大跨越架空线覆冰风荷载计算方法研究摘要: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 windLi Ke1, Chen Nan2, Xiang Ze3, Li Gang1(1. State Grid Electric Power Company Hunan Yueyang Power Company,4140002. Skills Training Center Of State Grid Sichuan Electric PowerCompany, Chengdu, 6111333. 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 spanoverhead 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）；W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0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fc3 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气象情况气温(℃)风速(m/s)覆冰(mm)覆冰-510导线 10地线 10冰的密度(g/cm3)0.9（7）AACSR-500导线有关参数表3-2 AACSR-500导线有关参数名称符号数值单位弹性系数E108070MPa线膨胀系数α0.00001621/℃单位长度重量W3219kg/km 外径d35.1mm 计算截面A729mm2拉断力Tp475000N设计安全系数F 2.5平均运行张力C≤20%Tp N重力加速度g9.80665m/s2（8）导线的设计数据表3-3导线气象条件气象情况温度(℃)风速(m/s)冰厚(mm)覆冰-51010覆冰(验算)-510103.2 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项目数据0.043300.017150.041920.060460.08522项目数据0.003310.007920.030510.005670.09112备注项目数据0.043430.044020.052970.060720.124763.3 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气象情况第一档第二档第三档覆冰2137.6414087.082137.64覆冰（验2137.6414087.082137.64算）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气象情况第一档第二档第三档覆冰2039.4813865.762039.48覆冰（验2039.4813865.762039.48算）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气象情况第一档第二档第三档覆冰（有限元法）2137.6414087.082137.64覆冰（平均高速法）2039.4813865.762039.48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。
参考文献1.汪大海，李杰．基于动张力均方根反应谱的大跨越输电线路设计风荷载计算方法[J]．振动与冲击，2012，31(9):83-89．2.郭惠勇，李正良．大跨越高压输电塔线体系风致振动的研究与进展[J]．河海大学学报，2008，36(1):107-111．3.卢文生，陈亦．大跨越输电线体系风荷载模拟[J]．特种结构，2004，21(3):12-14．4.张盈哲，廖宗高，谢强．输电线路设计规范中风荷载计算方法的比较[J]．电力建设，2013，34(7):57-62．5.李喜来．架空送电线路风荷载的探讨[J]．电力建设,34-46．6.曾德森，徐彬，覃伟平，舒爱强．中印输电线路规范风荷载比较[J]．电网与清洁能源，2012，28(7):7-12．7.王振华，金晓华．中国与美国输电塔风荷载技术标准比较与分析[J]．电力建设，2012，33(8):53-57．8.朱天浩，徐建国，叶尹，胡吉磊，邢月龙，张浙杭．输电线路特大跨越设计中的关键技术[J]．电力建设，2010，31(4):25-31．9.陈祥和，刘在国，肖琦主编，输电杆塔及基础设计[M]，北京：中国电力出版社，2008．10.郑江，林苗．架空线、索、管的特殊风荷载设计方法[J]．广西电力工程，1997，4:14-16．11.孔伟，李华，薛庆莲．大跨越输电塔风荷载计算的探讨[J]．四川建材，2010，36 (155):36-39．12.曹化锦，李黎，陈元坤，夏正春．架空输电线的找形及舞动分析[J]．华中科技大学学报，2011，39(1):103-105．13.孙德新．“耐—直—耐”跨越方式下导线弛度控制及地面划印割线计算[J]．电力建设，2011，32(6):108-111．14.肖正直，李正良，汪之松，晏致涛，韩枫．1000kV汉江大跨越塔线体系风洞实验与风振响应分析[J]．中国电机工程学报，2009，29(34):84-89．15.安旭文，王昊深，侯建国．国内外输电线路设计规范风荷载取值标准的比较[J]．武汉大学学报（工学版），2011，44(6):741-762．16.李翔，赵全江，刘文勋，高选，郑永平．1000kV特高压交流大跨越线路设计[J]．高电压技术，2010，36(1):265-269．17.黄敬尧，杨爽，郭昊，李维维．基于层次分析法的带电跨越方式选择．2013，34(5):106-109．作者简介：陈楠（1987-），男，国网四川省电力公司技能培训中心。
