摘要：台风对所登陆地区电网安全运行带来巨大挑战，为满足深圳市对电网运行可靠度不断提高的要求，通过对比不同时期采用不同标准设计建设的线路杆塔风荷载进行对比，利用前人经验，对某110kV线路杆塔进行防风安全评估，为后续工程提供参考。
1引言
近年来，随着深圳市经济建设发展，为满足城市建设用地和城市美观要求，已开展部分架空线路下地工作，但仍然存在为数不少的架空输电线路，受温室效应影响，极端天气的日趋频繁，台风灾害给深圳及周边电网造成极大威胁。如2014年“威马逊”、2015年“彩虹”、2017年“天鸽”、2018年“山竹”等台风均对所登陆地区电网造成重大损失。
深圳市作为我国东南沿海地区发展的龙头，高科技企业不断涌现，用电需求不断提高，对电网运行可靠性提出了更高的要求。依据南方电网公司的工作要求，为提高深圳电网的运行可靠度，应对台风灾害潜在危险，避免“天鸽风灾”类似事故发生，有必要对深圳电网架空线路的防风能力进行安全评估。
自从改革开放三十多年来我国输电线路行业的设计标准也经历了多次修编。从《架空送电线路设计技术规程》（SDJ3-79）、《110～500kV架空送电线路设计技术规程》（DL/T 5092-1999）、《110kV～750kV架空输电线路设计规范》（GB 50545-2010）到架空输电线路荷载规范（DL/T 5551-2018）。由于输电线路的建设年代不一，采取的设计标准也不一样，使得现有的线路存在防风能力不一致的情况，越早建设的线路，防风能力普遍越低。
为此，本文针对不同时期建设的架空输电线路，通过对比其设计规范的变化，对杆塔防风能力进行评估。
2不同设计规范风荷载对比
为方便比较，本文统一以220kV普通线路工程杆塔，全高不超过60m杆塔，常见B类地形为研究对象。在线路设计中，风荷载与抗风能力的关联最为直接。深圳电网220kV架空输电线路建设采用的主要规范风荷载计算对比如下：
2.1《架空送电线路设计技术规程》（SDJ3-79）
钢结构采用允许应力法设计，设计安全系数1.5。设计风速重现期为15年，采用地面以上15m高度处最大风速。
1、塔身风荷载计算公式如下：
--------------------------------------------1
式中： -->风载体型系数，采用下列数值：角钢铁塔-1.4（1+η）;圆钢铁塔1.2（1+η）。η 为背面风的风载降低系数。
—>塔身侧面的构件投影面积（m2）。
—>设计风速（m/s）。
2、导地线风荷载计算公式如下：
------------------------2
式中：—>风速不均匀系数；
—>风荷载体型系数，线径＜17mm时，取1.2；线径≥17mm时，取1.1；有覆冰时，取1.2。
—>导地线或覆冰的计算外径。
—>为水平档距。
—>为设计风速。
—>风向与线路方向的夹角。
2.2《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》（SDGJ94-90）
该规范实则为对SDJ-79规范的深化，风荷载计算中，考虑了风压高度变化系数和风压调整系数。
------------------------------------3
-----------------------4
式中：—>为风压高度变化系数；
—>为风压调整系数。
2.3《110kV~500kV架空送电线路设计技术规程》（DL/T 5092-1999）
本规范与《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》（DL/T 5154-2002）规范关于风荷载计算内容相同，采用以概率论为基础的极限状态设计法，风荷载为可变荷载，荷载组合系数为1.4。220kV线路设计风速重现期为15年，取地面以上15m高度处最大风速。
1、塔身风荷载计算式如下：
式中：-->杆塔风荷载标准值，kN；
-->为构件的体型系数，垂直于塔面时，单肢角钢取2.2，双肢角钢取2.4；
-->承受风压面积（m2）计算值。
-->杆塔风荷载调整系数。对杆塔全高不超过60m时，按规范表12.1.12插值。对基础，当杆塔全高不超过50m，应取1.0；
2、导地线风荷载计算公式如下：
-------------------5
------------------------------------6
其中：-->垂直于导线及地线方向的水平风荷载标准值，kN；
-->风压不均匀系数。
-->导地线风荷载调整系数，对于220kV线路，取1.0。
-->风压高度变化系数，15m基准高度处，为1.14；10m基准高度处，为1.0。规范采用15m高处风速为基本风速，故采用
-->导地线的体型系数，线径小于17mm时，应取1.2；线径大于等于17mm时，取1.1。
-->导地线外径或覆冰时的计算外径；分裂导线取所有子导线外径的总和，m。
-->杆塔的水平档距。
-->风向与导地线方向的夹角。
-->基准风压标准值，kN/m2，应根据基准高度的风速V，m/s按6式确定。
2.4《110kV～750kV架空输电线路设计规范》（GB 50545-2010）
与《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》(DL/T5154-2012)关于风荷载计算规定相同，采用以概率论为基础的极限状态设计法，风荷载为可变荷载，荷载组合系数为1.4。220kV线路设计风速重现期为30年，取地面以上10m高度处最大风速。
1、塔身风荷载计算式如下：
------------------------------------7
B-->为覆冰时风荷载增大系数。对于深圳电网，取1.0。
2、导地线风荷载计算公式如下：
-------------------8
与99规范中公式形式非常类似，区别主要在于基准风速高度及重现期不同，导致风压不均匀系数（）、基本风压（）、风压高度变化系数（）存在变化，杆塔体型系数（）由于《建筑结构荷载规范》的精细化，也存在一定的差异。
2.5南方电网企业防风标准
为了全面掌握南方区域内台风登陆的特点与特性，科学合理地制定适合南方地区强风条件下输电线路抗风能力的技术措施，2013年颁布实施了《输电线路防风设计技术规范》（2016年修编）；对于阵风效应，在沿海地区的大风区陆续增加了与“10规范”500kV线路一致的导地线阵风效应考虑，且不得小于1.6的规定，充分考虑了杆塔部分的阵风效应。
2014年颁布实施了《南方电网沿海地区设计基本风速分布图》（2017年修编2）；考虑了沿海区域101个自动观测站及51个特种测风塔的风速统计数据，故其基本风速值较以往气象部门根据气象台站资料提供的风速统计值高1m/s～2m/s。
图 1 深圳电网50年一遇风区图
此后，2017年颁布实施了《南方电网提高综合防灾保障能力规划设计原则》将110kV～220kV保底线路设计重现期从30年提高至50年，500kV保底线路在50年重现期的基础上增加了重要性系数。
2.6《架空输电线路荷载规范》DL/T 5551-2018
风荷载计算采用以概率论为基础的极限状态设计法，风荷载为可变荷载，荷载组合系数为1.4。110kV线路设计风速重现期为30年，取地面以上10m高度处最大风速。
1、塔身风荷载计算式如下：
------------------------------------9
-->为构件的体型系数，取1.3（1+η）。η 为背面风的风载降低系数。
-->为高度Z处的杆塔风振系数，，为根据结构自振参数计算得到的参数，具体含义详见规范。
2、导地线风荷载计算公式如下：
-----------------------10
-->导地线的体型系数，线径小于17mm时，应取1.1；线径大于等于17mm时，取1.0。
-->为档距折减系数。
-->为导地线阵风系数。
其他参数的含义与10规范中计算方法相同。
以上相关技术标准的实施，有效提高了广东沿海强风区域新建输电线路的抗风能力。
3规范风荷载计算对比
以深圳市南山区110kV线路中常用的按79规范设计的Z1塔型，99规范设计ZY3塔型和10规范设计的2F2W9-Z1塔型为计算对象，原始设计基本风速为35m/s，假定水平档距为200m，导线采用LGJ-400/35（线径为27mm），地线采用LGJ-50/30(线径为11.6mm)。因18规范中需要计算杆塔自振动周期等复杂参数，需要借助计算机实现。现按照《输电线路防风设计技术规范》以37m/s风速进行防风验算，对采用不同规范建设的杆塔风荷载进行对比。
基本风速换算：，即按79、90及99设计标准采用35m/s基本风速进行设计的铁塔，相当于10规范按照32.935m/s进行设计。
3.1Z1-21m塔型
按79规范计算的原始设计风荷载计算如下：
导线：
地线：
塔身风荷载：
按照南方电网企业标准进行防风验算的风荷载计算如下：
导线：
地线：
塔身风荷载：
可见，导线风荷载较原设计增加至少1.84倍，地线风荷载较原设计增加2.05倍，塔身风荷载较原设计增加1.62倍。
3.2ZY3-45m塔型
按99规范计算的原始设计风荷载计算如下：
导线：
地线：
塔身风荷载：
按照南方电网企业标准进行防风验算的风荷载计算如下：
导线：
地线：
塔身风荷载：
可见，导线风荷载较原设计增加至少1.642倍，地线风荷载较原设计增加1.642倍，塔身风荷载较原设计增加1.238倍。
3.32F2W9-Z1-33塔型
该塔为按照10规范设计铁塔，计算的原始设计风荷载计算如下：
导线：
地线：
塔身风荷载:
按照南方电网企业标准进行防风验算的风荷载计算如下：
导线：
地线：
塔身风荷载：
可见，导线风荷载较原设计增加至少1.453倍，地线风荷载较原设计增加1.453倍，塔身风荷载较原设计增加1.096倍。
从计算可以看出，随着设计规范不断完善，采用较新规范设计的杆塔防风能力逐步提高。
4杆塔结构验算案例
本文采用文献所述方法进行杆塔防风验算，即杆塔结构杆件的允许应力强度采用标准值，验算荷载采用标准组合。利用恒巨公司定制版软件SMART TOWER（深圳防风版）实现验算。
4.1计算参数
深圳市某110kV线路工程，毗邻大海，为同塔双回线路，建设于1990年，采用79规范进行杆塔设计，本次选取采用的Z1塔型进行防风验算，杆塔计算参数如下。
塔位号 塔型 杆塔型式 原设计风速 代表档距 水平档距 垂直档距
N9 Z1-21 直线角钢塔 35m/s 217 100/122.5 50.7/89.7
导线参数 导线：LGJF-400/35，K=3.5,Tp=20%； 地线参数 地线：LGJF-50/30，K=4.0,Tp=25%；
4.2计算结果
根据以上参数，按现行规范进行正常设计与按防风理论进行计算。采用2018架空输电线路荷载规范计算杆塔及导地线风荷载。如按新建杆塔进行验算，则主材强度最大应力达到设计允许应力的140.4%，杆塔不满足风荷载工况验算，而结合相关加固经验，主材补强多为通过增加主材截面积的方式提高主材受力性能，由于该方式受加工、施工等多方面因素影响，加固后主材受力性能提高的最大限度在10%～15%左右。则该塔需要进行拆除后重建。
如采用防风理论，取消荷载分项系数，提高杆件允许使用应力至屈服强度，经过计算后，主材最大使用应力为115.1%，且超过100%的杆件数量大量减少。计算结果对比如下：
结合生活常识，该线路于1990年竣工，已成功安全运行30年，经过专家评审，对杆塔薄弱部位进行加固即可。最终采用防风计算结论进行杆塔加固。
图 2 采用现行规范进行抗风验算及防风理论计算的应力云图
5结论
本文通过对比设计规范中关于风荷载计算的计算方法，并结合3个计算案例，得出不同时间建设的线路杆塔与现行设计规范中导地线、杆塔塔身风荷载的对比值，结果显示：
1、采用较老规范设计的杆塔，其抗风能力弱，随着规范理论的不断完善，杆塔抗风能力逐步提高。
2、通过采用文献1的防风评估方法，即荷载采用标准组合设计值、杆塔构件强度采用屈服值。经过计算，可找出杆塔抗风薄弱部位进行加固，避免大规模重建铁塔，减少停电时间和投资。
3、通过以上方法计算后得到的结论，与生活常识一致。且根据对深圳Ⅰ、Ⅱ类风区进行的防风评估结论，加固后杆塔运行情况良好，提高了线路抗风能力。
6参考文献
[1] 朱阳,架空输电线路防风能力评估分析.通讯电源技术[J].2019.1-36.
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[3] 黄增浩等.沿海地区输电线路台风观测方法研究及“莫兰蒂”. 南方电网技术[J]. 2018,9-12.
[4] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 建筑结构荷载规范:GB50009-2012[S]. 北京：中国建筑工业出版社.2012.
[5] 国家能源局. 架空输电线路杆塔结构技术规定:DL/T5154-2012[S]. 北京：中国计划出版社. 2012.
[6] 国家能源局. 架空输电线路杆塔结构技术规定:DL/T5154-2012[S]. 北京：中国计划出版社. 2012.
[7] 国家标准化管理委员会. 110kV~500kV架空送电线路设计技术规程:DL/T 5092-1999[S].北京：中国电力出版社. 1999.
[8] 水利电力部. 架空送电线路设计技术规程:SDJ3-79[S]. 北京：水利电力出版社.1979.