大跨越架空线覆冰风荷载计算方法研究

陈楠，隆茂 , 雷晶晶

国网四川省电力公司技能培训中心，成都 611133

摘 要: 本文研究平均高度法和有限元法两种方法来计算大跨越架空线覆冰风荷载的。文章介绍了这两种方法的计算原理，推导了相应的计算过程。由同一算例的数据比较、研究可得，有限元法相对平均高度法的计算结果稍大。这表明用有限元法计算风荷载有更好的安全性，更有利于线路设计。

关键词:大跨越架空线；覆冰；风荷载；平均高度法；有限元法

Load Calculation Method Study overhead lines across icing wind

Li Ke¹, Chen Nan², Xiang Ze³, Li Gang¹

(1. State Grid Electric Power Company Hunan Yueyang Power Company, 414000

2. Skills Training Center Of State Grid Sichuan Electric Power Company, Chengdu, 611133

3. Chengdu Electric Power Company, Chengdu, 610041)

Abstract :In this paper, the average height of the method and the finite element method are two ways to calculate the large span overhead line icing wind loads. This paper introduces the principle of the two methods of calculation to derive the corresponding calculation. Data from the same study comparative study available, the finite element method relative to the average height method results slightly. This indicates that the finite element method to calculate wind loads have better security, more conducive to circuit design.

Keyword: Large Crossing overhead lines; icing; wind load; average height method; finite element method

引言

现今国家的建设处于飞速发展期。电力的供求有了飞速增长，增大了电网的输电压力，促进了超高压线路和特高压线路的建设。然而，大跨越线路是比较特殊的情形。其中，大跨越架空线覆冰风荷载的计算决定着线路能否正常运行。
为保证大跨越线路正常运行，准确计算风荷载是关键。至今为止，对于大跨越架空线覆冰的风荷载计算，主要有平均高度法和有限元法。因此，本文主要针对于这两种办法的可行性和准确性的研究。在两者的比较之下，可得到更加准确的方法，这将为大跨越架空线的风荷载提供更准确的计算。

为更准确的计算大跨越架空线覆冰的风荷载，本文进行了参数比较。除此之外，文章花了大量的篇幅对平均高度法和有限元法进行了详细的比较分析。分析内容主要包括计算方法的原理和步骤。此外，对于同一算例，用这两种方法分别进行计算，并将数据用表格形式进行比较，分析其中的规律。

1 基本系数的确定

1.1荷载系数

由于我国地域宽广，地形起伏较大，线路遍及各地。为了保证线路能够正常运行，在线路设计时，我国规定荷载系数统一取值为1.4，对于特别重要的线路再乘以1.1。这样取值更易于设计及相关风荷载的计算。

1.2体型系数

GB 50545规定：导线的体型系数 ，当线径小于17mm或覆冰时（不论线径大小）应取1.2；线径大于或等于17mm时，取1.1。而根据实际经验，220kV以上的输电导线的直径一般都大于17mm，因此，我国对于高压输电线路导、地线的风荷载体型系数取1.1。

1.3 风压高度变化系数

GB规定导线离地高度取为弧垂最低点离地高度加上弧垂高度的1/3。

2 风荷载的计算方法

2.1平均高度法

2.1.1 平均高度法的计算原理

假设当风吹向导线时，仅产生与电线轴线相垂直的风荷载。则导地线所受到的风荷载 为：

式中： （无冰时），

（有冰时）；W₀为设计基准风速下的基准风压标准值；D为输电线外径；b为覆冰厚度； 为风压不均匀系数； 为电线体形系数； 为风向与电线轴线间的夹角； 为线长。对于500 kV及以上线路，计算杆塔的线条风荷载时还要考虑线条风荷载调整系数 。

2.1.2平均高度法的公式推导

根据教材《架空输电线路设计》（孟遂民 编著）中提及的内容，架空线的平均高度是指架空线上各点与最低点间的高差沿档距的积分被档距除得的商。

图2-1 架空线的平均高度

如图2-1所示，平均高度 的斜抛物线形式：

上式中 一项为档距中央架空线高出弧垂最低点的距离。从式中可以看出，架空线的平均高度位于档距中央架空线以上 处，如图2-1所示。

2.2 有限元法

2.2.1有限元法的计算原理

对于大跨越档距，假设风是垂直吹向架空线，则仅产生与电线轴线相垂直的风荷载。在这个假设前提之下，将档距分为N份，再以一个单元作为分析对象，算出每个单元的风荷载。再沿档距对风荷载进行积分，就可以得到整档的风荷载。

2.2.2有限元法的公式推导

一般大跨越档距在千米以上，弧垂百米以上，导地线从悬挂点到最低点之间存在百米以上的高差，各点所受风荷载存在不同，需要精确计算。本研究采用数值迭代方法实现。在塔高一定、垂直平面悬挂曲线形状已知的情况下（如图2-2）。

图 2-2 大跨越架空线

大跨越档内导线的风载荷为：

式中 为风压不均匀系数； 为导地线体型系数； 为500kV及以上线路风荷载调整系数，仅用于计算架空线作用于杆塔上的风荷载； 为导地线的均布比载； 为导地线的计算直径； 为导地线的水平应力； 为塔基面高出水位的距离。

导线或地线线径小于17mm或覆冰时，应取体型系数 =1.2，线径大于或等于17mm， =1.1。风压不均匀系数 和风荷载调整系数 按表2-1取值。

表2-1　风压不均匀系数和导地线风载调整系数

3 两种方法的比较分析

3.1实例资料

500kV南京三江口长江大跨越工程是江苏省500kV输电线路西Ⅱ通道的一个重要过江节点，采用“耐—直—直—耐”的大跨越方式。

大跨越工程概况：

（1）导、地线分别采用AACSR-500、OPGW-325。导线安全系数为：2.5，EDS＝20%RTS；OPGW安全系数为：2.5，EDS=17%RTS。

（2）安装工况导线按降温20℃、地线按降温10℃考虑。

（3）档距分布为520-1770-520m，第1基锚塔呼高24m，第2基跨越塔呼高215m，第3基跨越塔呼高215m，第4基锚塔呼高24m。

（4）第1基锚塔塔基高程5m，第2基跨越塔塔基高程5m，第3基跨越塔塔基高程5m，第4基锚塔塔基高程5m，五年一遇洪水位6m，百年一遇洪水位7m，最高通航水位4m，最大覆冰洪水位7.98m。

（5）由于线路处于B类地区，则粗糙度指数 取值为0.16，修正系数 取值为1.0。

（6）覆冰气象条件见表3-1。

表3-1 大跨越荷载计算用气象条件

（7）AACSR-500导线有关参数

表3-2 AACSR-500导线有关参数

（8）导线的设计数据

表3-3 导线气象条件

3.2 基本比载的计算

根据上述导线和地线的基本系数，结合《架空输电线路设计》（孟遂民 孔 伟 编著）中的计算式，假设风速的方向与导线和地线的方向垂直，分别求出了相应的比载，数值如表3-4所示。

表3-4 导线有关比载计算结果 单位：MPa/m

3.3 风荷载的计算

3.3.1 有限元法

根据上述的计算条件，以有限元为依据，通过VB计算机语言编程，得到有限元法的相应计算程序，计算得到下列风荷载数据表格。导、地线的风荷载数据表格，如表3-5所示。

表3-5导线有关风荷载的计算结果 单位：Mpa

3.3.2 平均高度法

根据上述的计算条件，以平均高度法为依据，通过VB计算机语言编程，得到平均高度法的相应计算程序，计算得到下列风荷载数据表格。导地、线的风荷载数据表格，如表3-6所示。

表3-6 导线有关风荷载的计算结果 单位：N

3.4 两种方法的数据比较

对于平均高度法和有限元法的计算，通过在计算机语言VB的工作环境下，完成了两种方法的软件编程。通过软件的运行得出了导、地线在各种气象条件下受到的风荷载。从中取出一组数据，表格如下。

表3-9 导线数据比较表 单位：N

从导线的数据表格可以看出，第一档的数据误差为4.81%；第二档的数据误差为1.59%；第三档的数据误差为4.81%。相比可得，有限元法相比平均高度法有更好的安全性，也有利于线路更安全的设计。

4 结论

本文采用平均高度法和有限元法两种方法来计算大跨越架空线覆冰风荷载。在计算机语言的工作环境下，分别对平均高度法和有限元法进行实例计算，结果表明，有限元法相对平均高度法的计算结果稍大，第一档的数据误差为4.81%，第二档的数据误差为1.59%，第三档的数据误差为4.81%。这表明用有限元法计算风荷载有更好的安全性，更有利于线路设计。

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作者简介：陈楠（1987-），男，国网四川省电力公司技能培训中心