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      《架空輸電線路電氣設(shè)計規(guī)程》對架線張力和風(fēng)偏計算的影響分析

      2022-02-04 08:06:48周文武李小亭譚浩文張小力李靜波
      電力勘測設(shè)計 2022年12期
      關(guān)鍵詞:風(fēng)偏檔距架線

      周文武,江 岳,李小亭,譚浩文,張小力,李靜波

      (1. 中國電力工程顧問集團西北電力設(shè)計院有限公司,陜西 西安 710075;2. 國網(wǎng)經(jīng)濟技術(shù)研究院有限公司,北京 102209)

      0 引言

      DL/T 5582—2020《架空輸電線路電氣設(shè)計規(guī)程》(以下簡稱“新規(guī)范”)于2021年2月1日起正式實施,在該規(guī)范實施之前,輸電線路風(fēng)偏、架線張力計算主要依據(jù)的規(guī)范為GB 50545—2010《110~750 kV架空輸電線路設(shè)計規(guī)范》(以下簡稱“舊規(guī)范”)。經(jīng)過對比,新規(guī)范風(fēng)偏及架線張力的計算與舊規(guī)范有較大區(qū)別。風(fēng)偏及架線張力在輸電線路工程設(shè)計中非常關(guān)鍵,它的變化將引起線條張力、弧垂、塔頭間隙、對地距離等的變化,對工程安全可靠、經(jīng)濟合理至關(guān)重要[1]。本文結(jié)合工程實際問題,對新舊規(guī)范風(fēng)偏、架線張力計算進行比較和分析,為新規(guī)范在工程設(shè)計中的應(yīng)用提供參考。

      1 新舊規(guī)范線條風(fēng)荷載計算公式對比

      舊規(guī)范規(guī)定基準風(fēng)壓標準值應(yīng)按式(1)~ (2)計算[2]。

      式中:Wx為垂直于導(dǎo)線及地線方向的風(fēng)荷載標準值;α為風(fēng)壓不均勻系數(shù);W0為基準風(fēng)壓;μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù);μsc為導(dǎo)線或地線的體型系數(shù);βc為風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù);d為導(dǎo)線或地線外徑;Lp為桿塔水平檔距;B為導(dǎo)地線覆冰風(fēng)荷載增大系數(shù);θ為風(fēng)向與導(dǎo)線或地線方向之間的夾角;V為基本風(fēng)速。

      新規(guī)范規(guī)定風(fēng)荷載的風(fēng)偏設(shè)計值應(yīng)按式(3)~ (8)計算[3]。

      式中:Wx、W0、μz、μsc、d、Lp、θ、V 與式 (1)~ (2)中的含義相同;βc為導(dǎo)地線陣風(fēng)系數(shù);αL為檔距折減系數(shù);B1為導(dǎo)地線覆冰風(fēng)荷載增大系數(shù);γc為導(dǎo)地線風(fēng)荷載折減系數(shù);g為峰值因子;Iz為導(dǎo)線平均高z處的湍流強度;I10為10 m高度名義湍流強度;z為導(dǎo)、地線平均高度;α為地面粗糙度指數(shù);εc為導(dǎo)地線風(fēng)荷載脈動折減系數(shù);δL為檔距相關(guān)性積分因子;Lx為水平向相關(guān)函數(shù)的積分長度;e為自然常數(shù)。

      在計算架線張力和風(fēng)偏時覆冰風(fēng)荷載增大系數(shù)B取1.0,舊規(guī)范中風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)βc取1.0,因此,新、舊規(guī)范在風(fēng)偏風(fēng)荷載和架線張力計算中僅對風(fēng)荷載不均勻度、風(fēng)壓高度變化、體型系數(shù)的表征方法存在差異,其對比見表1所列。

      表1 新舊規(guī)范風(fēng)偏風(fēng)荷載計算公式對比

      從表1可以看出,新舊規(guī)范對風(fēng)壓不均勻度的定義不同,新規(guī)范借助風(fēng)工程理論,將瞬時風(fēng)速看成是由平均風(fēng)速和脈動風(fēng)速的疊加,將風(fēng)壓不均勻度用陣風(fēng)系數(shù)βc和檔距折減系數(shù)αL來表征,意義更明確,并與IEC 60826、美標ASCE 74和歐標EN 50341接軌[5-7]。依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》,新規(guī)范的粗糙度系數(shù)在B類地區(qū)由原來的0.16減小為0.15[8],意味著新規(guī)范導(dǎo)線風(fēng)壓隨高度的增大趨勢較舊規(guī)范有所減小。新規(guī)范體型系數(shù)取值較舊規(guī)范變小。

      2 新舊規(guī)范風(fēng)偏、張力計算系數(shù)的對比

      通過上節(jié)分析,新、舊規(guī)范計算公式中有區(qū)別的是系數(shù) αL、βc、μz和 μsc,而這四個系數(shù)的取值主要受風(fēng)速、水平檔距和平均高的影響,下面計算 αL·βc·μz·μsc在不同規(guī)范下隨風(fēng)速、水平檔距和平均高的變化規(guī)律。

      2.1 αL·βc·μz·μsc隨風(fēng)速的變化規(guī)律

      以750 kV線路為例,水平檔距取500 m,平均高取23 m,計算風(fēng)偏荷載用、風(fēng)偏張力用和架線張力用 αL·βc·μz·μsc系數(shù)隨風(fēng)速變化規(guī)律如圖1~圖3所示。

      圖1 風(fēng)偏荷載用αL·βc·μz·μsc隨風(fēng)速的變化規(guī)律

      圖2 風(fēng)偏張力用αL·βc·μz·μsc隨風(fēng)速的變化規(guī)律

      圖3 架線張力用αL·βc·μz·μsc隨風(fēng)速的變化規(guī)律

      由圖1和圖2可以看出,計算不同風(fēng)速下風(fēng)偏荷載和張力時,新舊規(guī)范差值較小,因此,新規(guī)范對不同風(fēng)速下塔頭尺寸設(shè)計的影響較小。此外,舊規(guī)范將風(fēng)壓不均勻度按平均風(fēng)來定義,各系數(shù)乘積隨風(fēng)速的變化存在突變,這種情況很難從理論上做出解釋,而新規(guī)范引入脈動風(fēng)的影響后,解決了這種突變現(xiàn)象。

      由于新規(guī)范在計算架線張力時,脈動折減系數(shù)εc取0,風(fēng)荷載折減系數(shù)γc統(tǒng)一取0.9,因此,αL·βc·μz·μsc系數(shù)不隨風(fēng)速變化,而舊規(guī)范依據(jù)風(fēng)速的不同取值存在差異,如圖3所示。從圖中還可看出,當風(fēng)速大于31.5 m/s時,新舊規(guī)范計算系數(shù)相差15%。

      2.2 αL·βc·μz·μsc隨水平檔距的變化規(guī)律

      以750 kV線路為例,風(fēng)速取27 m/s,平均高取23 m,計算風(fēng)偏荷載用、風(fēng)偏張力用和架線張力用 αL·βc·μz·μsc系數(shù)隨水平檔距變化規(guī)律如圖4~圖6所示。

      圖4 風(fēng)偏荷載用αL·βc·μz·μsc隨水平檔距的變化規(guī)律

      圖5 風(fēng)偏張力用αL·βc·μz·μsc隨水平檔距的變化規(guī)律

      圖6 架線張力用αL·βc·μz·μsc隨水平檔距的變化規(guī)律

      舊規(guī)范中系數(shù) αL、βc、μz和 μsc與水平檔距無關(guān),所以圖4~圖6中舊規(guī)范用系數(shù)隨水平檔距均保持不變。新規(guī)范中僅系數(shù)αL與水平檔距相關(guān),但計算張力時脈動折減系數(shù)εc取0,因此也與水平檔距無關(guān),所以圖5~圖6中新規(guī)范用系數(shù)隨水平檔距也保持不變。

      從圖4可以看出,新舊規(guī)范在計算風(fēng)偏荷載時,存在臨界檔距,當水平檔距小于臨界檔距時,新規(guī)范計算出的風(fēng)偏荷載偏大,當水平檔距大于臨界檔距時,新規(guī)范計算出的風(fēng)偏荷載偏小,這是由于新規(guī)范中檔距相關(guān)性積分因子δL隨水平檔距非線性減小的原因,由此,新規(guī)范對低電壓等級線路搖擺角的影響更大。

      2.3 αL·βc·μz·μsc隨平均高的變化規(guī)律

      以750 kV線路為例,水平檔距取500 m,風(fēng)速取27 m/s,計算風(fēng)偏荷載用、風(fēng)偏張力用和架線張力用 αL·βc·μz·μsc系數(shù)隨平均高變化規(guī)律如圖7~圖9所示。

      圖7 風(fēng)偏荷載用αL·βc·μz·μsc隨平均高的變化規(guī)律

      圖8 風(fēng)偏張力用αL·βc·μz·μsc隨平均高的變化規(guī)律

      圖9 架線張力用αL·βc·μz·μsc隨平均高的變化規(guī)律

      在不同平均高下,新規(guī)范計算系數(shù)基本大于舊規(guī)范,但相差不大,尤其是風(fēng)偏荷載用系數(shù)隨平均高的增加,新舊規(guī)范相差越來越小,并出現(xiàn)倒轉(zhuǎn),所以新規(guī)范對低電壓等級線路搖擺角的影響較大。雖然新規(guī)范將粗糙度系數(shù)在B類地區(qū)由原來的0.16修正為0.15,但其考慮了脈動風(fēng)風(fēng)壓不均勻的影響,計算系數(shù)整體還是大于舊規(guī)范。

      3 新舊規(guī)范對搖擺角、架線張力計算的影響

      3.1 搖擺角計算對比

      運用新舊規(guī)范計算典型220~1 000 kV線路導(dǎo)線懸垂串搖擺角,其中基本風(fēng)區(qū)均取27 m/s,Kv系數(shù)取0.75,各電壓等級下導(dǎo)線型號、代表檔距、水平檔距和平均高均取典型值,計算結(jié)果見表2所列。

      由于舊規(guī)范校驗用α在工程設(shè)計中主要用于排位條件下的風(fēng)偏校驗,并非在塔頭設(shè)計時使用,并且在小檔距時與設(shè)計用α的差別也比較大,考慮到新規(guī)范已有檔距折減系數(shù)αL,因此風(fēng)偏設(shè)計不再考慮風(fēng)偏校驗的因素。

      從表2可以看出,新規(guī)范對500 kV及以下電壓等級線路搖擺角影響較大,其中220 kV線路達到2.65°;對500 kV以上線路搖擺角影響較小,且新規(guī)范計算值基本偏小。因此,新規(guī)范的發(fā)布勢必影響500 kV及以下電壓等級線路桿塔的設(shè)計及典型設(shè)計的運用。該現(xiàn)象可以通過圖4和圖7解釋,由于電壓等級越低,水平檔距和平均高越低,檔距相關(guān)性積分因子δL和湍流強度Iz越大,從而導(dǎo)致風(fēng)偏計算用風(fēng)荷載越大,搖擺角越大。

      表2 新舊規(guī)范搖擺角計算條件

      3.2 張力計算對比

      3.2.1 風(fēng)偏張力計算對比

      以220 kV、750 kV線路為例,計算大風(fēng)控(40 m/s)和非大風(fēng)控(27 m/s)下新舊規(guī)范風(fēng)偏張力差值百分比如圖10~圖11所示,其他計算參數(shù)同3.1節(jié)。

      圖10 220 kV線路風(fēng)偏計算用張力對比

      圖11 750 kV線路風(fēng)偏計算用張力對比

      通過圖10、圖11可以看出,在非大風(fēng)控制下,新舊規(guī)范風(fēng)偏張力計算值差值在2%以內(nèi),對線路塔頭尺寸的設(shè)計影響不大。當張力控制工況為大風(fēng)時,新規(guī)范計算值比舊規(guī)范計算值小約12%,以直線帶3°角為例,計算220 kV及750 kV線路搖擺角見表3所列。

      表3 直線帶角度下新舊規(guī)范搖擺角計算對比

      220 kV線路在大風(fēng)控下,新規(guī)范風(fēng)偏張力計算值偏小,但在不帶角度時搖擺角計算值偏大,綜合影響下,新舊規(guī)范在帶角度直線塔搖擺角的計算上相差不大。750 kV線路不考慮縱向力時,新舊規(guī)范計算值相差不大,考慮縱向力后,由于新規(guī)范張力計算值偏小約12%,其計算搖擺角減小約1°。

      3.2.2 架線張力計算對比

      以220 kV、750 kV線路為例,計算大風(fēng)控(40 m/s)和非大風(fēng)控(27 m/s)下新舊規(guī)范架線張力差值百分比如圖12~圖13所示,其他計算參數(shù)同3.1節(jié)。

      圖12 220 kV線路架線用張力對比

      圖13 750 kV線路架線用張力對比

      通過圖12、圖13可以看出,在非大風(fēng)控制下,新舊規(guī)范非大風(fēng)工況架線張力計算值差值在0.5%以內(nèi),對線路定位弧垂無影響。在大風(fēng)控制下,新舊規(guī)范非大風(fēng)工況架線張力計算值差值百分比約為12%,勢必影響線路定位弧垂。以大風(fēng)控為例,計算220 kV及750 kV線路定位弧垂見表4所列。

      表4 新舊規(guī)范定位弧垂計算對比

      表4中750 kV線路400 m以下代表檔距張力控制工況非大風(fēng)工況。由表4可以看出,在大風(fēng)控制下,新規(guī)范定位弧垂均較舊規(guī)范偏大,其中220 kV線路在400 m代表檔距下弧垂差值達到近2 m,750 kV線路在500 m代表檔距下弧垂差值近2.5 m,新規(guī)范對大風(fēng)區(qū)線路架線影響較大,需重點關(guān)注其弧垂的變化,避免交跨間距的不足。

      4 結(jié)論

      1)在風(fēng)荷載計算公式上,新、舊規(guī)范在風(fēng)偏荷載和架線張力計算中對風(fēng)荷載不均勻度、風(fēng)壓高度變化、體型系數(shù)的表征方法存在差異,綜合各差異系數(shù),其受風(fēng)速的影響較小,主要受水平檔距和平均高的影響。其中計算風(fēng)偏荷載時的綜合系數(shù)隨水平檔距變化時,存在臨界檔距,當水平檔距小于臨界檔距時,新規(guī)范計算出的風(fēng)偏荷載偏大,當水平檔距大于臨界檔距時,新規(guī)范計算出的風(fēng)偏荷載偏小。

      2)新規(guī)范對500 kV及以下電壓等級線路搖擺角影響較大,對500 kV以上線路搖擺角影響較小。

      3)在非大風(fēng)控制下,新舊規(guī)范風(fēng)偏張力計算差值較小,對線路塔頭尺寸的設(shè)計影響不大。在大風(fēng)控制下,新規(guī)范計算值比舊規(guī)范計算值偏小。

      4)在非大風(fēng)控制下,新舊規(guī)范非大風(fēng)工況架線張力計算差值在0.5%以內(nèi),對線路定位弧垂無影響。在40 m/s大風(fēng)控制下,新舊規(guī)范非大風(fēng)工況架線張力計算值差值百分比約為12%,使得220 kV線路在400 m代表檔距下,定位弧垂增加約2 m,750 kV線路在500 m代表檔距下,定位弧垂增加約2.5 m,新規(guī)范對大風(fēng)區(qū)線路架線影響較大。

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