探讨输电线路杆塔结构风荷载分析

淮北万里电力规划设计院有限公司 周 坤

1 风荷载对输电线路杆塔的影响

1.1 风的速度方向会对杆塔结构产生影响

风作用于输电线路杆塔导致发生荷载变化，且通常情况下风速与输电线路杆塔变形或振动剧烈程度呈正相关关系。较高风速情况会导致高柔性的输电线路结构中导线位置偏离，导致其余杆塔之间距离发生变化，由于风速的不规律性引发导线不规则运动。风速较低时，风力作用于输电线路杆塔会使杆塔结构中的导线受到冲击，原因是低速风力形成频率不定的涡流，对导线产生影响，在风速与导线频率一致时引发共振现象。当作用于输电线路杆塔的风速高于20m/s时输电线路出现自激振动，振幅过高引发输电线路舞动，影响电网安全。风的方向对输电线路杆塔的影响主要在于风向不同导致风与导线轴线夹角变化，影响输电线路舞动情况。

输电线路导线轴线与风之间夹角大小与输电线路舞动幅度对应关系如下：45～90°稳定振动、30～45°振动稳定性低、＜20°不会振动，可知风与导线轴线间的夹角与导线振动幅度呈正相关关系，因此当风与导线轴线夹角为零、互相平行时导线稳定性最好，对输电线路杆塔结构的影响最小。输电线路舞动不仅会对线路本身造成破坏，还可能会导致杆塔倒塌事故发生，带来断电等后续不良影响，阻碍输电线路正常运行。

1.2 风荷载作用对杆塔刚度产生影响

输电线路杆塔设计时不仅要考虑到理想状态下风荷载作用对杆塔结构的影响，还要考虑到极端天气，如风暴情况对输电线路杆塔的影响。风荷载对输电线路杆塔在垂直方向、横向水平方向及纵向水平方向均有作用，输电线路杆塔会在外力作用下发生动力反应，风力作用会导致杆塔结构发生低幅度位移变化，通常情况下对输电线路正常运行影响不大。一旦风力过大会导致输电线路杆塔结构的加速度发生变化，如风暴情况下输电线路杆塔结构加速度显著变大，输电线路舞动导致线路和杆塔结构受到不同程度的损坏。因此需安装一定装置或进行结构优化设计实现杆塔刚度提升，降低风力变化对输电线路杆塔结构稳定性和安全性的负面影响。

2 输电线路杆塔结构的风荷载计算分析

2.1 最大风的时距计算

不同计算方法对于输电线路杆塔结构性质影响不同。输电线路杆塔最大风的时距计算方法主要包括采用瞬间风速或采用平均风速。不同国家地区按照电气安全相关规定选择最大风的时距计算方法。一些国家在进行输电线路杆塔结构的最大风的时距计算时采用平均风速法，利用风速计测算2s、5s或10s内平均最大风速进行风的时距计算。

输电线路杆塔地区的最大风速统计值计算需将风速进行同一高度等效值换算，其变换公示为vi=v(hi/h)α，其中hi为输电线路风速的基准高度，vi为对应最大风速统计值，α为风压高度变换系数，此处取0.16。利用基本风压分布图计算重现期最大风速值公式为采用极值I型分布函数作为模型应用，带入输电线路规定的重现期，获得最大风速值。该公式中=Σvi/n，为历年来最大风速平均值，T为重现期。

2.2 风荷载作用下杆塔结构可靠性测算

基于风荷载作用的输电线路杆塔结构可靠性测算一般包括干涉面积法、蒙特卡洛法、JC法。其中JC法的实用性更强、应用范围更广泛，蒙特卡洛法的成本更高、可靠性更好，干涉面积法相对而言准确性不高、限制条件过多。在对输电线路进行可靠性测算时，可变荷载效应与总荷载效应间的比值严重影响输电线路杆塔结构可靠程度。我国在1994年将调整系数β纳入到风荷载计算考虑因素中去，线条风荷载效应占总可变荷载变量的50～75%左右，杆塔结构的可靠性与线条风荷载值呈正相关关系。在将调整系数纳入到可靠性考虑因素之后，对应总可变荷载值是原来的1～1.15倍。

在对微地形区域的输电线路杆塔结构风荷载进行计算时，要考虑到地形特点对于风荷载变化的影响，风荷载计算公式一般为Gh=1×LPh/2，当输电线路沿线风速为变化值时其风荷载计算公式为Gn=1/2∫LPhdl=1/2(∫L1Ph1dl+∫L2Ph2dl+…+∫LnPhndl)，当输电线路沿线风速为固定不变值时其计算公式为Gn=1/2(Ph1L1+Ph2L2+…+PhnLn)，其中L代表输电线长度，P代表输电线高度下单位水平风荷载。以美国输电线路风荷载计算为例，按照其输电线路荷载规范要求，其输电线路杆塔的设计风荷载计算公式为F=γwQKzKzt(V)2GtGfA，此风荷载计算依据ASCE74-2009，相较于ASCE74-1991在计算方法和考虑因素上有明显变化。

以我国山丘地形为例探究输电线路杆塔的风荷载计算。如图1所示，山丘地形的输电线路杆塔计算要注意分为平地段和坡段，平底段的风荷载计算公示为Gh=1×LPh/2，测算应用的是高度为hp1处的最大平均风速。对于坡段的风荷载计算要注意风速存在变化情况，其风压变化呈现出抛物线特征，在进行计算式要结合山脚风压和山顶风压按比重进行结合计算。

图1 山丘输电线路杆塔风荷载

对于在垭口地形处的输电线路杆塔风荷载计算，要以山丘处输电线路杆塔风荷载计算作为参考。如图2，垭口处输电线路杆塔计算分为三部分，相较于山丘输电线路杆塔风荷载计算多了一个上山坡段。平底段风荷载计算公式为Gh=1×LPh/2，上山端风速与平底段风速相比呈现行增大，其风荷载计算方式与山丘处杆塔风荷载计算方式一致，要结合山脚、山顶风压进行综合计算。

图2 垭口输电线路杆塔风荷载

2.3 杆塔结构风压计算

输电线路杆塔结构的风压高度变化系数和风向变化系数与输电线路杆塔建设区域地貌和杆塔高度有关。对于输电线路杆塔建设区域比较平坦或稍有起伏的，风压高度变化系数一般按照地面粗糙度类别进行选择。按照相关表格查取对应粗糙度类别的风压变化系数，从而进行输电线路杆塔的导线风压计算。按照2006年版本的《建筑物结构荷载规范》中的规定，μZA=1.379(z/10)0.24，μZB=1.000(z/10)0.32，μZC=0.616(z/10)0.44，μZD=0.318(z/10)0.60，其中Z为对地高度。

输电线路杆塔风向变化系数与风向与输电线路角度有关。风向和输电线路正交时，要将作用于线路的风压与线路体型系数进行相乘，设定风与输电线路之间的角度为θ，根据测试发现只能生成正交方向的风压力，此时风压变化系数为风向与输电线路正交时的sin2θ，θ取值按0°、45°、60°、90°进行计算[1]。

2.4 荷载系数

输电线路杆塔的荷载系数按照相关规定通过调整风速重现期获得，常用于调整输电线路安全等级，一般将杆塔结构重要性系数与设计风荷载的分项系数进行相乘，结果作为荷载系数。我国不同电压线路的最小基本风速不同：500kV线路10m高处基本风速26.85m/s，110～300kV路10m高处基本风速23.4m/s。根据最小基本风速要求，对于基本风速不超过25m/s的区域，其设计风速安全等级较高。

2.5 体型系数

输电线路杆塔的体型系数主要包括输电线路塔架风荷载体型系数与导线、地线体型系数。其中输电线路塔架风荷载体型系数主要与杆塔的型号有关，杆塔的高宽比，杆塔建设区域环境以及杆塔本身的填充情况都影响着杆塔结构荷载体型系数的大小，通过对国际国内风荷载相关规范进行观察发现，杆塔填充率与其风荷载体型系数成负相关关系。而输电线路杆塔的导线、地线体型系数与线径大小有关：线径＜17mm、体型系数1.2，反之为1.1。当存在覆冰情况时，则不论线径范围体型系数为1.2。

对我国输电导线线径进行观察发现其线径一般在17mm以上，且根据IEC相关规定要求，对于没有直接测量值和风动实验结果的导线风荷载体型系数按1.1进行计算，因此我国输电线路杆塔的导线、地线风荷载体型系数值为1.1。在ASCE74和JEC127相关规定记载中，体型系数还与雷诺灵敏变化情况有关。

2.6 风荷载的比较分析

在对基于风荷载的输电线路杆塔进行设计时，一般通过比较进行设计标准判断：一是比较风载荷。因输电线路杆塔受到风的作用是无规律的，其在对不同风的时距和概率进行转换时，选取的风力样本是不同的；二是对风压弯矩比的判断。风压弯矩比与输电线路的填充率有关，在进行风荷载计算分析时，假设输电线路风压对地面弯矩比占总弯矩的60%，此时杆塔风压力对表面弯矩比占总弯矩的40%，输电线路杆塔填充率为0.2；三是对不同情况下风荷载计算分析结果进行比较。在进行风荷载比较分析时要注意对大风时距进行换算，要将输电线路的杆塔容许应力和杆塔的荷载系数纳入到比较分析考虑因素中去[2]。

3 基于风荷载的输电线路杆塔结构优化措施

基于风荷载的输电线路杆塔结构优化要以国家输变电网工程关于输电线路杆塔结构设计相关技术规定作为基础，以提高杆塔结构稳定性、提高杆塔结构风荷载能力作为优化目的进行结构设计。

3.1 杆塔塔头优化

一是要根据输电线路杆塔建设区域风力特点和区域经济条件进行杆塔型号选择。输电线路杆塔单回路式塔头一般包括上字型、鸟骨型、猫头型、干字型、酒杯型、门型等等其中酒杯型、门型区别于其他塔头型式，其导线呈水平排列，优势在于杆塔高度低，导线舞动时碰线概率降低、防雷性好。其余塔头导线呈三角形排列，优势在于电气对称性好、结构简单、重点较轻，可节约建筑成本[3]。风荷载作为可变荷载对杆塔起作用，可将其分解为垂直荷载、横向水平荷载和纵向水平荷载。在进行塔头优化设计时，要根据区位特点和建设需求进行结构优化，保证输电线路杆塔塔头设计可提升杆塔抗风效果。

二是要考虑杆塔塔头坡度与杆塔其他结构部件的匹配程度。在进行杆塔塔头优化设计时，要保证塔头、塔身、横担的协调性，保证输电线路杆塔塔头结构刚度符合杆塔结构设计要求，增强输电线路杆塔结构对风力变动引发的结构位移和刚度变动的应对能力。

3.2 杆塔塔身优化

一是杆塔塔身坡度的优化。塔身坡度设计影响输电线路杆塔基础作用力和结构设计，在进行输电线路杆塔塔身优化设计时要计算杆塔最轻重量的最佳根开，可通过减少杆塔重量降低杆塔耗材实现输电线路杆塔成本控制[4]。如：110kV的输电线路选择直线塔作为杆塔结构，在设计时要注意塔身上口的大小和探身坡度，要减少输电线路杆塔的建材消耗和塔身重量，减少输电线路杆塔基础范围。

二是优化塔身构造横隔面设置。通过合理设计输电线路杆塔塔身横隔面，抑制风力对杆塔结构的动力效应，控制局部振动幅度和振动出现时间，实现基于风荷载的输电线路杆塔结构优化设计；三是降低输电线路杆塔塔高，优化杆塔导线布置，实现杆塔结构风荷载调整系数变动，实现输电线路杆塔抗风能力增强。以双回直线塔与双回紧凑型塔对比为例，通过对双回直线塔导线布置进行紧凑调整，其调整后结构表现为双回紧凑型塔，通过导线调整实现塔高减小，由原来的71.3m下降至50m，实现风压降低，杆塔结构可靠性和稳定性增强。

4 结语

随着电力系统不断发展完善，对输电线路杆塔结构的设计要求越来越高，相关建设单位要关注风荷载对于输电线路杆塔结构稳定性的影响，探究风荷载对杆塔结构的影响方面和影响路径，加强对杆塔结构风荷载的分析研究，实现输电线路杆塔结构的优化升级，促进我国电力事业正常运行发展，为构建安全稳定的电力系统打下坚实基础。