輸電線路風(fēng)壓不均勻系數(shù)的確定

輸電線路風(fēng)壓不均勻系數(shù)的確定

我國現(xiàn)行輸電線設(shè)計(jì)規(guī)范。國外輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范通常引入檔距折減系數(shù)來對(duì)導(dǎo)線的風(fēng)荷載進(jìn)行折減。文獻(xiàn)在風(fēng)壓不均勻系數(shù)的取值研究中，部分學(xué)者直接將其與檔距折減系數(shù)進(jìn)行數(shù)值上的比較，但實(shí)際上風(fēng)壓不均勻系數(shù)和檔距折減系數(shù)是截然不同的2個(gè)概念。本文明確了風(fēng)壓不均勻系數(shù)檔距折減系數(shù)的概念和本質(zhì)差異，從導(dǎo)線風(fēng)荷載等效的角度出發(fā)，建立了基于中國輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范的等效檔距折減系數(shù)表達(dá)式，與不同國家輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范檔距折減系數(shù)的取值進(jìn)行了比較，并據(jù)此指出了中國現(xiàn)有輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范取值的不足。針對(duì)某1000kV特高壓線路的風(fēng)偏閃絡(luò)事故，首先以GLE（陣風(fēng)荷載包絡(luò)線）方法確定了風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)的取值；其次以非線性有限元風(fēng)偏響應(yīng)計(jì)算建立了風(fēng)偏角與風(fēng)壓不均勻系數(shù)的關(guān)系，并對(duì)事故進(jìn)行了反演；最后給出了平坦地貌下風(fēng)壓不均勻系數(shù)的建議取值。1風(fēng)壓不均勻系數(shù)我國輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范采用下式計(jì)算導(dǎo)線風(fēng)荷載F式中：輸電線路由于跨度大，在雷暴風(fēng)作用下或處于山區(qū)丘陵等粗糙度不均勻的地貌中，平均風(fēng)速在沿線路方向存在不均勻性，即風(fēng)速存在水平向梯度。因此，可以認(rèn)為式（1）中引入的風(fēng)壓不均勻系數(shù)α和風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)β因此風(fēng)壓不均勻系數(shù)α可以定義為：式中：i為導(dǎo)線質(zhì)點(diǎn)序列；N為導(dǎo)線質(zhì)點(diǎn)總數(shù)；由式（1）可知，平均風(fēng)速的時(shí)距為10min時(shí)，中國規(guī)范引入了α和β若基于3s陣風(fēng)風(fēng)速計(jì)算導(dǎo)線上的風(fēng)荷載，需引入文獻(xiàn)式中：最新的美國ASCE規(guī)范和英國BS規(guī)范均采用式（4）的形式來計(jì)算導(dǎo)線風(fēng)荷載的。美國ASCE規(guī)范早期以10min平均風(fēng)速作為基準(zhǔn)，并采用陣風(fēng)響應(yīng)系數(shù)G通過比較2種導(dǎo)線風(fēng)荷載的計(jì)算方法可以發(fā)現(xiàn)，中國現(xiàn)行輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范明確采用了風(fēng)壓不均勻系數(shù)α來考慮平均風(fēng)速沿線路的不均勻性，在概念上更為完整，只是風(fēng)壓不均勻系數(shù)α的取值飽受爭(zhēng)議。檔距折減系數(shù)計(jì)算理論均假定平均風(fēng)速在空間域內(nèi)是均勻的，即默認(rèn)了α=1.0，只計(jì)入了脈動(dòng)風(fēng)速和空間相關(guān)性的影響。就風(fēng)壓不均勻系數(shù)和檔距折減系數(shù)本身而言，前者衡量的是平均風(fēng)速的不均勻性，適用于以10min平均風(fēng)速為基準(zhǔn)的導(dǎo)線風(fēng)荷載計(jì)算；而后者適用于以3s陣風(fēng)風(fēng)速為基準(zhǔn)的導(dǎo)線風(fēng)荷載計(jì)算。因此，風(fēng)壓不均勻系數(shù)與檔距折減系數(shù)無論在概念上還是在運(yùn)用上都有本質(zhì)的區(qū)別，直接將兩者等同或直接在數(shù)值上進(jìn)行比較顯然是錯(cuò)誤的為找出中國規(guī)范計(jì)算公式與其他國家規(guī)范計(jì)算公式在風(fēng)荷載取值上的區(qū)別，對(duì)式（1）做如下改寫：式中：K對(duì)比式（4）、式（5），易得中國規(guī)范的等效檔距折減系數(shù)η該等效檔距折減系數(shù)η2等效檔距折減系數(shù)目前，不同國家的輸電線路抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范分別采用不同的風(fēng)荷載計(jì)算方法，參數(shù)取值也各有差別。本節(jié)對(duì)美國ASCE規(guī)范、英國BS規(guī)范、日本JEC規(guī)范、國際電工協(xié)會(huì)IEC通用標(biāo)準(zhǔn)和中國GB規(guī)范GB50665在（等效）檔距折減系數(shù)取值方面進(jìn)行比較，并研究各國規(guī)范關(guān)于輸電線路風(fēng)荷載取值的差異。由第1節(jié)可知，美國ASCE規(guī)范、英國BS規(guī)范和日本JEC規(guī)范提供了檔距折減系數(shù)的表達(dá)式。國際電工協(xié)會(huì)通用標(biāo)準(zhǔn)IEC60828的基本風(fēng)速時(shí)距為10min，需要采用與式（5）類似的方法計(jì)算其等效檔距折減系數(shù)。該規(guī)范以G中國規(guī)范GB50665的基本風(fēng)速時(shí)距為10min，其基于3s陣風(fēng)風(fēng)速的等效檔距折減系數(shù)如式（5）所示。GB50665規(guī)定，在計(jì)算桿塔荷載時(shí)，風(fēng)壓不均勻系數(shù)α按風(fēng)速幅值大小取值為0.7～1.0，風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)β圖1給出了中國規(guī)范等效檔距折減系數(shù)η3基于風(fēng)偏事故反演的風(fēng)偏響應(yīng)計(jì)算風(fēng)偏是輸電導(dǎo)線在風(fēng)荷載作用下偏離其垂直位置的現(xiàn)象，嚴(yán)重的風(fēng)偏會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)線與桿塔之間間隙小于安全間隙從而引起閃絡(luò)事故。文獻(xiàn)本節(jié)基于平坦地貌上某1000kV特高壓輸電線路的實(shí)際風(fēng)偏閃絡(luò)事故，以非線性有限元計(jì)算得到了風(fēng)壓不均勻系數(shù)α與動(dòng)態(tài)風(fēng)偏角φ之間的關(guān)系，并根據(jù)線路發(fā)生閃絡(luò)事故的風(fēng)偏角閾值反演了平坦地貌下風(fēng)壓不均勻系數(shù)α的取值。2011年6月9日14:44，某1000kV特高壓線路跳閘，巡視人員登塔檢查發(fā)現(xiàn)N6塔A相導(dǎo)線及對(duì)應(yīng)塔身上有放電痕跡，據(jù)此判斷為導(dǎo)線及絕緣子串在大風(fēng)作用下發(fā)生風(fēng)偏，造成導(dǎo)線與塔身最小空氣間隙不能滿足運(yùn)行要求而引起的空氣擊穿，從而造成線路跳閘。以N6事故塔為中心，選取該線路N4—N8區(qū)段進(jìn)行精細(xì)化建模，計(jì)算其風(fēng)偏響應(yīng)。研究區(qū)段的幾何模型如圖2所示。導(dǎo)線和絕緣子串的型號(hào)及物理參數(shù)見表3、表4，其中八分裂導(dǎo)線的阻力系數(shù)由節(jié)段模型的風(fēng)洞試驗(yàn)得到首先采用文獻(xiàn)由圖3、圖4可知，該風(fēng)偏事故發(fā)生時(shí)必有N6事故塔的絕緣子串風(fēng)偏角φ≥56°，即α≥0.99。因此該事故表明在平坦地貌下風(fēng)壓不均勻系數(shù)接近1.0。4風(fēng)壓不均勻系數(shù)本文闡述了風(fēng)壓不均勻系數(shù)與檔距折減系數(shù)的本質(zhì)區(qū)別，建立了基于中國輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范的等效檔距折減系數(shù)表達(dá)式，比較了不同國家的輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范的（等效）檔距折減系數(shù)取值方法，基于平坦地貌下某1000kV特高壓線路的風(fēng)偏閃絡(luò)事故，計(jì)算了風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)的取值，并在此基礎(chǔ)上對(duì)2起風(fēng)偏事故進(jìn)行了反演，給出了風(fēng)壓不均勻系數(shù)的建議取值，主要結(jié)論如下：(1）風(fēng)壓不均勻系數(shù)是中國規(guī)范特有的一個(gè)系數(shù)，用于考慮平均風(fēng)壓沿導(dǎo)線方向的不均勻性，即平均風(fēng)速的水平向梯度；檔距折減系數(shù)是在認(rèn)為平均風(fēng)速沿導(dǎo)線均勻一致的基礎(chǔ)上，只考慮了導(dǎo)線上各點(diǎn)的陣風(fēng)風(fēng)速在同一時(shí)刻的非同步性，兩者無論在概念上還是在運(yùn)用上都有本質(zhì)的區(qū)別，不能等同。(2）基于荷載等效的原則提出了等效檔距折減系數(shù)，依據(jù)中國規(guī)范計(jì)算得到的等效檔距折減系數(shù)小于國外規(guī)范。這跟中國規(guī)范中風(fēng)壓不均勻系數(shù)和風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)的取值不合理有關(guān)。(3）平坦地貌下的風(fēng)偏事故反演結(jié)果表明，