架空输电线路防风能力评估分析

2019年1月25日第36卷第1期Telecom Power TechnologyＪａｎ．　　２５，２０１９，Ｖｏｌ．　３６　Ｎｏ．　１　ｄｏｉ：１０．１９３９９／ｊ．ｃｎｋｉ．ｔｐｔ．２０１９．０１．１１７运营探讨架空输电线路防风能力评估分析朱　阳（中国南方电网有限责任公司超高压输电公司广州局海口分局，海南 海口 570100）摘要：通过对沿海台风多发地区现有输电线路防风能力评估方法的探讨，以风荷载计算中的风荷载计算推导理论基础、导地线风荷载推导、绝缘子风荷载计算、塔身风荷载推导为标准，以结构验算中杆塔结构验算、杆塔结构基础连接验算为依据，给出了输电线路铁塔防风能力的明确计算方法，为后续新建线路和改造重要线路提供了评估方案和改造依据。关键词：架空输电线路；防风能力；台风Evaluation and Analysis of Windproof Capability of Overhead Transmission LinesZHU Yang（China Southern Power Grid Co.，Ltd.，Extra-High Voltage Power Transmission Company Guangzhou Branch Bureau of Haikou，Haikou 570100，China）Abstract：The article in view of the coastal areas for the typhoon，the existing transmission line windproof ability evaluation methods are discussed in this paper，by the wind load calculation of wind load calculation of theoretical basis，guide the ground wind load is derived，insulator wind load calculation，the towers are derived wind load is not standard and structure calculation of tower structure calculation， the structure of the tower foundation connection calculation basis，for transmission line tower，wind power，explicit calculation method is given for subsequent circuit and key circuit transformation provides a new evaluation scheme and transform the basis.Key words：overhead transmission lines；windproof ability；typhoon0　引　言风速。杆塔结构按概率方法设计，其中杆塔结构强度台风是一种全球发生频率高、影响严重的自然灾的代表值即标准值（一定保证率的代表值，对于杆塔害。我国位于太平洋西岸，是世界上受台风影响严重钢结构为95%）。一般认为，当结构外负荷导致的结的国家之一。我国平均每年台风登陆次数9.5次，而广构应力（荷载效应）超过强度代表值（标准值）时，东省平均每年台风登陆次数为3.54次，位居全国各省结构破坏的可能性较高；当结构荷载低于此数值时，之首。结构破坏的可能性较低，因此结构破坏的临界值为标随着沿海地区经济建设的发展，沿海输电线路密准值。结构是否破坏的验算应采用标准组合，验算得度增长较大，而日趋频繁的极端天气如台风灾害，给出某一风速下结构主要风控受力构件最大应力已达到广东等沿海地区电网造成了极大威胁。2014年威马逊、其强度标准值，此风速即为结构最大耐受风速。若超2015年彩虹等台风，均对电网造成了重大损失。尤其过此风速，结构受力构件保证率将较低，结构破坏的是2017年8月台风“天鸽”，广东电网出现多次线路、可能性将较大。杆塔受损跳闸，澳门电网损失全部负荷，珠海电网遭通过线路各杆塔耐受风速的计算和耐受风速的概受重创，用时近一周才全部恢复电力供应。率计算推导可知，线路的抗风可靠水平和各杆塔抗风跨越琼州海峡的500 kV跨海电力联网输电系统（以可靠水平取决于各杆塔耐受风速和耐受风速超越概率。下简称“联网系统”）于2009年6月30日投入使用，1.1　风荷载计算是海南全岛电网连接大陆南方电网主网的唯一通道。对于输电线路风荷载的计算，各国设计标准依海南联网线路在安全平稳供电、电力迎峰度夏、防风据历史与经验各自不同。美标、欧标现行线路设计标防汛、配合核电安全运行、博鳌论坛年会、文昌卫星准下的风荷载计算基于风工程理论，充分考虑了阵风发射等重要供电活动中，发挥了重要作用，被海南省效应，故其设计风速即为其耐受风速。例如，美标按 政府表彰为“定海神针”。下面将以海南联网系统输60 m/s（3 s时距，33 ft高）风速设计的杆塔，在设计电线路为例，探讨沿海台风多发地区现有输电线路防使用条件下最大可抵御一个10 m高3 s阵风最大风速风能力的评估方法。为60 m/s的风灾，即当一个10 m高3 s阵风风速远大于60 m/s时，按此设计的铁塔倒塌的可能性大，当一1　架空输电线路防风能力评估方法个10 m高3 s阵风风速小于60 m/s时，此铁塔倒塌的输电线路的可靠性由各杆塔最大耐受风荷载水平可能性不大。决定。杆塔最大耐受风速是指实际发生倒塔时的临界与美标、欧标相比，中国设计标准中阵风效应考虑得并不充分，采用的风荷载包含安全系数（分项系数）。按中国现行标准，一个风速35 m/s（10 m高10 min 收稿日期：2018-10-28平均值）设计的铁塔不仅能承受一个10 m高10 min作者简介：朱　阳（1987-），男，吉林四平人，本科，工程师，测得平均风速为35 m/s的大风，也可以承受更大的情主要研究方向为输电线路。况。究其原因，在于它在设计中有总乘积为1.54的分·　２８６　·朱　阳：架空输电线路 Telecom Power Technology 2019年1月25日第36卷第1期防风能力评估分析Ｊａｎ．　　２５，２０１９，Ｖｏｌ．　３６　Ｎｏ．　１　项系数。但是，它一般也无法承受一个风速为设计风 βµ+σì速1.24倍（相当于风力1.54倍）的风灾，因为在风荷w==1+2gIkb+kr （4）µ载计算中未充分考虑阵风效应。其中g为峰值因子，《建筑结构荷载规范》1.1.1　风荷载计算推导理论基础（GB50009-2012）推荐取值为2.5。较为精准的风荷载计算必须与欧美标准一样，按风的数学模型构建和风工程理论计算。但是，中国的风荷载空间时间关系必须基于中国的水文气象观测结果，即风荷载作用计算公式推导理论基础方法与欧美标准一致，而风场参数宜按中国地域的气象统计结果取值，如风压高度变化系数、湍流度等。作用在结构上的风有一个速度大小时刻变化的过程（风时程）。为了简单地利用拟静力计算结构风响应，可以将风分为平均风和脉动风，通过分析计算得到结构的平均风响应和脉动风响应，将两者叠加最终获得风的总响应即总风荷载。如图1所示，由风速时程曲线可得风速相关曲线，建立相关曲线的数学表达式即相关函数，然后通过傅里叶变换得到风速功率谱的数学表达式，从而将结构的时域问题转换为频域问题[1]。图2　风谱、响应函数与反应谱曲线1.1.2　导地线风荷载推导导地线作为柔索，其自振振型密集复杂。广东院在承担的南网科研项目中采用时程仿真分析发现，其共振响应远小于背景响应，可忽略不计，且欧美日各国的线路设计标准也忽略了共振响应。1.1.3　绝缘子风荷载计算绝缘子作为导线延伸的一部分，其脉动作用应与导线脉动作用叠加并产生相关性折减，因此绝缘子背景积分结果与相连导地线近似相等，取相同阵风系数。 Wxz=λi*n*βb*W0*μz*μsi*S*sinθ （5） Wyz=λi*n*βb*W0*μz*μsi*S*cosθ （6）图1　风速时程曲线 Wxj=λi*n*βb*W0*μz*μsi*S*sin2θ （7）如图2所示，脉动风数学处理即通过反应谱法将 Wxj=0 （8）时域问题转化为频域问题，不仅考虑了结构在风作用式中，x、y代表垂直于导线方向与顺导线方向；过程中的阵风效应，而且结果具有概率统计意义。b为绝缘子风振系数，取其与连接的导地线、跳线的风结构位移的自谱函数表达式为：振系数βl相等；n为绝缘子串数；μz为绝缘子平均高 S处的风压高度变化系数；μsμ(n)=|H(n)|2SF(n) （1）i为绝缘子体型系数，一般式中，H(n)为结构的频率响应函数，S取1.0或取试验数据；S为绝缘子串承受风压面积计算F(n)为荷载自谱。值，单位为m2。λi为绝缘子串风荷载屏蔽等效折减系数。位移的方差可通过对位移自谱函数积分求得，并对单串，λi取1.0；对多串，计算Wxz时，λi取1.0；计代入团流度I=σv/V可以得出：算Wyz和Wxj时，双联λi取0.7，三联λi取0.5，四联λiσ取0.4；对于V串，不考虑为双联串，将其视为分离的ì µ=2gI∫∞两个单串不折减。0k2|H(n)|2Sv(n) dnσ2 （2）v1.1.4　塔身风荷载推导我国建筑荷载规范采用惯性荷载法确定风动力等效图2为典型的高耸结构反应函数与对应反应谱。静力风荷载，其数值等于平均风荷载加脉动风荷载引起通过近似数学分离处理手段，忽略第三段贡献，的惯性力，最终表达为风振系数乘以平均风荷载。但是，脉动响应可以分为背景响应分量①和共振响应分量②，它的计算涉及铁塔不同部位的相关性组合，较为繁杂，则式（2）可表示为：因此给出了结构体型、质量分布均匀等特殊情况下的背 =σì景响应近似公式。而对于程序计算，完全可以按随机振µ2gIkb+kr （3）动理论精确求解结构一阶振型下的等效背景响应，得出其中kb和kr分别为背景响应因子和共振响应因子，对质量分布及体型分布不做限定的背景响应。则风的总响应除以风的平均响应的风振系数βw可以表任意高度Zi处的平均风荷载为：示为： F(zi)=μz(zi)*Cd(zi)*Ar(zi)*W0(i=1,2,…,n) （9）·　２８７　· 2019年1月25日第36卷第1期Telecom Power TechnologyＪａｎ．　　２５，２０１９，Ｖｏｌ．　３６　Ｎｏ．　１　其中，d(zi)、r(zi)分别为Zi质点处的体型系数和135%，因此按标准值作为抗力代表值是合适的。由于挡风面积，n为自由度数，W0为基本风压。钢管结构稳定性较好，铁塔结构抗力水平一般都超过1.2　结构验算设计值的120%，故钢管塔抗力相对较高，且钢管结构1.2.1　杆塔结构验算较好的延性也有利于抵抗风脉动。在结构验算中，将杆塔结构验算一般采用标准组合，即按式（6）验算：钢管构件的压稳稳定系数取值由规范的b类柱子曲线 S(Wv)≤R( fy) （10）提升至a类截面柱子曲线，稳定系数取值提升10%左右，其中，S为荷载标准组合效应；Wv为风速为v下角钢塔与钢管塔的抗力评价更加匹配。的风荷载及其他相应条件下相应荷载如重量荷载等的1.2.2　杆塔结构基础连接验算标准组合；R为结构构件抗力；fy为结构构件强度标准基础连接一般有插入角钢与地脚螺栓两种。插入值，角钢、钢管杆件、节点板取屈服值，螺栓强度标角钢外露部分与塔腿连接一体为杆塔结构的一部分，准值按设计值的1.2倍计算。其验算在杆塔结构验算中完成。插入角钢进入基础部我国并没有螺栓强度的标准值。欧州架空线路设分的锚固力远大于其外露部分的承载力。中国标准的计标准EN50341-2012中，螺栓强度代表值约为我国标插入角钢设计方法与设计公式引用美国标准，但锚固准螺栓强度设计值的1.2倍。美标ASCE10-97中，螺力设计值不足美标的80%，因此验算时锚固力标准值栓强度代表值约为我国标准螺栓强度设计值的1.5倍。可取设计值的1.2倍。如果从钢材强度设计值与标准值匹配的角度取值，应如表2所示，欧美标准对应耐受风速荷载的强度该取螺栓强度验算代表值为设计强度值的1.1倍。但是，设计值是中国标准的地脚螺栓强度设计值的1.35～1.5考虑到中国标准中为了较强的节点设计，螺栓设计强倍。对于验算情况对应的标准组合，材料宜采用标准值。度取值较为保守，最终验算标准组合中的螺栓强度代由于地脚螺栓无强度标准值，考虑我国的地脚螺栓强表值取为设计值的1.2倍。度设计值较国外标准相对保守，风灾中破坏现象较少。如表1所示，可以验算已有结构是否满足式（6）对于耐受风速验算，地脚螺栓抗拉强度（允许值）取的最大风速Vmax，此风速为铁塔的耐受风速。验算控1.2倍螺栓设计强度。制杆件为铁塔主材、斜材及其端部节点等主要风控受以上输电铁塔风荷载计算方法与欧美日等国际较力杆件，此类构件的破坏退出工作可导致结构成为可为通行的标准基本一致，也基本为新编的行业规范《架失稳坍塌结构，因此验算时应甄别局部超静定隔面构空输电线路荷载规范》（仍在修编）所采纳，但与我件。超静定隔面类构件应力超限不一定导致结构失稳。国现行国标“10规范”及历史上其他线路规范均有较我国结构抗力设计值比欧美规范略微保守，铁塔大不同，反映了按历史上多版规范设计的线路杆塔抗真型力学试验表明：按我国结构标准设计的铁塔抗力风能力不能简单地从标准推导，而需要通过较精确的一般为设计值的110%～150%，为标准值的100%～计算方法进行验算评估。表1　螺栓抗剪强度代表值对比表标准钢规GB50017/（N/mm2）线路规范DL/T5154/（N/mm2）欧标50341-2012/（N/mm2）美标ASCE10-97/（N/mm2）6.8级螺栓2402402883728.8级螺栓320300384496表2　地脚螺栓抗拉强度代表值对比表标准钢规GB50017/（N/mm2）线路规范DL/T5154/（N/mm2）欧标50341-2012/（N/mm2）美标ASCE10-97/（N/mm2）Q23514016022522035#钢20019032031545#钢2302153653602　结　论可较精确地把握杆塔结构实际抗风能力。上述风荷载计算较精确地考虑了线、塔的阵风效应，计算结果较准确地反映了线、塔体系在风时程过参考文献：程中的最大（数秒）瞬间风荷载作用，可获得较精确[1] 白　泉.风速时程数值模拟研究[J].辽宁科技学院学报，的铁塔线塔体系风荷载。因此，按此荷载验算的结构2006，（1）：1-3.·　２８８　·