考慮覆冰厚度對(duì)風(fēng)荷載的影響，提出風(fēng)荷載增大系數(shù)，根據(jù)重覆冰規(guī)程及IEC相關(guān)規(guī)定，覆冰后導(dǎo)線的風(fēng)荷載應(yīng)考慮有效阻力系數(shù)和等值受風(fēng)面積。鑒于我國(guó)的重覆冰規(guī)程在計(jì)算覆冰風(fēng)壓時(shí)已計(jì)入風(fēng)荷載體型系數(shù)，相當(dāng)于有效阻力系數(shù)，因此，僅需考慮覆冰后等值受風(fēng)面積的影響[4]。

為此，根據(jù)冰凌性質(zhì)和覆冰厚度取不同的增大系數(shù)，建議20 mm冰區(qū)風(fēng)荷載增大取值不小于1.2，30 mm冰區(qū)風(fēng)荷載增大取值不小于1.5。

1.2桿塔覆冰風(fēng)荷載

同理，覆冰后的鐵塔構(gòu)件的受風(fēng)面積較無(wú)冰時(shí)有所增大。因此提出桿塔覆冰風(fēng)荷載增大系數(shù)，建議重冰區(qū)桿塔風(fēng)荷載增大系數(shù)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(yīng)考慮在設(shè)計(jì)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(qiáng)度，斷線覆冰率隨設(shè)計(jì)冰厚增加而增加，且線路等級(jí)越高斷線覆冰率越大。結(jié)合500 kV重冰線路的成功運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，±800 kV直流重冰區(qū)直線桿塔斷線覆冰率取值不應(yīng)低于500 kV標(biāo)準(zhǔn)，因此，推薦±800 kV直流重冰區(qū)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(xiàn)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(dǎo)致串倒事故的發(fā)生。國(guó)內(nèi)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(jù)重冰導(dǎo)則，并參照IEC標(biāo)準(zhǔn)，±800 kV直流重冰區(qū)耐張塔斷線覆冰率取值不應(yīng)低于500 kV標(biāo)準(zhǔn)。因此，推薦±800 kV直流重冰區(qū)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(qū)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(jié)合國(guó)內(nèi)重冰規(guī)程的規(guī)定以及現(xiàn)有重冰線路的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，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(jù)重覆冰規(guī)程：垂直檔距系數(shù)小于0.8的直線桿塔應(yīng)進(jìn)行導(dǎo)線、地線脫冰跳躍和不均勻覆冰時(shí)產(chǎn)生的上拔力校驗(yàn)導(dǎo)線橫擔(dān)和地線支架，導(dǎo)線上拔力取最大使用張力的5%～10%，大牌號(hào)的導(dǎo)線可取偏小數(shù)值，中、小牌號(hào)導(dǎo)線取偏大數(shù)值。地線取最大使用應(yīng)力的5%。對(duì)于±800 kV特高壓直流重冰直線塔，由于其間距大，此時(shí)應(yīng)考慮一側(cè)導(dǎo)地線脫冰跳躍，另一側(cè)導(dǎo)地線覆冰情況下的局部最大彎距情況的荷載組合。

1.5驗(yàn)算覆冰荷載

驗(yàn)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(shuō)在某些情況下會(huì)出現(xiàn)比設(shè)計(jì)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(jì)算工況下增加一個(gè)驗(yàn)冰工況。

在重冰區(qū)線路設(shè)計(jì)中，必須考慮驗(yàn)算覆冰荷載工況。因此，各冰區(qū)應(yīng)根據(jù)具體的氣象和地形條件來(lái)進(jìn)行驗(yàn)算冰的設(shè)計(jì)組合。建議設(shè)計(jì)冰厚20 mm冰區(qū)應(yīng)考慮按30 mm冰驗(yàn)算，設(shè)計(jì)冰厚30 mm冰區(qū)應(yīng)考慮按45 mm冰驗(yàn)算。

2 ±800 kV重冰區(qū)荷載組合

2.1斷線情況荷載組合

斷線情況計(jì)算條件為-5 ℃、有冰、無(wú)風(fēng)。直線型桿塔荷載組合：斷一根地線，導(dǎo)線未斷；斷一極導(dǎo)線、地線未斷。耐張型桿塔：在同一檔內(nèi)斷任意一極導(dǎo)線、地線未斷；斷一根地線，導(dǎo)線未斷。

2.2不均勻冰情況荷載組合

不均勻冰荷載情況計(jì)算條件為未斷線、-5 ℃、無(wú)風(fēng)。直線型和耐張型桿塔不均勻冰荷載組合：1)兩根導(dǎo)線和兩根地線同時(shí)有不均勻冰荷載，組合使桿塔產(chǎn)生最大的彎矩；此時(shí)應(yīng)考慮導(dǎo)地線同期和不同期有不均勻冰情況。2)一根導(dǎo)線和一根地線同時(shí)有不均勻冰荷載，組合使桿塔產(chǎn)生最大彎矩和扭矩。3)直線塔的脫冰跳躍。

3 重冰區(qū)荷載組合對(duì)±800 kV塔重的影響

以該工程30 mm冰區(qū)直線Ⅰ型和耐張Ⅰ型塔為例來(lái)分析各種荷載組合對(duì)塔重的影響。計(jì)算結(jié)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(duì)于重冰區(qū)直線塔，大風(fēng)及安裝情況對(duì)塔重的影響幅度很小，基本上不控制鐵塔構(gòu)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(dān)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(duì)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(yàn)算冰的荷載組合，大風(fēng)及安裝情況基本不控制鐵塔構(gòu)件。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)研究重覆冰的作用機(jī)理，給出了覆冰風(fēng)荷載增大系數(shù)、斷線覆冰率、不均勻覆冰率、驗(yàn)冰厚度的取值、脫冰跳躍荷載計(jì)算及相應(yīng)的荷載組合。同時(shí)分析了重覆冰對(duì)塔重的影響。根據(jù)重冰在各組合情況下的塔重比值關(guān)系，進(jìn)一步說(shuō)明了±800 kV直流重冰荷載取值和組合的特點(diǎn)。

[1] 陳 斌,蓋永志.輸電線路桿塔荷載設(shè)計(jì)計(jì)算[J].山東電力技術(shù),2011(6):18-22.

[2] 王永華，朱 江.中美輸電線路鐵塔設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)比較[J].電力勘測(cè)設(shè)計(jì),2014(4):75-80.

[3] DL/T 5440—2009,重覆冰架空輸電線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程[S].

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

[5] 張海平,張 馳.20 mm重冰區(qū)500 kV同塔雙回輸電線路設(shè)計(jì)[J].電網(wǎng)技術(shù),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(jí)工程師；劉生奎(1973- )，男，工程碩士，教授級(jí)高級(jí)工程師；

3)合肥市計(jì)算方法(合建設(shè)[2013]15號(hào))。