朱映潔，林方新

(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510663)

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國(guó)內(nèi)外導(dǎo)線張力設(shè)計(jì)方法的差異

朱映潔，林方新

(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510663)

摘要：我國(guó)輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范在計(jì)算導(dǎo)線張力時(shí)未考慮自然風(fēng)脈動(dòng)的影響，因而采用較大的安全系數(shù)來(lái)抵抗風(fēng)速脈動(dòng)峰值引起的過載；而國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)采用極限張力設(shè)計(jì)方法，計(jì)算導(dǎo)線張力時(shí)充分考慮自然風(fēng)脈動(dòng)的影響，因而采用較小的安全系數(shù)使允許的最大使用張力接近塑性變形臨界值。這是造成我國(guó)導(dǎo)線計(jì)算張力與國(guó)外計(jì)算值相差較大的主要原因，也是國(guó)內(nèi)輸電線路設(shè)計(jì)體系與國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)極限張力設(shè)計(jì)方法的一個(gè)顯著區(qū)別。以實(shí)例計(jì)算的方式剖析了這兩種不同的方法給鐵塔設(shè)計(jì)帶來(lái)的影響。計(jì)算結(jié)果表明，隨著代表檔距的增加，按國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的大風(fēng)工況張力的上升坡度明顯大于我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)。在年平工況作為控制工況的前提下，極限張力設(shè)計(jì)法不會(huì)引起導(dǎo)線弧垂差異，并且按照極限張力設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)的耐張塔可承受更大的全相不平衡張力。

關(guān)鍵詞：極限張力設(shè)計(jì)法；自然風(fēng)脈動(dòng)；風(fēng)振系數(shù)；單位長(zhǎng)度風(fēng)荷載；不平衡張力

我國(guó)現(xiàn)行導(dǎo)線荷載計(jì)算體系源自前蘇聯(lián)規(guī)范，主要特點(diǎn)是：導(dǎo)線風(fēng)荷載對(duì)自然風(fēng)脈動(dòng)影響考慮不足，正常工況下弧垂最低點(diǎn)最大使用張力的安全系數(shù)不小于2.5，并將稀有風(fēng)速、稀有覆冰列為驗(yàn)算工況，要求在該工況下弧垂最低點(diǎn)的最大張力不超過拉斷力的70%[1](GB 50790—2013《±800 kV直流架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]要求不超過拉斷力的60%)。這種設(shè)計(jì)方法采用較大的安全系數(shù)來(lái)抵抗瞬時(shí)風(fēng)速的過載，因此也可以理解為：對(duì)于10 min平均風(fēng)速不大于基本風(fēng)速的自然風(fēng)，如果由脈動(dòng)引起的導(dǎo)致電線系統(tǒng)響應(yīng)的瞬時(shí)風(fēng)速不超出導(dǎo)線60%～70%拉斷力所對(duì)應(yīng)的稀有風(fēng)速時(shí)，則導(dǎo)線不會(huì)進(jìn)入塑性變形。

國(guó)外各主要輸電線路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)幾乎均考慮了脈動(dòng)對(duì)導(dǎo)線風(fēng)荷載的影響，因此設(shè)計(jì)時(shí)導(dǎo)線最大使用張力普遍比我國(guó)大，且安全系數(shù)的設(shè)置接近導(dǎo)線的塑性變形臨界值，可視為極限張力設(shè)計(jì)法。

1不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)導(dǎo)線使用張力的規(guī)定

世界上各主要輸電線路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[1-6]對(duì)導(dǎo)線年平張力及最大使用張力的規(guī)定見表1。

表1導(dǎo)線張力的差異

標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)線年平張力導(dǎo)線最大使用張力國(guó)標(biāo)0.25σn正常工況時(shí):0.40σn;稀有風(fēng)速、稀有覆冰時(shí):0.70σn(110～750kV),0.60σn(±800kV)IEC標(biāo)準(zhǔn)無(wú)規(guī)定取以下值的最小值:振動(dòng)限制;違反規(guī)程許可;0.75σm或0.75σnJEC標(biāo)準(zhǔn)0.30σn(銅系導(dǎo)地線)0.25σn(其他導(dǎo)地線)0.70σn(銅系導(dǎo)地線)0.60σn(其他導(dǎo)地線)ASCE標(biāo)準(zhǔn)初始空載張力0.35σn最終空載張力0.25σn0.70σn～0.80σnEN標(biāo)準(zhǔn)無(wú)規(guī)定無(wú)規(guī)定

注：σn為額定張力；σm為特性強(qiáng)度。

從表1可見，國(guó)外對(duì)導(dǎo)線最大使用張力安全系數(shù)的設(shè)定與我國(guó)稀有風(fēng)、稀有覆冰時(shí)的安全系數(shù)是相當(dāng)?shù)?，但這并不意味著國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)是采用稀有風(fēng)速或稀有覆冰來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

盡管國(guó)標(biāo)、JEC標(biāo)準(zhǔn)[4]與ASCE標(biāo)準(zhǔn)[5]將年平均張力的上限定為額定張力的25%，但海外工程中較為通用的做法是取20%。

2不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)張力計(jì)算方法的規(guī)定

2.1計(jì)算高度

我國(guó)在計(jì)算普通單、雙回線路的導(dǎo)線張力特性時(shí)，一般假設(shè)500 kV線路導(dǎo)線平均高度為離地20 m，110～220 kV線路導(dǎo)線平均高度為離地15 m。這是在導(dǎo)線對(duì)地最小安全距離的基礎(chǔ)上確定的，因此也可被認(rèn)為是下導(dǎo)線的平均高度。為方便施工放線，不同層的導(dǎo)線通常按同一張力來(lái)展放，因此不同層的導(dǎo)線張力也通常按同一高度來(lái)計(jì)算。實(shí)際上隨著風(fēng)速的增大，中層或上層導(dǎo)線張力超過下層導(dǎo)線計(jì)算張力的部分也被考慮在安全系數(shù)的裕度之中。

國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)為方便計(jì)算，通常推薦采用導(dǎo)地線掛點(diǎn)高度進(jìn)行張力計(jì)算。各主要標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于計(jì)算高度的規(guī)定見表2。

表2計(jì)算導(dǎo)線張力時(shí)的導(dǎo)線高度差異

標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算導(dǎo)線張力時(shí)的導(dǎo)線高度國(guó)標(biāo)20m(500kV),15m(110～220kV)IEC標(biāo)準(zhǔn)高度z可認(rèn)為是懸掛導(dǎo)線重心的高度,理論上比導(dǎo)線掛點(diǎn)低弧垂的三分之一。為了輸電線路桿塔的計(jì)算,可以認(rèn)為z等于導(dǎo)線在桿塔掛點(diǎn)的高度(對(duì)于導(dǎo)線水平的線路)或者中間導(dǎo)線的掛點(diǎn)高度(對(duì)于雙回路線路)。這些假設(shè)是偏保守的,也是對(duì)塔頂?shù)鼐€造成高度增加的補(bǔ)償ASCE標(biāo)準(zhǔn)有效高度理論上為地面以上風(fēng)荷載中心的高度。有效高度主要用于計(jì)算風(fēng)壓高度系數(shù)和陣風(fēng)響應(yīng)因子。導(dǎo)線和地線的有效高度容易遭受風(fēng)或風(fēng)冰結(jié)合的影響,因?yàn)殡娋€和絕緣子串在這種情況下左右搖擺。然而,出于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的,所有導(dǎo)地線的有效高度可近似地取其懸掛點(diǎn)的平均高度EN標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算高度應(yīng)由各國(guó)定義。如果各國(guó)沒有定義,通?？刹捎?0m

按懸掛點(diǎn)計(jì)算導(dǎo)線張力，成為大部分海外工程的計(jì)算慣例。這比我國(guó)的常規(guī)做法更為保守，因?yàn)閼覓禳c(diǎn)必然高于導(dǎo)線平均高度，而對(duì)直線塔而言，中層橫擔(dān)的懸掛點(diǎn)高度也接近于上導(dǎo)線的平均高度。

國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于導(dǎo)地線計(jì)算高度的規(guī)定契合了極限張力設(shè)計(jì)法的特點(diǎn)。如果不采用相對(duì)保守的數(shù)值來(lái)進(jìn)行張力計(jì)算，則在最大風(fēng)速下，上層導(dǎo)線的張力可能會(huì)超過設(shè)計(jì)張力，使導(dǎo)線進(jìn)入塑性變形。

2.2單位長(zhǎng)度風(fēng)荷載、風(fēng)振系數(shù)及張力計(jì)算

2.2.1單位長(zhǎng)度風(fēng)荷載計(jì)算

2.2.1.1國(guó)標(biāo)

國(guó)標(biāo)的單位長(zhǎng)度風(fēng)荷載計(jì)算方法為

g4=αWoμzμscd×10-3.

(1)

式中：g4為導(dǎo)線單位長(zhǎng)度風(fēng)荷載(無(wú)冰)，N/m；α為風(fēng)壓不均勻系數(shù)；Wo為基準(zhǔn)風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)值(基準(zhǔn)高度為10 m)，kPa；μz為導(dǎo)線平均高度處的風(fēng)壓高度變化系數(shù)；μsc為導(dǎo)地線體型系數(shù)；d為導(dǎo)地線的外徑或覆冰時(shí)的計(jì)算外徑，m。

2.2.1.2IEC標(biāo)準(zhǔn)

IEC標(biāo)準(zhǔn)的單位長(zhǎng)度風(fēng)荷載計(jì)算方法為

g4=q0CxcGc1GLd.

(2)

式中：q0為動(dòng)態(tài)參考風(fēng)壓，Pa；Cxc為導(dǎo)線阻尼系數(shù)；Gc1為風(fēng)對(duì)導(dǎo)線的綜合影響因數(shù)，其值取決于高度z和地形情況；GL為檔距因數(shù)；d為導(dǎo)地線直徑，m。

2.2.1.3ASCE標(biāo)準(zhǔn)

ASCE標(biāo)準(zhǔn)的單位長(zhǎng)度風(fēng)荷載計(jì)算方法為

g4=γwQKzKzt(V50)2GCfd.

(3)

式中：γw為荷載因子；Q為空氣密度常數(shù)，表示將空氣動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力的系數(shù)；Kz為風(fēng)壓高度系數(shù)；Kzt為地形影響因子；V50為基本風(fēng)速(50年重現(xiàn)期，3 s陣風(fēng))，m/s；Cf為阻尼系數(shù)(體型系數(shù))；d為導(dǎo)地線直徑，m ；G為陣風(fēng)響應(yīng)因子。

(4)

式中：E為與平均風(fēng)冪指數(shù)αFM、表面阻力系數(shù)k和導(dǎo)線有效高度zh有關(guān)的表達(dá)式；Bw為與水平檔距S和湍流積分尺度Ls有關(guān)的表達(dá)式；Kv為3 s瞬時(shí)風(fēng)速與10 min平均風(fēng)速比值。

2.2.1.4EN標(biāo)準(zhǔn)

EN標(biāo)準(zhǔn)的單位長(zhǎng)度風(fēng)荷載計(jì)算方法為

g4=qp(h)Gc2Ccd.

(5)

式中：qp(h)為參考高度h處的基本風(fēng)壓(風(fēng)壓峰值，即瞬時(shí)風(fēng)壓)，Pa；Cc為阻尼系數(shù)(體型系數(shù))；d為導(dǎo)地線直徑，m；Gc2為結(jié)構(gòu)因子。

(6)

2.2.2風(fēng)振系數(shù)計(jì)算

從2.2.1可見，ASCE標(biāo)準(zhǔn)的陣風(fēng)響應(yīng)因子G和EN標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)因子Gc2采用結(jié)構(gòu)相同的表達(dá)式。其中分母部分均為瞬時(shí)風(fēng)壓和10 min平均風(fēng)壓的比值，意為將輸入的瞬時(shí)風(fēng)壓轉(zhuǎn)換為10 min平均風(fēng)壓，而分子部分類似于GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[7]中風(fēng)振系數(shù)的表達(dá)式，如式(7)所示。

(7)

式中：βz為風(fēng)振系數(shù)；g為峰值因子；I10為10 m高度名義湍流度；Bz為脈動(dòng)風(fēng)荷載的背景分量因子；R為脈動(dòng)風(fēng)荷載的共振分量因子。

從ASCE標(biāo)準(zhǔn)陣風(fēng)響應(yīng)因子G和EN標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)因子Gc2表達(dá)式中各項(xiàng)系數(shù)的定義也可以看出，其分子部分的實(shí)際意義即為在10 min平均風(fēng)壓基礎(chǔ)上，考慮了自然風(fēng)脈動(dòng)效應(yīng)的風(fēng)振系數(shù)。

對(duì)式(4)稍作轉(zhuǎn)化，ASCE標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)振系數(shù)計(jì)算表達(dá)式如下：

(8)

同樣地，對(duì)式(6)稍作轉(zhuǎn)化，EN標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)振系數(shù)計(jì)算表達(dá)式如下：

(9)

IEC標(biāo)準(zhǔn)使用以下公式計(jì)算綜合影響因數(shù)Gc1和檔距因數(shù)GL：

地形等級(jí)A，Gc1=0.291 4×ln(x)+1.046 8.

(10)

地形等級(jí)B，Gc1=0.373 3×ln(x)+0.976 2.

(11)

地形等級(jí)C，Gc1=0.493 6×ln(x)+0.912 4.

(12)

地形等級(jí)D，Gc1=0.615 3×ln(x)+0.814 4.

(13)

GL=4×10-10L3-5×10-7L2-10-10L+1.040 3.

(14)

式(10)—(14)中：x為離地高度；L為檔距。

IEC標(biāo)準(zhǔn)雖然未定義與風(fēng)振系數(shù)類似的表達(dá)式，但定義了與高度相關(guān)的系數(shù)Gc1和檔距相關(guān)的系數(shù)GL。在輸電線路設(shè)計(jì)時(shí)常用的典型地貌條件下(開闊地帶，少量樹木和建筑物)，IEC標(biāo)準(zhǔn)綜合影響因數(shù)和檔距因數(shù)之積Gc1·GL與其他標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)振系數(shù)計(jì)算值比較見表3。

表3IEC標(biāo)準(zhǔn)綜合影響因數(shù)和檔距因數(shù)之積與其他標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)振系數(shù)計(jì)算值

標(biāo)準(zhǔn)地貌類型計(jì)算高度/m計(jì)算值IEC標(biāo)準(zhǔn)綜合影響因數(shù)和檔距因數(shù)之積ASCE標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)振系數(shù)EN標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)振系數(shù)B類C類Ⅱ類101.8361.3891.349IEC標(biāo)準(zhǔn)綜合影響因數(shù)和檔距因數(shù)之積ASCE標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)振系數(shù)EN標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)振系數(shù)B類C類Ⅱ類602.3691.3011.389

注：1.水平檔距400 m。2.我國(guó)的風(fēng)振系數(shù)計(jì)算方法并不適用于跨度遠(yuǎn)大于兩倍鐵塔高度的導(dǎo)線系統(tǒng)[7-8]，同時(shí)在導(dǎo)地線風(fēng)壓尤其是在單位長(zhǎng)度風(fēng)荷載計(jì)算中也并未使用這一系數(shù)，因此本表不予計(jì)算。

考慮到IEC標(biāo)準(zhǔn)中的q0即指離地10 m處的基準(zhǔn)風(fēng)壓，且除Gc1外，風(fēng)荷載計(jì)算公式中沒有其他進(jìn)行高度換算的系數(shù)，因此推斷Gc1與GL的乘積從理論意義上來(lái)說(shuō)還應(yīng)包含了風(fēng)壓高度變化系數(shù)。但從表3可見，即便在10 m高度處，綜合影響因數(shù)Gc1和檔距因數(shù)GL的乘積也遠(yuǎn)大于其他標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)振系數(shù)值，說(shuō)明IEC標(biāo)準(zhǔn)對(duì)基于10 min平均風(fēng)壓的脈動(dòng)特性已經(jīng)考慮充足。文獻(xiàn)[9]繪制了不同標(biāo)準(zhǔn)下的風(fēng)振系數(shù)對(duì)比曲線，也反映了這一特征。

2.2.3導(dǎo)線張力計(jì)算

雖然GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》定義了風(fēng)振系數(shù)，但提出該系數(shù)的計(jì)算方法僅適用于結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面寬度不大于2倍結(jié)構(gòu)高度的系統(tǒng)[7]；根據(jù)《電力工程高壓送電線路設(shè)計(jì)手冊(cè)》[10]，我國(guó)輸電線路設(shè)計(jì)方法在導(dǎo)線單位長(zhǎng)度風(fēng)荷載計(jì)算中也并未使用類似系數(shù)，這是造成我國(guó)導(dǎo)線計(jì)算張力與國(guó)外計(jì)算值相差較大的主要原因，也是國(guó)內(nèi)輸電線路設(shè)計(jì)體系與國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)顯著區(qū)別。此外，我國(guó)在計(jì)算500 kV及以上電壓等級(jí)線路導(dǎo)線風(fēng)荷載時(shí)，根據(jù)風(fēng)速的劃分區(qū)間使用了不同的導(dǎo)線風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)[1]，但該系數(shù)不進(jìn)入特性計(jì)算，因此與各工況下的計(jì)算張力無(wú)關(guān)，而僅與鐵塔所受導(dǎo)線荷載相關(guān)。

假設(shè)：年平工況氣象條件為20 ℃，無(wú)風(fēng)，無(wú)冰；大風(fēng)工況氣象條件為20 ℃，35 m/s(離地10 m高10 min平均風(fēng)速)，無(wú)冰；高溫工況氣象條件為40 ℃，無(wú)風(fēng)，無(wú)冰；導(dǎo)線型號(hào)為JL/G1A-630/45，直徑33.8 mm，計(jì)算破斷拉力150.45 kN；水平檔距400 m。在輸電線路設(shè)計(jì)時(shí)常用的典型地貌條件下(開闊地帶，少量樹木和建筑物)，用各標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算所得的大風(fēng)工況單位長(zhǎng)度風(fēng)荷載及導(dǎo)線張力見表4。

表4單位長(zhǎng)度風(fēng)荷載及導(dǎo)線張力

標(biāo)準(zhǔn)單位長(zhǎng)度風(fēng)荷載/(N·m-1)代表檔距/m導(dǎo)線張力/N年平工況大風(fēng)工況高溫工況國(guó)標(biāo)IEC標(biāo)準(zhǔn)ASCE標(biāo)準(zhǔn)EN標(biāo)準(zhǔn)24.7259.7347.8845.2730035731.949803.430138.828585.5a71536.1a25199.2a35731.9b80874.1b30138.8b28585.5a61525.1a25199.2a35731.9b70549.3b30138.8b28585.5a59275.5a25199.2a35731.9b68218.8b30138.8b國(guó)標(biāo)IEC標(biāo)準(zhǔn)ASCE標(biāo)準(zhǔn)EN標(biāo)準(zhǔn)24.7259.7347.8845.2740035731.951816.931983.228585.5a76627.7a26428.7a35731.9b88277.0b31983.2b28585.5a65162.0a26428.7a35731.9b76071.5b31983.2b28585.5a62601.9a26428.7a35731.9b73326.4b31983.2b國(guó)標(biāo)IEC標(biāo)準(zhǔn)ASCE標(biāo)準(zhǔn)EN標(biāo)準(zhǔn)24.7259.7347.8845.2750035731.953055.933084.228585.5a79858.7a27110.8a35731.9b93457.7b33084.2b28585.5a67389.4a27110.8a35731.9b79811.5b33084.2b28585.5a64621.2a27110.8a35731.9b76756.3b33084.2b國(guó)標(biāo)IEC標(biāo)準(zhǔn)ASCE標(biāo)準(zhǔn)EN標(biāo)準(zhǔn)24.7259.7347.8845.2760035731.953852.833779.328585.5a81991.1a27520.8a35731.9b97156.6b33779.3b28585.5a68821.0a27520.8a35731.9b82407.7b33779.3b28585.5a65910.6a27520.8a35731.9b79120.4b33779.3b

注：1.國(guó)標(biāo)導(dǎo)線平均高度按20 m計(jì)算，其他標(biāo)準(zhǔn)按60 m計(jì)算；2.國(guó)標(biāo)按年平工況安全系數(shù)4.0計(jì)算，其他標(biāo)準(zhǔn)按年平工況安全系數(shù)分別按5.0(上標(biāo)a)及4.0(上標(biāo)b)兩種情況計(jì)算。

圖1對(duì)應(yīng)表4中上標(biāo)為a的大風(fēng)工況張力數(shù)據(jù)，圖2對(duì)應(yīng)表4中上標(biāo)為b的大風(fēng)工況張力數(shù)據(jù)。

圖1　大風(fēng)工況導(dǎo)線計(jì)算張力比較(一)

圖2　大風(fēng)工況導(dǎo)線計(jì)算張力比較(二)

在假設(shè)的氣象條件下，四種標(biāo)準(zhǔn)均為年平工況控制，因此在年平工況安全系數(shù)一致的情況下，年平工況的張力是一樣的，而大風(fēng)工況的張力各有不同，其中按IEC標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的大風(fēng)工況張力最大，按我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的大風(fēng)工況張力最小。

表4是在假設(shè)10 min平均風(fēng)速一致的前提下進(jìn)行計(jì)算的。在實(shí)際工程中，IEC標(biāo)準(zhǔn)建議230 kV以上電壓等級(jí)線路選擇重現(xiàn)期為150年的可靠性水平。對(duì)于230 kV以下電壓等級(jí)但為網(wǎng)絡(luò)中重要的組合部分或者是某負(fù)荷的唯一電源線路，同樣也建議選擇150年的可靠性水平。對(duì)于大部分230 kV以上電壓等級(jí)，而且是網(wǎng)絡(luò)重要的組合部分或者是某負(fù)荷的唯一電源的線路，應(yīng)該選用重現(xiàn)期為500年的可靠性水平。而我國(guó)對(duì)500 kV線路一般采用50年重現(xiàn)期，對(duì)220 kV及以下線路采用30年重現(xiàn)期。ASCE標(biāo)準(zhǔn)及EN標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)重現(xiàn)期均為50年，但允許采用更高可靠度水平的重現(xiàn)期進(jìn)行設(shè)計(jì)。因此采用國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的線路可能比我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)具有更高的重現(xiàn)期水平，以致大風(fēng)工況的單位長(zhǎng)度風(fēng)荷載和張力差異比表4中計(jì)算的更大。

另外值得注意的是，IEC標(biāo)準(zhǔn)提出：如果一個(gè)耐張段被懸垂絕緣子串分成幾個(gè)部分，代表檔距的概念就會(huì)用于張力計(jì)算。需要強(qiáng)調(diào)的是，代表檔距的概念意味著一個(gè)耐張段所有檔受到相同的風(fēng)壓。這種假定隨檔數(shù)的增加和懸垂串長(zhǎng)度的增大而變得更保守。如果有經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)支持，在一些情況下計(jì)算的風(fēng)荷載可以減小，但不會(huì)減小40%以上。當(dāng)考慮到地線時(shí)，不宜減小風(fēng)壓，因?yàn)闆]有懸垂絕緣子串可阻止水平張力差的平衡(當(dāng)采用接近40%的減少因數(shù)時(shí)務(wù)必謹(jǐn)慎，因?yàn)橐恍U塔會(huì)被使用于較少檔的耐張段，甚至是孤立檔，這種情況下不能采用減少因數(shù))。

這種考慮是有意義的，尤其對(duì)于較長(zhǎng)的耐張段，不可能每個(gè)位置同時(shí)達(dá)到風(fēng)速的脈動(dòng)峰值。通過絕緣子串的偏轉(zhuǎn)，可使得不同檔的導(dǎo)線張力達(dá)到脈動(dòng)折減后的平衡。但在國(guó)際通用輸電線路設(shè)計(jì)軟件PLS-CADD中，綜合因數(shù)與檔距系數(shù)均參與特性計(jì)算，且在特性計(jì)算的輸入界面并無(wú)單位長(zhǎng)度風(fēng)荷載減小系數(shù)的設(shè)置項(xiàng)，因此該條可被認(rèn)為在PLS-CADD中未得到應(yīng)用。

2.3分項(xiàng)系數(shù)

各標(biāo)準(zhǔn)中，有關(guān)荷載的分項(xiàng)系數(shù)規(guī)定見表5。

表5分項(xiàng)系數(shù)對(duì)比

標(biāo)準(zhǔn)恒載分項(xiàng)系數(shù)活載分項(xiàng)系數(shù)國(guó)標(biāo)1.21.4IEC標(biāo)準(zhǔn)1.01.0ASCE標(biāo)準(zhǔn)1.01.0EN標(biāo)準(zhǔn)1.01.0

張力屬于活荷載，因此在大風(fēng)工況張力乘以分項(xiàng)系數(shù)之后，各標(biāo)準(zhǔn)在進(jìn)行鐵塔內(nèi)力計(jì)算時(shí)實(shí)際使用的張力值見表6。

表6分項(xiàng)系數(shù)與大風(fēng)工況張力之積

代表檔距/m標(biāo)準(zhǔn)分項(xiàng)系數(shù)大風(fēng)工況張力/N分項(xiàng)系數(shù)與大風(fēng)工況張力的乘積/N國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)標(biāo)計(jì)算值之比/%300國(guó)標(biāo)IEC標(biāo)準(zhǔn)ASCE標(biāo)準(zhǔn)EN標(biāo)準(zhǔn)1.41.01.01.049803.469724.810071536.1a71536.1102.680874.1b80874.1116.061525.1a61525.188.270549.3b70549.3101.159275.5a59275.585.068218.8b68218.897.8400國(guó)標(biāo)IEC標(biāo)準(zhǔn)ASCE標(biāo)準(zhǔn)EN標(biāo)準(zhǔn)1.41.01.01.051816.972543.710076627.7a76627.7105.688277.0b88277.0121.765162.0a65162.089.876071.5b76071.5104.962601.9a62601.986.373326.4b73326.4101.1500國(guó)標(biāo)IEC標(biāo)準(zhǔn)ASCE標(biāo)準(zhǔn)EN標(biāo)準(zhǔn)1.41.01.01.053055.974278.310079858.7a79858.7107.593457.7b93457.7125.867389.4a67389.490.779811.5b79811.5107.464621.2a64621.287.076756.3b76756.3103.3600國(guó)標(biāo)IEC標(biāo)準(zhǔn)ASCE標(biāo)準(zhǔn)EN標(biāo)準(zhǔn)1.41.01.01.053852.875393.910081991.1a81991.1110.497156.6b97156.6130.868821.0a68821.092.782407.7b82407.7110.965910.6a65910.688.779120.4b79120.4106.5

注：1.國(guó)標(biāo)導(dǎo)線平均高度按20 m計(jì)算，其他標(biāo)準(zhǔn)按60 m計(jì)算；

2.國(guó)標(biāo)按年平工況安全系數(shù)4.0計(jì)算，其他標(biāo)準(zhǔn)按年平工況安全系數(shù)分別按5.0(上標(biāo)a)及4.0(上標(biāo)b)兩種情況計(jì)算。

表7高溫弧垂差異

標(biāo)準(zhǔn)高溫工況張力/N弧垂/m國(guó)標(biāo)31983.212.75IEC標(biāo)準(zhǔn)26428.7a15.4331983.2b12.75ASCE標(biāo)準(zhǔn)26428.7a15.4331983.2b12.75EN標(biāo)準(zhǔn)26428.7a15.4331983.2b12.75

注：1.國(guó)標(biāo)導(dǎo)線平均高度按20 m計(jì)算，其他標(biāo)準(zhǔn)按60 m計(jì)算；

2.國(guó)標(biāo)年平工況安全系數(shù)為4.0，其他標(biāo)準(zhǔn)年平工況安全系數(shù)分別按5.0(上標(biāo)a)及4.0(上標(biāo)b)兩種情況計(jì)算。從表6可以看出，按我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的大風(fēng)工況張力乘以分項(xiàng)系數(shù)之后，與ASCE標(biāo)準(zhǔn)和EN標(biāo)準(zhǔn)較為接近，但明顯小于IEC標(biāo)準(zhǔn)。此外，隨著代表檔距的增加，按國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的大風(fēng)工況張力的上升坡度明顯大于我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，表現(xiàn)在表6的“比例”一欄數(shù)值隨之上升。

表6的計(jì)算結(jié)果是建立在10 min平均風(fēng)速相同的基礎(chǔ)上。如果采用不同的氣象重現(xiàn)期，不同標(biāo)準(zhǔn)之間計(jì)算張力的差異將會(huì)增大。

3計(jì)算張力對(duì)弧垂的影響

表4在假設(shè)條件下計(jì)算出了各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的高溫工況張力?？蓳?jù)此進(jìn)一步計(jì)算各標(biāo)準(zhǔn)的高溫弧垂。以代表檔距400 m為例，各標(biāo)準(zhǔn)的高溫弧垂計(jì)算值見表7。

由于本文算例在各標(biāo)準(zhǔn)下均為年平工況控制，因此當(dāng)年平張力安全系數(shù)一致時(shí)，高溫工況的張力和弧垂也是一致的。僅當(dāng)年平張力安全系數(shù)不一致時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)弧垂的差異，但這并非由極限張力設(shè)計(jì)法引起的差異。

當(dāng)設(shè)計(jì)風(fēng)速足夠大，使得大風(fēng)工況成為控制工況后，規(guī)律將有所不同。

4計(jì)算張力對(duì)鐵塔受力的影響

對(duì)于直線塔來(lái)說(shuō)，由于絕緣子串的偏擺作用使得大風(fēng)工況下的導(dǎo)線不平衡張力非常小，因此大風(fēng)工況下計(jì)算張力的區(qū)別對(duì)塔重影響可以忽略不計(jì)。而對(duì)于耐張塔來(lái)說(shuō)，大風(fēng)工況下的計(jì)算張力決定了全相不平衡張力(即全部相導(dǎo)線同時(shí)產(chǎn)生的前后側(cè)張力差)的大小，并直接對(duì)塔重產(chǎn)生影響。

假設(shè)耐張塔為0°轉(zhuǎn)角，每相采用4分裂導(dǎo)線，前后側(cè)代表檔距分別為600 m及300 m。其他計(jì)算條件與表4一致。各標(biāo)準(zhǔn)下的導(dǎo)線每相不平衡張力計(jì)算值見表8。

表8耐張塔每相不平衡張力

標(biāo)準(zhǔn)代表檔距/m分項(xiàng)系數(shù)大風(fēng)工況單根導(dǎo)線張力/N乘積/N每相不平衡張力/N國(guó)標(biāo)6003001.453852.849803.475393.969724.822676.4IEC標(biāo)準(zhǔn)6003006003001.081991.1a71536.1a97156.6b80874.1b81991.171536.197156.680874.141820.065130.0ASCE標(biāo)準(zhǔn)6003006003001.068821.0a61525.1a82407.7b70549.3b68821.061525.182407.770549.329183.647433.6EN標(biāo)準(zhǔn)6003006003001.065910.6a59275.5a79120.4b68218.8b65910.659275.579120.468218.826540.443606.4

注：1.國(guó)標(biāo)導(dǎo)線平均高度按20 m計(jì)算，其他標(biāo)準(zhǔn)按60 m計(jì)算；

2.國(guó)標(biāo)年平工況安全系數(shù)為4.0，其他標(biāo)準(zhǔn)年平工況安全系數(shù)分別按5.0(上標(biāo)a)及4.0(上標(biāo)b)兩種情況計(jì)算。

由于按國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的大風(fēng)工況張力隨代表檔距增加而上升的坡度明顯大于我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，其作用于耐張塔上的每相導(dǎo)線不平衡張力也大于我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，因此可以得出結(jié)論：按照極限張力設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)的耐張塔可承受更大的全相不平衡張力。但不能據(jù)此判斷按國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的耐張塔塔重比我國(guó)更大，因?yàn)槟蛷埶芰τ?jì)算還受到大風(fēng)工況水平荷載、事故工況任意相不平衡張力、安裝工況荷載等其他因素控制，更受到有關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不同標(biāo)準(zhǔn)差異的影響。

5結(jié)論

a)我國(guó)在單位長(zhǎng)度風(fēng)荷載計(jì)算中并未使用風(fēng)振系數(shù)，這是造成我國(guó)導(dǎo)線大風(fēng)工況計(jì)算張力與國(guó)外計(jì)算值相差較大的主要原因，也是國(guó)內(nèi)輸電線路設(shè)計(jì)體系與國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)顯著區(qū)別。

b)在相同重現(xiàn)期及風(fēng)速條件下，按我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的大風(fēng)工況張力乘以分項(xiàng)系數(shù)之后，與ASCE標(biāo)準(zhǔn)與EN標(biāo)準(zhǔn)較為接近，但明顯小于IEC標(biāo)準(zhǔn)。而國(guó)外實(shí)際工程設(shè)計(jì)所使用的重現(xiàn)期可能遠(yuǎn)大于我國(guó)。

c)隨著代表檔距的增加，按國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的大風(fēng)工況張力的上升坡度明顯大于我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)。

d)在年平工況作為控制工況前提下，極限張力設(shè)計(jì)法不會(huì)引起導(dǎo)線弧垂差異。

e)按照極限張力設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)的耐張塔可承受更大的全相不平衡張力。

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(編輯彭艷)

Differences of Design Methods for Domestic and Overseas Conductor Tension

ZHU Yingjie, LIN Fangxin

(China Energy Engineering Group Guangdong Electric Power Design Institute Co., Ltd., Guangzhou, Guangdong 510663, China)

Abstract：Influence of natural wind fluctuation is not considered for calculating conductor tension in design specifications on power transmission line in China, thereby, large safety factor is used to resist overload caused by peak value of wind speed fluctuation. While in foreign standard, ultimate tension design method fully considering influence of natural wind fluctuation is used to calculate conductor tension, thus small safety factor is adopted to make allowed maximum working strength close to critical value of plastic deformation. Above circumstances are main reasons for causing large differences between calculated values of conductor tension in domestic and overseas, as well as design methods for design system of power transmission line in China and foreign standard ultimate tension. Example calculation is used for analyzing influences on design for steel tower by using these two different methods and results indicate that with increase of ruling span, rising slope of tension under extreme wind condition calculated according to foreign standard is obviously larger than that according to domestic standard. On the premise of taking yearly average working condition as the controlling working condition, ultimate tension design method will not cause difference of conductor sag and tension support tower designed based on ultimate tension design method can bear greater whole-phase imbalance tension.

Key words：ultimate tension design method; natural wind fluctuation; wind vibration factor; per unit length of wind load; imbalance tension

作者簡(jiǎn)介：

中圖分類號(hào)：TM756.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-290X(2016)01-0124-07

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.01.024

收稿日期：2015-08-19