架空输电线路设计中杆塔荷载问题的分析

架空输电线路设计中杆塔荷载问题的分析

摘要：输电线路杆塔是支承架空输电线路导线和地线并使它们之间以及与大地之间保持一定距离的杆形和塔形的构筑物，其安全可靠性直接关系到整个输电线路的安全运行。文章主要针对高压输电线路杆塔荷载设计及计算进行了分析。

关键词：高压架空；输电线路；杆塔风荷载；设计

随着我国高压电网的建设以及同塔多回线路、紧凑型线路、大截面导线等输电新技术的推广应用输电线路电杆塔大荷载、大型化的趋势愈发明显。依据5B2模块输电线路通用设计，结合GB50545-2010《110～750kV架空输电线路设计规范》国家标准的实施，本院承担了500kV5B2模块的设计，在通用设计统一原则的基础上，结合省内设计及运行经验，分析相关工况下杆塔荷载计算时的取值。

1杆塔荷载的分类

荷载作为输电线路设计中重要的荷载之一一直是输电线路的热点研究课题。杆塔荷载可分为永久荷载和可变荷载，导地线、绝缘子及附件、杆塔结构等属于固定荷载，风和冰荷载、导地线张力、安装检修的附加荷载等属于可变荷载。杆塔设计时的荷载分类主要是从作用方向角度来分的，一般分为水平荷载、垂直荷载和纵向荷载。其中与杆塔规划密切相关的主要为导地线水平荷载、垂直荷载和导地线不平衡张力的取值，结合5B2模块设计条件，具体分析各种荷载的计算取值。5B2模块为海拔1000m以内、设计基本风速27m/s（离地10m）、覆冰厚度15mm，导线4×LGJ-630/55的单回路铁塔，分平地和山区两个系列。

1.1导地线水平荷载

风作用于电线上产生的横向风荷载Wx，并非理论风压于电线受风面之积，还要考虑电线的体型系数μSC、与风速大小有关的风压不均匀系数α、与电压等级和风速大小有关的风荷载调整系数βC、与电线平均高度有关的风压高度变化系数μZ，以及与电线轴线间的夹角θ等影响。根据GB50545-2010，导线及地线风荷载的标准值应按下式计算：

WX＝α·WO·μZ·μSC·B2·βC·d·Lp·sin2θ（1）

WO＝V2/1600（2）

式中：WO为基准风压标准值，kN/m2，应根据基本风速V（m/s）计算；d 为导线或地线的外径或覆冰时的计算外径，分裂导线取所有子导线外径的总和，m；Lp为杆塔的水平档距，m；B2为导线、地线覆冰后风荷载增大系数（10mm 冰区取1.2，15mm冰区取1.3，20mm及以上冰区取1.5～2.0）。

1.2导地线垂直荷载

作用于杆塔上的电线垂直荷载Gv为电线单位垂直荷载W1与杆塔垂直档距Lv的乘积。

Gv＝Lv×（W1+W2）×n+G1+G2 （3）

W2＝0.9Πb（b＋D）（4）

式中：W2为导线覆冰重量，kg；b为覆冰厚度（密度0.9g/cm3），mm；D 为导线或地线的计算外径，mm；n为导线分裂数；G1为绝缘子串及覆冰重量，kg；G2为附加金具及其覆冰重量，kg。

1.3纵向荷载

线路的纵向荷载包括运行工况（基本风速、设计覆冰、最低气温）、不均匀冰工况、断线和安装工况杆塔承受的顺线路荷载。当线路架设时，一般要求直线塔上不出现不平衡的水平张力，但当断线或气象条件改变时，由于档距、高差等的不同，均能产生不平衡张力。耐张塔应能在大风、覆冰及最低气温条件下承受线条的正常运行张力，在安装过程中，承受过牵引和锚线工况的张力。

2水平荷载计算的主要参数取值

2.1风压不均匀系数和导地线风荷载调整系数

导地线风荷载调整系数βC是考虑线路因绝缘子串较长、子导线多，有发生动力放大的可能，且随风速增大而加剧。为提高500kV及以上线路杆塔安全度而专设的一项增大调整系数α。根据GB50545-2010，α和βC取值如表1所示。

表1 风压不均匀系数α

5B2模块的基本风速27m/s，荷载计算时导地线的α取0.75，βC取1.2。

2.2电线体型系数和风向变化系数

当风向与电线轴线成正交时，作用与其上的风压需乘以电线体型系数μSC （空气动力系数），即物体体型对风阻力大小的系数。风与电线轴线间的夹角为θ时，根据试验只能产生正交方向的风压，大小为正交时风压的sin2θ倍，即所谓的风向变化系数。其实由风的方位不同引起的风压变化也属于体型系数范围，荷载计算时基本风速工况下θ一般按0°、45°、60°、90°组合。根据GB50545-2010，μSC取值如表2所示。

表2 电线体型系数

2.3风压高度变化系数

空气在地球表面流动时，由于与地面摩擦而产生摩擦力，这种摩擦力引起与地面相接近的气流方向和速度有很大变化。随着高度的增加，摩擦对风速的影响逐渐减小，因此，风速随高度而增加，在低气层中增加很快，而当高度很高时则增长逐渐减慢。从理论上看，风速沿高度的增大与地面的摩擦力（粗糙程度）、高度等因素有关。当线路杆塔高度或导、地线的平均高度不同于线路规定的基准高度hs时，其不同高处的风速或风压应乘风速或风压高度变化系数。其风压高度变化系数

uz=（h/hs）a（5）

式中：h为档内电线平均高度，a按一般陆地线路B地区类取0.16。在设计杆塔时，当杆塔两侧导地线在有风时的平均悬挂高度超过线路基准高度时，需乘以（5）式。

3垂直荷载计算的主要参数取值

影响电线垂直荷载的主要因素为：输电线路所处气象区的覆冰厚度和杆塔规划垂直档距。导线覆冰通常有三类，即雨凇、雾凇和湿雪层，导线覆冰以雨凇及湿雪层为主，也有雾凇。调查结果表明，覆冰常常受到地形地物和线路走径的影响。5B2模块设计覆冰为15mm中冰区平地、山地两种塔系。

根据国网通用设计的要求，结合省内线路设计经验，5B2模块杆塔荷载计算时对不同塔系采用不同的分配系数：

1）山地直线塔Ⅰ、Ⅱ型及平地直线塔垂直荷载前后侧按5：5分配；山区直线塔Ⅲ、Ⅳ型和跨越塔垂直荷载前后侧按4：6分配。

2）山地耐张塔前后挂点垂直荷载按2：8分配，且考虑一侧上拔一侧下压情况，其上拔荷载按照设计垂直档距的50﹪计算，下压荷载按设计垂直档距的80﹪计算；平地耐张塔前后挂点垂直荷载按3：7分配，不考虑上拔情况。

4纵向荷载计算的主要参数取值

4.1断线工况（含纵向不平衡张力）

输电线路的运行经验标明，电线断线事故具有较大的破坏性，断线后常使杆塔倾覆，严重时还会影响被跨越设施的正常运行。杆塔断线情况对任意冰区、任意回路数的气象条件、垂直荷载及荷载组合取值。