架空輸電線路氣象條件設(shè)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(shù)標準缺乏明確規(guī)定，對設(shè)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(shè)計風壓或設(shè)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(shè)計冰厚計算高度取導(dǎo)、地線平均高度.

關(guān)鍵詞：架空輸電線路；空氣密度；設(shè)計風壓：設(shè)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(shè)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(jīng)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(jié)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(shè)計中，各電力設(shè)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(jié)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(jié)構(gòu)專業(yè)進行桿塔設(shè)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(yīng)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(shè)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(jié)構(gòu)專業(yè)進行桿塔設(shè)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(shè)計中，采用考慮實際空氣密度的設(shè)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(shè)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(zhuǎn)換，在大氣邊界層內(nèi)，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(shè)計風壓為指標，當采用設(shè)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(yīng)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(shè)計風壓。以設(shè)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(shè)計風速合理性檢查，或直接風速區(qū)取值的依據(jù)。以設(shè)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?，F(xiàn)行《建筑結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)專業(yè)以10m高的設(shè)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(shè)計覆冰厚度的計算高度

1.導(dǎo)線懸掛高度對覆冰產(chǎn)生的影響，覆冰隨導(dǎo)線懸掛高度而增加，其第一原因就是結(jié)冰時風速隨高度的增加而增加，風速愈大，導(dǎo)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(nèi)，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(guān)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(guān)。

2.檔距對覆冰的不同的影響，覆冰總是首先在導(dǎo)線迎風面上生成增長，當達到一定重量時，導(dǎo)線因承受偏心荷重而產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，覆冰有可能在導(dǎo)線各個側(cè)面生成，并逐漸增長，從而導(dǎo)致導(dǎo)線上的覆冰愈積愈大。由于扭轉(zhuǎn)角度與L2/d4（L為檔距長度，d為導(dǎo)線直徑）成比例，而L>>d，因此檔距愈大扭轉(zhuǎn)角度就愈大。在檔距達到一定長度時，中央線段的扭轉(zhuǎn)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(zhuǎn)導(dǎo)線的整個表面，使該段覆冰較厚較重，而兩端線段難以扭轉(zhuǎn)，覆冰主要積聚在迎風一側(cè)，覆冰就較薄較輕。

3.設(shè)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(shè)計基本風速離地（水）面高度為10m，設(shè)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(jié)構(gòu)各高度設(shè)計風壓。與風荷載不同，對冰厚的計算高度，技術(shù)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(shè)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(yīng)當說，這種“跟隨”是沒有依據(jù)的。由于對設(shè)計覆冰厚度，設(shè)計專業(yè)并不象風荷載計算那樣進行高度換算，只需要設(shè)計冰厚取值一經(jīng)取定，則各高度結(jié)構(gòu)的覆冰荷載都按此方式進行計算。事實上，如果對設(shè)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(shè)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(shè)計覆冰厚度產(chǎn)生較為明顯的影響。各電壓等級輸電線路技術(shù)標準雖均規(guī)定：除無冰地區(qū)，大跨越設(shè)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(shè)計冰厚計算高度的建議

對于呈弧垂狀的導(dǎo)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(dǎo)、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(shè)計中，設(shè)計覆冰厚度一經(jīng)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(shè)計覆冰厚度計算高度取導(dǎo)、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(dǎo)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(dǎo)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(yīng)用，技術(shù)水平還有待提高，技術(shù)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(shè)計進行風速調(diào)整以及覆冰厚度計算高度高度的取值，將會大袋提高設(shè)計的準確性和嚴謹性，帶動經(jīng)濟效益最大化。

參考文獻

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