新規(guī)范對輸電線路電氣設(shè)計的影響

邢 明，任美玲，蔣偉東，吳才亮

(佛山電力設(shè)計院，廣東 佛山 528200)

0 引言

自GB 50545—2010《110 kV～750 kV架空輸電線路設(shè)計規(guī)范》[1](以下簡稱“老規(guī)范”)于2010年1月18日發(fā)布以來，工程設(shè)計人員在開展110 kV～750 kV架空輸電線路電氣設(shè)計時，均以此國標(biāo)為依據(jù)開展相關(guān)計算和設(shè)計工作。隨著我國近十年來在超、特高壓架空輸電線路工程中積累了較為豐富的建設(shè)和運行經(jīng)驗，吸收了輸電線路行業(yè)在各個環(huán)節(jié)積累的寶貴經(jīng)驗和科研成果，同時也為了讓中國標(biāo)準(zhǔn)與國際接軌，因此近期頒布了兩個與輸電線路電氣設(shè)計相關(guān)的規(guī)范。其中DL/T 5551—2018《架空輸電線路荷載規(guī)范》[2](以下簡稱“新荷載規(guī)范”)已于2018年12月25日正式發(fā)布，DLT 5582—2020《架空輸電線路電氣設(shè)計規(guī)程》[3](以下簡稱“新電氣規(guī)范”)已于2020年10月23日發(fā)布(兩個規(guī)范以下簡稱“新規(guī)范”)，新規(guī)范都引進(jìn)了國際上通用的瞬時風(fēng)、脈動風(fēng)的概念，同時考慮國內(nèi)傳統(tǒng)習(xí)慣的影響，增加了一系列關(guān)于風(fēng)荷載計算需要用到的新的計算系數(shù)，導(dǎo)致按照新規(guī)范計算出的結(jié)果與老規(guī)范計算出的結(jié)果不一致。本文主要進(jìn)一步解讀兩本新規(guī)范中和電氣設(shè)計計算相關(guān)的新系數(shù)的取法，同時論述新老規(guī)范對工程設(shè)計的影響。

1 新規(guī)范主要變化內(nèi)容

新規(guī)范最主要變化內(nèi)容就是導(dǎo)地線風(fēng)荷載的計算，風(fēng)荷載Wx的公式如式(1)～(5)。

式中：Wx為垂直導(dǎo)地線風(fēng)荷載；βc為導(dǎo)地線陣風(fēng)系數(shù)，反映了風(fēng)速的脈動特性；αL為檔距折減系數(shù)，考慮了檔距不同位置脈動風(fēng)荷載的水平相關(guān)性；W0為基準(zhǔn)風(fēng)壓；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)；z為導(dǎo)地線平均高度；μsc為導(dǎo)地線體型系數(shù)；d為導(dǎo)地線外徑；Lp為桿塔水平檔距；B為覆冰風(fēng)荷載增大系數(shù)；γc為導(dǎo)地線風(fēng)荷載折減系數(shù)；g為峰值因子，取值與我國規(guī)范規(guī)定的可靠度目標(biāo)有關(guān)，可理解為與10 min 內(nèi)允許的風(fēng)速超越次數(shù)或時間有關(guān)[4]；Iz為線平均高z處 的湍流強(qiáng)度；I10為10 m高度湍流強(qiáng)度；α為地面粗糙度指數(shù)；δL為檔距相關(guān)性積分因子；Lx為水平向相關(guān)函數(shù)的積分長度；εc為導(dǎo)地線風(fēng)荷載脈動折減系數(shù)，εc主要考慮兩方面的因素：一為塔線疊加相關(guān)性，二為結(jié)構(gòu)敏感性，即瞬時的峰值荷載不足以對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞性影響；e為自然常數(shù)。

老規(guī)范導(dǎo)線線風(fēng)荷載的計算公式如式(6)。

式中：Wx為垂直導(dǎo)地線風(fēng)荷載；βc為導(dǎo)地線風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)；α為風(fēng)壓不均勻系數(shù)；W0為基準(zhǔn)風(fēng)壓；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)；z為導(dǎo)地線平均高度；μsc為導(dǎo)地線體型系數(shù)；d為導(dǎo)地線外徑；Lp為桿塔水平檔距；B為覆冰風(fēng)荷載增大系數(shù)。

新老規(guī)范關(guān)于導(dǎo)地線風(fēng)荷載計算公式的表現(xiàn)型式基本一樣，但式中各個系數(shù)的物理含義和取值發(fā)生了較大變化，主要差異情況見表1所列。

表1 新老規(guī)范風(fēng)荷載計算系數(shù)差異對比情況

2 新規(guī)范系數(shù)的選取

新規(guī)范中新增了脈動折減系數(shù)εc、風(fēng)荷載折減系數(shù)γc、峰值因子g等計算參數(shù)，使得導(dǎo)地線理論計算荷載與實際荷載更加吻合，但不同的系數(shù)在不同用途中取值不一樣。具體對比情況見表2～表4所列。

表2 脈動折減系數(shù)εc取值

表3 脈動折減系數(shù)γc取值

表4 峰值因子g取值

3 新規(guī)范對輸電線路電氣設(shè)計的影響

新規(guī)范發(fā)布對電氣計算影響主要體現(xiàn)3個方面：①導(dǎo)地線弧垂。②搖擺角。③掛點荷載。其中導(dǎo)地線弧垂、掛點荷載變化主要是由于新荷載規(guī)范引起的，搖擺角變化受新荷載規(guī)范和新電氣規(guī)范共同影響，其主要原因是搖擺角計算在垂直檔距換算時涉及導(dǎo)線張力計算，導(dǎo)線張力控制工況張力按照新荷載規(guī)范計算，非控制工況張力按照新電氣規(guī)范計算，這樣的規(guī)定也是新規(guī)范較老規(guī)范最大的改進(jìn)，這樣可保證導(dǎo)線張力無論是電氣計算還是結(jié)構(gòu)計算均能保持在同一控制條件下開展，與實際也更加吻合。

3.1 對弧垂的影響

影響弧垂計算的氣象因素主要有：溫度、風(fēng)速、覆冰。在狀態(tài)方程中起控制的工況主要有：低溫、大風(fēng)、覆冰和年平工況四個工況[6]，其中低溫和年平工況為無風(fēng)工況，大風(fēng)和覆冰為有風(fēng)工況[7]。由于新荷載規(guī)范根據(jù)風(fēng)工程理論充分考慮脈動風(fēng)具有的零均值和隨機(jī)特性等因素，導(dǎo)致新荷載規(guī)范和老規(guī)范計算出的風(fēng)荷載不一致，新荷載規(guī)范和老規(guī)范計算出的控制工況也會發(fā)生變化。上述2個主要原因都會影響弧垂的變化。

通過計算對比：①在低風(fēng)無冰區(qū)，大部分導(dǎo)線的控制工況均為年平工況，新老規(guī)范變化對弧垂無影響。②在強(qiáng)風(fēng)無冰區(qū)，大風(fēng)工況為控制工況，風(fēng)速越大對弧垂影響越大，風(fēng)速在33～45m/s區(qū)間導(dǎo)線弧垂變化范圍在1.1～3.0 m之間。具體對比情況見表5所列。

表5 新老規(guī)范對導(dǎo)線弧垂影響 (風(fēng)速高度20 m，80 ℃弧垂)

通過計算對比，在覆冰區(qū)新老規(guī)范對弧垂影響較小。主要原因是覆冰區(qū)大風(fēng)工況風(fēng)速一般較小，大風(fēng)工況一般不會形成控制工況，大部分導(dǎo)線控制工況均為覆冰工況，而覆冰工況中風(fēng)速一般為10～15 m/s，不同風(fēng)速新老規(guī)范比載對比情況如圖1所示，可知風(fēng)速10～25 m/s 范圍內(nèi)比載基本無變化。

圖1 不同風(fēng)速新舊規(guī)范比載變化圖

由此可見覆冰區(qū)新老規(guī)范的變化對比載的計算影響較小，故弧垂變化較小。具體對比情況見表6所列。

表6 新老規(guī)范對導(dǎo)線弧垂影響(風(fēng)速高度20 m，覆冰厚度10 mm，80 ℃弧垂)

3.2 對搖擺角的影響

影響搖擺角的主要因素是導(dǎo)線、絕緣子串風(fēng)荷載和自重荷載比值，進(jìn)行塔頭規(guī)劃時一般需要考慮大風(fēng)、操作、雷電、帶電作業(yè)四種工況搖擺角，計算時根據(jù)待求工況和最大弧垂工況導(dǎo)線比載、應(yīng)力關(guān)系，將最大弧垂工況垂直檔距折算成待求工況垂直檔距，進(jìn)而求出待求工況搖擺角。由于新電氣規(guī)范考慮電氣對風(fēng)的響應(yīng)較為敏感，將峰值因子提高至3.6，同時通過對搖擺角計算用到的張力計算風(fēng)荷載折減系數(shù)γc和風(fēng)壓計算風(fēng)荷載折減系數(shù)γc均做了不同的規(guī)定，導(dǎo)致新老規(guī)范對搖擺角計算影響很小。通過計算對比，按新電氣規(guī)范計算出的搖擺角與按老規(guī)范計算出的搖擺角相差-1°～ 2°，故對塔頭尺寸影響較小。具體對比情況見表7 所列。

表7 新老規(guī)范對搖擺角影響

3.3 對掛點荷載的影響

新荷載規(guī)范將風(fēng)對結(jié)構(gòu)的作用分為平均風(fēng)的靜力作用和脈動風(fēng)的動力作用，并充分考慮結(jié)構(gòu)敏感性和塔線疊加相關(guān)性的影響，使得荷載理論計算結(jié)果與實際更加吻合。通過計算對比，對于超高壓例如500 kV線路，新老規(guī)范變化對掛點橫向荷載影響較小，主要原因是500 kV線路執(zhí)行老規(guī)范時，考慮風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)βc。但在高壓線路例如220 kV線路，不同導(dǎo)線新老規(guī)范變化對掛點橫向荷載影響較大，增加20%～30%。具體對比情況見表8所列。

表8 不同導(dǎo)線新老規(guī)范對掛點橫向荷載的影響(平均高度20 m，水平檔距500 m)

相同導(dǎo)線不同高度新老規(guī)范變化對掛點橫向荷載影響隨著高度增加越來越小，主要原因是新規(guī)范B類地區(qū)風(fēng)壓變化系數(shù)取0.3，老規(guī)范B類地區(qū)風(fēng)壓變化系數(shù)取0.32，新規(guī)范粗糙度系數(shù)的減小是造成新老規(guī)范對掛點橫向荷載影響較少的主要原因，具體對比情況見表9所列。

表9 相同導(dǎo)線不同高度新老規(guī)范對掛點橫向荷載的影響(水平檔距500 m)

一般在非冰區(qū)對鐵塔進(jìn)行極限承載力計算時，主要考慮大風(fēng)工況、低溫工況、斷線工況、安裝工況。進(jìn)行正常使用極限承載力計算時，主要考慮年平氣溫、風(fēng)速5 m/s 工況。通過計算對比，新老規(guī)范變化針對大風(fēng)、低溫、年平三種工況對掛點縱向荷載影響一般，縱向荷載變化范圍在-1%～8%之間。具體對比情況見表10所列。

表10 新老規(guī)范對掛點縱向荷載的影響 (平均高度20 m，代表檔距500 m)

經(jīng)計算對比發(fā)現(xiàn)利用依據(jù)老規(guī)范開展的500 kV鐵塔標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計按照新規(guī)范計算的荷載驗算后，局部材料不滿足，可通過更換少量材料后使用。利用依據(jù)老規(guī)范開展的110 kV～220 kV鐵塔標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計按照新規(guī)范驗算后，大部分材料受力均不滿足，無法換材使用，可通過采用比實際風(fēng)速大4 m/s標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(依據(jù)老規(guī)范開展設(shè)計)進(jìn)行驗算 使用。

4 結(jié)論

1)新規(guī)范中新增了脈動折減系數(shù)εc、風(fēng)荷載折減系數(shù)γc、峰值因子g等計算參數(shù)，在不同用途中取值不一樣；

2)在低風(fēng)速無冰區(qū)，年平為控制工況，新老規(guī)范變化對弧垂無影響，但在強(qiáng)風(fēng)無冰區(qū)，風(fēng)速越大對弧垂影響越大，風(fēng)速在33～45 m/s期間不同導(dǎo)線弧垂變化范圍在1.1～3.0 m之間。尤其是常用JL/G1A-400/35導(dǎo)線弧垂受新老規(guī)范影響較大。在開展設(shè)計工作時需要充分考慮弧垂增大導(dǎo)致鐵塔高度增加帶來的影響；

3) 新老規(guī)范對搖擺角計算影響較小，故對塔頭尺寸影響較小；

4) 對于超高壓例如500 kV線路，新老規(guī)范變化對掛點橫向荷載影響較小，但在高壓線路例如220 kV線路，新老規(guī)范變化對掛點橫向荷載影響較大。新老規(guī)范變化對掛點縱向荷載影響一般，影響主材規(guī)格的大風(fēng)工況，縱向荷載增加2%～8%。在開展設(shè)計工作時需要充分考慮荷載增加導(dǎo)致鐵塔結(jié)構(gòu)受力變化帶來的影響。