焦俊洲

摘 要：空氣密度對(duì)輸電線路風(fēng)荷載計(jì)算的影響，現(xiàn)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)缺乏明確規(guī)定，對(duì)設(shè)計(jì)冰厚離地計(jì)算高度規(guī)定亦欠合理.基于伯努利公式和克拉珀龍方程，分析指出對(duì)于中、高海拔地區(qū)的線路，空氣密度對(duì)風(fēng)荷載計(jì)算及風(fēng)區(qū)劃分的影響不容忽視，建議采用考慮空氣密度的設(shè)計(jì)風(fēng)壓或設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速為指標(biāo)進(jìn)行輸電線路風(fēng)荷載計(jì)算及風(fēng)區(qū)劃分；鑒于高度和檔距對(duì)覆冰的綜合影響，建議輸電線路設(shè)計(jì)冰厚計(jì)算高度取導(dǎo)、地線平均高度.

關(guān)鍵詞：架空輸電線路；空氣密度；設(shè)計(jì)風(fēng)壓：設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速

一、對(duì)風(fēng)壓取值以風(fēng)區(qū)及劃分過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題

對(duì)于風(fēng)區(qū)風(fēng)速的取值，根據(jù)《110kV～750kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50545-2010）對(duì)于基本風(fēng)速的定義，即為“按當(dāng)?shù)乜諘缙教沟孛嫔?0m高度處10min時(shí)距，平均的年最大風(fēng)速觀測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)概率統(tǒng)計(jì)得出50（30）年一遇最大值后確定的風(fēng)速”，但是，這種基本風(fēng)速具體指的是哪一種空氣狀態(tài)下的風(fēng)速并沒(méi)有明確的規(guī)定。我國(guó)過(guò)去一般采用維爾達(dá)壓板對(duì)風(fēng)進(jìn)行測(cè)量，它的刻度所反映出的風(fēng)速都是根據(jù)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)空氣密度依據(jù)伯努利公式反算得出的結(jié)果。因此在計(jì)算風(fēng)壓時(shí)，風(fēng)壓系數(shù)取值為1600。近年來(lái)，我國(guó)有多個(gè)地區(qū)氣象站先后安裝了電接風(fēng)向風(fēng)速儀，其屬于風(fēng)杯式風(fēng)速計(jì)，在觀測(cè)中并未記錄空氣密度對(duì)風(fēng)速的影響。就目前而言，在設(shè)計(jì)中，各電力設(shè)計(jì)單位一般是由氣象勘測(cè)專業(yè)提供沿線氣象站歷年實(shí)測(cè)最大風(fēng)速系列的頻率分析結(jié)果，送電電氣等專業(yè)據(jù)此進(jìn)行線路風(fēng)區(qū)劃分，并僅按標(biāo)準(zhǔn)空氣狀態(tài)計(jì)算風(fēng)荷載，進(jìn)而提供給結(jié)構(gòu)專業(yè)進(jìn)行桿塔設(shè)計(jì)。而并未針對(duì)不同的空氣密度對(duì)搜集到的風(fēng)速進(jìn)行修正。風(fēng)區(qū)風(fēng)速取值，根據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，架空輸電線路風(fēng)區(qū)劃分指標(biāo)為離地10m高與電壓等級(jí)相應(yīng)的某一重現(xiàn)期的最大風(fēng)速，即基本風(fēng)速，而這樣的“基本風(fēng)速”是指何種空氣狀態(tài)下的風(fēng)速，標(biāo)準(zhǔn)并無(wú)明確規(guī)定。電力設(shè)計(jì)單位大多由氣象勘測(cè)專業(yè)提供沿線氣象站歷年實(shí)測(cè)最大風(fēng)速系列的頻率分析成果，氣象、電氣等專業(yè)據(jù)此進(jìn)行線路風(fēng)區(qū)劃分。并僅按標(biāo)準(zhǔn)空氣狀態(tài)計(jì)算風(fēng)荷載，進(jìn)而提供給結(jié)構(gòu)專業(yè)進(jìn)行桿塔設(shè)計(jì)。因缺少明確規(guī)定，在上述過(guò)程中，各專業(yè)均可能未對(duì)基本風(fēng)速施以空氣密度訂正，這在500m以下的低海拔地區(qū)問(wèn)題并不突出。

二、風(fēng)壓取值及風(fēng)區(qū)劃分的建議

在設(shè)計(jì)中，采用考慮實(shí)際空氣密度的設(shè)計(jì)風(fēng)壓來(lái)進(jìn)行輸電線路風(fēng)區(qū)劃分，再對(duì)照全國(guó)或地區(qū)風(fēng)壓圖檢查設(shè)計(jì)成果是否合理，并再按此值直接進(jìn)行風(fēng)荷載高度變化計(jì)算。

1.風(fēng)速的地貌與高度轉(zhuǎn)換，在大氣邊界層內(nèi)，風(fēng)速隨離地面高度而增大。當(dāng)氣壓場(chǎng)隨高度不變時(shí)，風(fēng)速隨高度增大的規(guī)律，主要取決于地面粗糙度和溫度垂直梯度。通常認(rèn)為在離地面高度為300～550m時(shí)，風(fēng)速不再受地面粗糙度的影響，也即達(dá)到所謂“梯度風(fēng)速”，該高度稱之梯度風(fēng)高度。

2.以設(shè)計(jì)風(fēng)壓為指標(biāo)，當(dāng)采用設(shè)計(jì)風(fēng)壓為指標(biāo)劃分風(fēng)區(qū)時(shí)，對(duì)于沿線空氣狀態(tài)與標(biāo)準(zhǔn)空氣狀態(tài)差異較大的地區(qū)，如高程在500m以上的中、高海拔地區(qū)，應(yīng)當(dāng)考慮當(dāng)?shù)貙?shí)際的空氣可能己遠(yuǎn)非標(biāo)準(zhǔn)空氣狀態(tài)，而不是簡(jiǎn)單地將風(fēng)壓系數(shù)取l600直接計(jì)算設(shè)計(jì)風(fēng)壓。以設(shè)計(jì)風(fēng)壓為指標(biāo)劃分風(fēng)區(qū)，有如下優(yōu)點(diǎn)；①有利于風(fēng)區(qū)劃分成果的合理性檢查。實(shí)際工程中，常以全國(guó)或地區(qū)基本風(fēng)壓圖反算風(fēng)速，進(jìn)行輸電線路設(shè)計(jì)風(fēng)速合理性檢查，或直接風(fēng)速區(qū)取值的依據(jù)。以設(shè)計(jì)風(fēng)壓進(jìn)行劃分風(fēng)區(qū)，便于和基本風(fēng)壓圖比較，避免由風(fēng)壓反算風(fēng)速，因?yàn)檫@樣的“反算”易因有否考慮空氣密度帶來(lái)誤差。②可直接進(jìn)行風(fēng)荷載高度變化計(jì)算?，F(xiàn)行《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》按4類地貌（粗糙度），給出了離地（水）面5--450m高度的風(fēng)壓高度變化系數(shù)表。當(dāng)以風(fēng)壓劃風(fēng)區(qū)，電氣或結(jié)構(gòu)專業(yè)以10m高的設(shè)計(jì)風(fēng)壓為基準(zhǔn)，可直接換算為線路沿線實(shí)際地貌類別下不同高度的風(fēng)荷載，以便于實(shí)際操作。

三、設(shè)計(jì)覆冰厚度的計(jì)算高度

1.導(dǎo)線懸掛高度對(duì)覆冰產(chǎn)生的影響，覆冰隨導(dǎo)線懸掛高度而增加，其第一原因就是結(jié)冰時(shí)風(fēng)速隨高度的增加而增加，風(fēng)速愈大，導(dǎo)線獲取的水滴、冰晶就越多，覆冰也就越大；另外就在覆冰增長(zhǎng)期間內(nèi)，空氣含水量隨高度的增加而增加，水分含量越來(lái)越多，覆冰則大。大量實(shí)測(cè)資料說(shuō)明，不同懸掛高度覆冰厚度比KZ是高度比的冪函數(shù)，即KZ（Z/Z0）式中：Z為計(jì)算離地高度；Z0為氣象站電線懸掛高度，一般為2.0m；為指數(shù)，表示冰厚隨高度變化的關(guān)系，綜合反映了風(fēng)速、含水量、捕獲系數(shù)等隨高度的變化，與覆冰類型有關(guān)。

2.檔距對(duì)覆冰的不同的影響，覆冰總是首先在導(dǎo)線迎風(fēng)面上生成增長(zhǎng)，當(dāng)達(dá)到一定重量時(shí)，導(dǎo)線因承受偏心荷重而產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，覆冰有可能在導(dǎo)線各個(gè)側(cè)面生成，并逐漸增長(zhǎng)，從而導(dǎo)致導(dǎo)線上的覆冰愈積愈大。由于扭轉(zhuǎn)角度與L2/d4（L為檔距長(zhǎng)度，d為導(dǎo)線直徑）成比例，而L>>d，因此檔距愈大扭轉(zhuǎn)角度就愈大。在檔距達(dá)到一定長(zhǎng)度時(shí)，中央線段的扭轉(zhuǎn)程度要比兩端線夾附近大。隨風(fēng)運(yùn)動(dòng)的水滴或者冰晶得以比較均勻地積聚到扭轉(zhuǎn)導(dǎo)線的整個(gè)表面，使該段覆冰較厚較重，而兩端線段難以扭轉(zhuǎn)，覆冰主要積聚在迎風(fēng)一側(cè)，覆冰就較薄較輕。

3.設(shè)計(jì)覆冰厚度取值中出現(xiàn)的問(wèn)題，根據(jù)現(xiàn)行的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，輸電線路設(shè)計(jì)基本風(fēng)速離地（水）面高度為10m，設(shè)計(jì)專業(yè)可以根據(jù)這一數(shù)據(jù)為依據(jù)計(jì)算風(fēng)壓，查風(fēng)壓高度換算系數(shù)表給出結(jié)構(gòu)各高度設(shè)計(jì)風(fēng)壓。與風(fēng)荷載不同，對(duì)冰厚的計(jì)算高度，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)曾缺少明確規(guī)定。實(shí)際工程中，常跟隨基本風(fēng)速對(duì)高度進(jìn)行計(jì)算，例如110kV、220kV及330kV線路風(fēng)速離地高度曾取值為15m，500kV線路離地高度曾取20m，設(shè)計(jì)冰厚取值高度分別取15m和20m。當(dāng)現(xiàn)行規(guī)程基本風(fēng)速離地高度改為10m高的時(shí)候，冰厚取值高度按10m。應(yīng)當(dāng)說(shuō)，這種“跟隨”是沒(méi)有依據(jù)的。由于對(duì)設(shè)計(jì)覆冰厚度，設(shè)計(jì)專業(yè)并不象風(fēng)荷載計(jì)算那樣進(jìn)行高度換算，只需要設(shè)計(jì)冰厚取值一經(jīng)取定，則各高度結(jié)構(gòu)的覆冰荷載都按此方式進(jìn)行計(jì)算。事實(shí)上，如果對(duì)設(shè)計(jì)覆冰厚度的計(jì)算高度取離地十米高，對(duì)于110～750kV一般輸電線路，而言，由于呼高相對(duì)不高，計(jì)算高度的取值對(duì)覆冰厚度的影響較小，一般不會(huì)影響設(shè)計(jì)覆冰厚度的取值。而對(duì)于1000kV、±800kV線路、同塔多回路等輸變電工程，尤其在大跨越的工程中，由于其呼高（呼高100m以上）檔距大（1km以上），計(jì)算高度的取值將對(duì)設(shè)計(jì)覆冰厚度產(chǎn)生較為明顯的影響。各電壓等級(jí)輸電線路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)雖均規(guī)定：除無(wú)冰地區(qū)，大跨越設(shè)計(jì)冰厚較附近一般線路增加5mm。但對(duì)于呼高較高的特高壓線路、同塔多回路塔，是否也按此執(zhí)行還有待商榷。

四、設(shè)計(jì)冰厚計(jì)算高度的建議

對(duì)于呈弧垂?fàn)畹膶?dǎo)地線而言，覆冰的檔距訂正系數(shù)隨高度增高而減小，高度訂正系數(shù)隨高度增高而增大。因此，大檔距線路導(dǎo)、地線的最大覆冰既不在最高懸掛點(diǎn)，亦不在弧垂最低點(diǎn)。在設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)覆冰厚度一經(jīng)取定，一般不像風(fēng)荷載

那樣再行高度換算，因此建議在架空輸電線路設(shè)計(jì)覆冰厚度計(jì)算高度取導(dǎo)、地線平均離地（水）面高度。為便于操作，可取力學(xué)計(jì)算用各電壓等級(jí)線路導(dǎo)線平均離地高度，用作各電壓等級(jí)覆冰離地計(jì)算高度，即110～330kV線路取15m；500kV、500kV、750kV線路取20m；800kV、1000kV線路和同塔多回路取30m；大跨越工程取導(dǎo)地線平均離水面高度。

隨著架空輸電線路的不斷規(guī)劃和完善我國(guó)大檔距跨越塔、同塔多回路塔等高塔得到了有效應(yīng)用，技術(shù)水平還有待提高，技術(shù)人員要從多種角度分析研究問(wèn)題，合理劃分架空輸電線路的區(qū)域，并進(jìn)行全面檢查，對(duì)存在的突出問(wèn)題采取有效措施進(jìn)行完善，合理區(qū)劃分架空氣象線路，并根據(jù)方案設(shè)計(jì)進(jìn)行風(fēng)速調(diào)整以及覆冰厚度計(jì)算高度高度的取值，將會(huì)大袋提高設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和嚴(yán)謹(jǐn)性，帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)效益最大化。

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