基于《架空输电线路荷载规范》(DL/T 5551一2018）的输电铁塔水平档距折算方法分析

引言

在输电线路铁塔规划设计过程中,一般情况下不论悬垂直线塔还是耐张塔,一个塔型仅规划一个水平档距,即以最高呼高塔型的水平档距来控制整个塔型的风荷载,这对于最高呼高塔的受力来说是合理的。但对于低呼高塔,因其线条高度低,风压高度变化系数小,其实际线条风荷载较高呼高塔小,铁塔计算时仍以高呼高塔线条荷载作为计算条件,显然是浪费且不合理的。同时,对于山区线路,设计人员会经常面对耐张塔规划档距远小于实际设计条件的情况,在不重新设计铁塔的前提下,如何根据已有铁塔的受力特点,通过水平档距折算增大耐张塔的设计档距,提高铁塔利用率,即本文需要解决的问题。

1直线塔水平档距折算分析

1.1直线塔水平档距折算原则

目前已开展过直线塔水平档距折算的相关研究,但上述研究成果的风荷载计算均是基于《220kV～750kV架空输电线路设计规范》(GB50545—2010）。而新实施的《架空输电线路荷载规范》DL/T5552—2018）中,线条风荷载计算原理较老规范差异较大,文献研究认为采用新规范后220kV及以下电压等级线条风荷载将有大幅增加,因此有必要以新规范为基础对直线塔水平档距折算方法进行重新论证。

在垂直档距已定的前提下,水平档距主要影响直线塔的水平荷载。常规做法是同一个塔型所有呼高均采用一种水平档距,实际排杆定位时一旦超过规划档距,需更换水平档距更大的塔型,但在超过规划档距不多的情况下,冒然更换设计条件更大的塔型,必定导致铁塔利用率降低,间接增加工程投资。因此根据线条风荷载的计算原理,直线塔规划时应按"塔高每降低一定高度,杆塔水平档距相应增大一定百分比"的设计方法进行线条荷载计算,直线塔在一定呼称高范围内,最小水平档距值对应最高的呼称高,水平档距随着呼称高的降低而变大,最终保证同一直线塔型的不同呼称高的铁塔总体受力接近,以达到提高直线塔利用率的目的,保证铁塔设计的安全性和经济性。

1.2直线塔水平档距折算应用分析

根据《架空输电线路荷载规范》(DL/T5551—2018）6.1.1条规定,导地线风荷载标准值应按下列公式计算:

式中:W_x为垂直于导线及地线方向的风荷载标准值:β_e为导地线阵风系数:α_L为档距折减系数:W₀为基准风压:μ_z为风压高度变化系数:μse为导线或地线的体型系数:d为导线或地线的外径:L_P为杆塔规划水平档距:B₁为导地线覆冰风荷载增大系数:θ为风向角:γe为导地线风荷载折减系数:g为峰值因子:I_Z为导线平均高Z处的湍流强度:I₁₀为10m高度名义湍流强度:z为导线、地线平均高度:α为地面粗糙度指数:ε_e为导地线风荷载脉动折减系数:δL为档距相关性积分因子:L_x为水平向相关函数的积分长度:V₀为基本风速。

由于水平档距仅影响线条风荷载,与塔身风荷载是相互独立的,因此文中不考虑塔身风荷载对水平档距折算的影响。从式(1）可以看出,导地线风荷载计算时仅β_e、α_L、μ_z三个参数与导线计算高度有关,其余参数与导线计算高度无直接关系,可得出直线塔水平档距折算的基本公式:

则:

由于等式8）中β_e、μ_z、α_L均由线条平均高度控制,因折算结果会导致铁塔使用档距的变化,进而影响导地线大风工况的弧垂,最终导致铁塔每个呼高的平均高度均不同,所以铁塔设计时为简化计算,提高设计效率及保证安全,比计算呼高小的塔型直接按计算呼高的平均高度进行计算,而比计算呼高大的塔型可不考虑弧垂对其平均高度的影响。以2D1Z5-ZM2塔型为例,该塔型计算呼高为36m,设计水平档距为550m,根据上述计算原则,不同呼高计算水平档距如表2所示。

从表2可以看出,呼高每降低或增加3m,铁塔实际使用水平档距可增加或减少2.0%～3.5%,特别是对于呼高较多的塔型,该折算方法能大大增加铁塔的设计档距,对节约工程投资有较大意义。

2耐张塔水平档距折算分析

2.1耐张塔水平档距折算原则

对于输电线路耐张塔,由线条引起横向荷载主要由线条风荷载和线条张力在水平方向上的分量（角度荷载）两部分组成。由于耐张塔线条风荷载占铁塔总的水平荷载比例较小,通常铁塔设计时耐张塔规划水平档距较直线塔小得多。在山区输电线路设计时,线路经常会跨越山谷,这就导致很多耐张塔规划档距不能满足现场使用条件,若重新规划铁塔,不仅计算工作量大,且影响工期。因此,为提高设计效率,铁塔实际使用时可在保证不超整体横向荷载的前提下,根据角度荷载与线条风荷载的力学计算关系,利用转角度数余量来折算水平档距,以增大耐张塔的设计档距。

根据图1所示,耐张塔角度荷载可按下式计算:

式中:7为线条在大风工况下使用张力:α为线路转角的一半。

根据折算原则,即减小的角度力等于增大的线条水平风荷载,将式（1）和式（9）组成等式如下:

设计过程中为保证安全,仅考虑90o大风工况下的档距折算,应注意折算时式（10）档距增加量与线路转角并不是呈线性关系,设计过程中需经过精确计算以保证工程安全。

2.2耐张塔水平档距折算应用分析

某220kV架空输电线路路径长度为25km,设计覆冰厚度10mm,导线采用JL/LB2A-285/30铝包钢芯铝绞线。线路路径范围内均为一般山地和高大山岭,选线过程中需

多次跨越山谷,导致部分耐张塔水平档距超过原设计条件。根据上述计算原则,对角度余量进行水平档距折算,如表2所示,增大了铁塔实际设计使用档距,保证了项目的顺利实施。工程建成至今运行良好,取得了良好的经济效益。

3结论及建议

（1）在特定条件下,不论直线塔还是耐张塔,均可根据相应的力学计算原理对其设计水平档距进行折算,以达到增大铁塔设计档距和节约工程投资的目的。

（2）档距折算后,由于铁塔实际使用水平档距增大,必然影响塔头电气间隙,因此应注意塔头电气间隙的校验。

（3）线条风荷载是以导地线平均高度作为计算条件,而不是铁塔呼高,导地线风荷载计算时应予以注意。

（4）为保证安全,在设计每个直线塔型时,对不同呼称高对应一定的水平档距值都应进行外负荷计算和结构计算。

（5）耐张塔档距折算时应注意折算水平档距与线路转角之间并不是线性关系,设计过程中需经过精确计算,以保证工程安全。