李生澤，黃滿長(zhǎng)，楊 磊，楊庭志，謝 靜

(1.中國(guó)機(jī)械設(shè)備工程股份有限公司，北京 100055；2.湖南省電力設(shè)計(jì)院，湖南 長(zhǎng)沙 410007)

國(guó)內(nèi)外輸電線路桿塔設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比分析

李生澤1，黃滿長(zhǎng)2，楊 磊1，楊庭志1，謝 靜2

(1.中國(guó)機(jī)械設(shè)備工程股份有限公司，北京 100055；2.湖南省電力設(shè)計(jì)院，湖南 長(zhǎng)沙 410007)

隨著國(guó)家“一帶一路”戰(zhàn)略政策的出臺(tái)，國(guó)內(nèi)電力企業(yè)紛紛走向國(guó)際市場(chǎng)，境外電網(wǎng)項(xiàng)目越來(lái)越多，了解和掌握國(guó)內(nèi)外桿塔設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的差異是目前境外輸電線路項(xiàng)目中亟待解決的問(wèn)題，對(duì)控制工程的造價(jià)、質(zhì)量尤為重要。本文結(jié)合實(shí)際工程，分別從桿塔安全度、荷載及構(gòu)件計(jì)算等方面進(jìn)行了分析對(duì)比，并通過(guò)實(shí)例計(jì)算及鐵塔真型力學(xué)試驗(yàn)驗(yàn)證，分析結(jié)果可為境外輸電線路工程設(shè)計(jì)提供參考。

電網(wǎng)工程；輸電線路；安全度；荷載；桿塔設(shè)計(jì)。

當(dāng)今世界正發(fā)生復(fù)雜深刻的變化，國(guó)際投資貿(mào)易格局和多邊投資貿(mào)易規(guī)則醞釀深刻調(diào)整，國(guó)家制定“一帶一路”政策，鼓勵(lì)國(guó)內(nèi)企業(yè)走出去。掌握國(guó)內(nèi)外輸電線路工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的差異，對(duì)于控制工程造價(jià)、質(zhì)量和進(jìn)度顯得尤為重要。桿塔設(shè)計(jì)是影響線路工程造價(jià)的關(guān)鍵因素之一。本文通過(guò)研究國(guó)內(nèi)外輸電線路桿塔設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)在安全度、荷載和構(gòu)件計(jì)算方面的差異，結(jié)合實(shí)例進(jìn)行對(duì)比分析計(jì)算，并通過(guò)鐵塔真型力學(xué)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，其結(jié)論可為以后的境外輸電線路工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 國(guó)內(nèi)外輸電線路標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介

我國(guó)架空輸電線路設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)體系分為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)主要有：GB 50545－2010《110 kV～750 kV架空輸電線路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》等，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)主要有：DL/T 5154－2002《架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》等。國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)于1991年頒布了IEC60826：1991《架空輸電線路荷載和強(qiáng)度》，2003年在總結(jié)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步修訂并頒布了IEC60826：2003《輸電線路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》。美國(guó)的架空輸電線路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)體系主要由以下4部分組成：(1)國(guó)家法規(guī)和安全規(guī)定執(zhí)行美國(guó)國(guó)家電力規(guī)定NEC和美國(guó)國(guó)家電力安全標(biāo)準(zhǔn)NESC；(2)電氣部分以IEC60826標(biāo)準(zhǔn)為主；(3)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以美國(guó)土木工程協(xié)會(huì)ASCE標(biāo)準(zhǔn)為主，還可參考美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)AISC標(biāo)準(zhǔn)；(4)桿塔材料執(zhí)行美國(guó)測(cè)試和材料協(xié)會(huì)ASTM的系列標(biāo)準(zhǔn)。歐盟于1972年成立歐盟電工標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)(CENELEC)，2001年正式發(fā)行架空輸電線路設(shè)

計(jì)標(biāo)準(zhǔn)EN50341∶2001，包括英語(yǔ)、德語(yǔ)和法語(yǔ)3個(gè)版本，各個(gè)國(guó)家再根據(jù)本國(guó)的實(shí)際情況進(jìn)行小幅度的修訂，形成本國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)，并在名稱前面加上本國(guó)的簡(jiǎn)寫，如英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)為BSEN 50341∶2001。

2 國(guó)內(nèi)外輸電線路桿塔設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差異

從影響桿塔設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素：安全度、荷載和結(jié)構(gòu)計(jì)算三方面進(jìn)行對(duì)比分析，找出設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的差異及其影響。

2.1 桿塔安全度

我國(guó)規(guī)范按照電壓等級(jí)和線路種類的不同，將輸電線路劃分為3個(gè)結(jié)構(gòu)安全級(jí)別，通過(guò)結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)來(lái)反映。國(guó)外規(guī)范規(guī)定的安全級(jí)別與冰、風(fēng)荷載的重現(xiàn)期有關(guān)，見表1。

為使得國(guó)內(nèi)外規(guī)范相當(dāng)安全系數(shù)相互比較的起點(diǎn)相同，以我國(guó)規(guī)范規(guī)定的50年重現(xiàn)期為基準(zhǔn)，分別將各國(guó)規(guī)范各個(gè)重現(xiàn)期的相當(dāng)安全系數(shù)與之比較，計(jì)算結(jié)果見表2。

表1 國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)安全級(jí)別比較

表2 國(guó)內(nèi)外輸電線規(guī)范相當(dāng)安全系數(shù)比較

從表2可以看出，與國(guó)外規(guī)范相比，我國(guó)規(guī)范50a重現(xiàn)期的相當(dāng)安全系數(shù)：

(1)對(duì)于輕冰區(qū)，Ⅰ級(jí)結(jié)構(gòu)與美國(guó)規(guī)范50 a及歐盟500 a重現(xiàn)期較為接近；Ⅱ級(jí)結(jié)構(gòu)，除與歐盟規(guī)范150 a重現(xiàn)期較為接近，普遍小于國(guó)外規(guī)范；Ⅲ級(jí)結(jié)構(gòu)，則遠(yuǎn)小于國(guó)外規(guī)范。

(2)對(duì)于中冰區(qū)，Ⅰ級(jí)結(jié)構(gòu)除與IEC規(guī)范500 a重現(xiàn)期較為接近外，普遍大于國(guó)外規(guī)范；Ⅱ級(jí)結(jié)構(gòu)，與美國(guó)規(guī)范400 a和IEC規(guī)范150 a重現(xiàn)期較為接近，略小于IEC規(guī)范500 a重現(xiàn)期，普遍大于國(guó)外規(guī)范其他重現(xiàn)期；Ⅲ級(jí)結(jié)構(gòu)，與美國(guó)規(guī)范100 a重現(xiàn)期和IEC規(guī)范50 a重現(xiàn)期較為接近，普遍大于國(guó)外規(guī)范其他重現(xiàn)期。

(3)對(duì)于重冰區(qū)，則遠(yuǎn)大于國(guó)外規(guī)范。

2.2 桿塔荷載

(1)桿塔荷載工況

國(guó)內(nèi)外規(guī)范設(shè)計(jì)荷載工況的大致對(duì)應(yīng)關(guān)系見表3。

表3 國(guó)內(nèi)外規(guī)范設(shè)計(jì)荷載工況對(duì)應(yīng)關(guān)系

(2)冰、風(fēng)荷載取值

國(guó)外規(guī)范都是以冰、風(fēng)荷載的長(zhǎng)期觀測(cè)資料為基礎(chǔ)，假定冰、風(fēng)荷載服從某一概率分布類型，按其概率分布的某一不利分位值用概率統(tǒng)計(jì)方法確定。我國(guó)規(guī)范除風(fēng)荷載具有較長(zhǎng)期

的觀測(cè)資料，可按概率統(tǒng)計(jì)方法確定外，冰荷載由于缺乏長(zhǎng)期的覆冰觀測(cè)數(shù)據(jù)，多按相鄰已運(yùn)行線路的運(yùn)行資料和經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定設(shè)計(jì)冰厚，缺乏長(zhǎng)期觀測(cè)數(shù)據(jù)的支撐和數(shù)理模型的推算見表4。

表4 國(guó)內(nèi)外規(guī)范風(fēng)荷載的比較

(3) 荷載工況組合及分項(xiàng)系數(shù)

國(guó)內(nèi)外規(guī)范均采用概率統(tǒng)計(jì)理論進(jìn)行桿塔荷載計(jì)算，對(duì)不同類型工況采取不同的分項(xiàng)系數(shù)和荷載組合系數(shù)。

表5 國(guó)內(nèi)外規(guī)范荷載工況組合系數(shù)對(duì)比

2.3 結(jié)構(gòu)計(jì)算

國(guó)內(nèi)外規(guī)范桿塔構(gòu)件結(jié)構(gòu)計(jì)算均分別從軸心受壓、受拉、螺栓抗剪和螺栓孔承壓等方面考慮，其計(jì)算方法基本類似，但在參數(shù)取值方面存在差異，總體來(lái)說(shuō)，其構(gòu)件承載力較國(guó)內(nèi)規(guī)范要高，詳見表9。

3 計(jì)算實(shí)例

針對(duì)安哥拉SOYO項(xiàng)目400 kV輸電線路工程中的4Z1直線塔、4J1耐張塔，分別根據(jù)歐盟和國(guó)內(nèi)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。設(shè)計(jì)風(fēng)速為30 m/s，無(wú)冰；導(dǎo)線型號(hào)為AAAC－660 (d＝33.39 mm)，地線型號(hào)為OPGW－143 (d＝16 mm)；4Z1直線塔設(shè)計(jì)水平檔距450 m，垂直檔距600 m；4J1轉(zhuǎn)角塔設(shè)計(jì)水平檔距450 m，垂直檔距650 m，轉(zhuǎn)角度數(shù)30°。

3.1 桿塔計(jì)算荷載對(duì)比

(1)大風(fēng)工況導(dǎo)、地線荷載，見表6、表7。

表6 4Z1大風(fēng)工況時(shí)導(dǎo)、地線荷載對(duì)比 (單位： kN)

表7 4J1轉(zhuǎn)角塔大風(fēng)工況導(dǎo)、地線荷載對(duì)比 (單位： kN)

(2)塔身風(fēng)荷載

國(guó)內(nèi)外規(guī)范塔身風(fēng)荷載計(jì)算方法基本類似，限于篇幅，僅給出4Z1直線塔45°風(fēng)工況塔身風(fēng)荷載計(jì)算值，見表8、圖1。

表8 4Z1塔身風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值計(jì)算對(duì)比(45°風(fēng))

圖1 不同風(fēng)向角度下中歐標(biāo)準(zhǔn)塔身風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值比值圖

以上結(jié)果表明按國(guó)內(nèi)規(guī)范計(jì)算的塔身風(fēng)荷載值較歐盟規(guī)范要大，橫擔(dān)部分相差較大，塔身部位差別在20%左右。

3.2 桿塔構(gòu)件計(jì)算對(duì)比

選取Q235、Q345和Q420三種材質(zhì)的鋼材按國(guó)內(nèi)和歐盟規(guī)范進(jìn)行構(gòu)件承載力對(duì)比分析，4Z1、4J1塔的主要構(gòu)件承載力對(duì)比見表9。

從表9可以看出按歐盟規(guī)范計(jì)算的構(gòu)件承載力比國(guó)內(nèi)規(guī)范高，受不同的構(gòu)件規(guī)格、材質(zhì)及計(jì)算長(zhǎng)度等影響，一般在5%～20%之間。

表9 構(gòu)件承載力計(jì)算對(duì)比 (單位：kN)

3.3 桿塔計(jì)算塔重對(duì)比

計(jì)算塔重比較見表10。

表10 計(jì)算塔重比較 (單位：kg)

由表10可以看出，采用歐盟規(guī)范計(jì)算得到的4Z1、4J1塔計(jì)算重量比國(guó)內(nèi)規(guī)范小5%～10%。

4 結(jié)論

以上兩種塔型分別于2013年11月5～6日和11月20～21日在中國(guó)電力科學(xué)研究院北京良鄉(xiāng)輸電桿塔試驗(yàn)基地順利通過(guò)所有試驗(yàn)工況，并超載120%。

(1)我國(guó)桿塔50a重現(xiàn)期相當(dāng)安全系數(shù)：對(duì)于輕冰區(qū)，Ⅰ、Ⅱ級(jí)結(jié)構(gòu)分別與美國(guó)及歐盟規(guī)范不同重現(xiàn)期接近，Ⅲ級(jí)結(jié)構(gòu)則遠(yuǎn)小于國(guó)外規(guī)范；對(duì)于中冰區(qū)，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級(jí)結(jié)構(gòu)分別與美國(guó)及歐盟規(guī)范不同重現(xiàn)期接近；對(duì)于重冰區(qū)，則各級(jí)別結(jié)構(gòu)均遠(yuǎn)大于國(guó)外規(guī)范。

(2)國(guó)內(nèi)外規(guī)范在桿塔荷載工況方面基本一致，均考慮了風(fēng)荷載、覆冰、斷線等工況，但各荷載工況略有差異，荷載取值計(jì)算方法基本相同，計(jì)算參數(shù)取值存在差異。

(3)采用中歐規(guī)范對(duì)4Z1直線塔、4J1轉(zhuǎn)角塔進(jìn)行實(shí)例計(jì)算。按歐盟規(guī)范計(jì)算構(gòu)件承載力比國(guó)內(nèi)規(guī)范要高，受不同的構(gòu)件規(guī)格、材質(zhì)及計(jì)算長(zhǎng)度等影響，一般在5%～20%之間，同時(shí)考慮荷載差異的影響，鐵塔計(jì)算重量比國(guó)內(nèi)規(guī)范小5%～10%。

(4)按國(guó)外規(guī)范設(shè)計(jì)的鐵塔順利通過(guò)真型力學(xué)試驗(yàn)，表明鐵塔設(shè)計(jì)理論正確，設(shè)計(jì)成果安全、經(jīng)濟(jì)，可為以后境外輸電線路桿塔設(shè)計(jì)作為參考。

[1] IEC60826，Design criteria of overhead transmission lines[S]．2003．

[2] ASCE 74，Guidelines for Electical Transmission Line Structural Loading[S]．

[3] ASCE 10－94，Design of Latticed Steel Transmission Structures[S]．

[4] EN 50341－1，Overhead electrical lines exceeding AC 45 kV — Part 1： General requirements —Common specifcations[S]．

[5] EN 50341－3，Overhead electrical lines exceeding AC 45 kV — Part 3： Set of National Normative Aspects [S]．

[6] GB50545—2010，110～750 kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．

[7] DL/T5154—2002，架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定[S]．

[8] 徐彬，馮衡，曾德森．國(guó)內(nèi)外輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范風(fēng)荷載比較[J]．華中電力，2012，25(2)．

[9] 屈訟昭．國(guó)內(nèi)外輸電塔風(fēng)荷載技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)比較分析[J]．規(guī)劃設(shè)計(jì)，2013，34(5)．

Comparison Analysis Between Domestic and Foreign Standard in Design of Transmission Line Tower

LI Sheng-ze1，HUANG Man-chang2，YANG Lei1，YANG Ting-zhi1，XIE Jing2
(1. China Machinery Engineering Corporation, Beijing 100055, China; 2.Hunan Electric Power Design Institute, Changsha 410007, China)

With the introduction of the national strategic policy of "The Belt and Road Initiative", domestic electric power enterprises are moving into the international market extensively. Along with the increasing offshore power grid projects, to understand and knowledge the differences between domestic and foreign standards in design of the towers is becoming an urgent problem to be solved at present in power transmission line projects. It’s very important to control the cost and quality of engineering. With combination of practical engineering, tower safety degree, loads and member calculation are compared and analyzed respectively in this thesis, which are also verifed by calculation examples and tower type mechanical test. The analysis results can provide references for the overseas project design of transmission line.

grid project; transmission line; safety degree; load; design of tower.

TM75

：B

：1671-9913(2017)01-0067-06

2015-09-27

李生澤(1971- )，男，河南南陽(yáng)人，工程師，主要從事輸變電技術(shù)管理工作和研究。