110750kV大风的重现期及基准高度取值分析.docx
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110750kV大风的重现期及基准高度取值分析
110~750kV架空输电线路设计技术导则
专题报告
110~750kV大风的重现期及基准高度取值分析
国家电力公司华东电力设计院
工程设计甲级090001-sj工程勘察综合类甲级090001-kj
2006年10月上海
110~750kV大风的重现期及基准高度取值分析
前言:
《110~500kV架空送电线路设计技术规程》(DL/T5092-1999)与《建筑结构荷载规范》(GB50009-2001)对风的基准高度不一致,相差10m。
增加了许多计算工作,与国际通用标准也不一致。
另外国标“66kV及以下架空电力线路设计规范”(GB50061-97)制定标准时已将基准高统一为10m高,110kV—330kV线路的安全度明显低于66kV线路。
为此有必要对110~750kV大风的重现期及基准高度进行修正。
1.我国设计的大风重现期与IEC中标准比较
输电线路杆塔的荷载主要是塔身风荷载、导线风荷载、导线张力、导线复冰、杆塔自重、导线自重等。
除耐张塔由导线张力、转角度数控制之外,直线塔多数杆件由大风工况控制,合理确定风的重现期,对输电线路安全运行和降低工程造价有十分重要的意义。
2002年1月10日,中华人民共和国建设部发布了《建筑结构荷载规范》(GB50009-2001),新的荷载规范把风荷载基本值的重现期由30年一遇已改为50年一遇。
从国际上来看,IEC标准中,对大风风速的选取取决于所设计线路的安全等级,并分别规定了1、2、3级重现期取值:
分别为50、150、500年。
同时,IEC认为,高于230kV、且是电网中主干的或者供给特殊负荷的唯一电源线路,应归于3级可靠性水平。
美国《输电线路结构荷载导则》(1991,ASCE)对大风重现期对应不同的可靠性水平分别取50、100、200、400年一遇,而且只有临时线路的重现期小于50年一遇。
前苏联、英国、加拿大等许多国家的500kV等级以下的输电线路,大风重现期多为50年一遇。
我国送电线路设计,大风重现期采用15年一遇(220kV及以下线路),30年一遇(500kV一般线路和220~330kV大跨越线路)和50年一遇(750kV线路、500kV~750kV大跨越)。
从上面可以看出,我国现有输电线路风荷载的重现期明显要比IEC标准低,按IEC确定风荷载重现期情况见表1-1:
表1-1按IEC确定风荷载重现期
电压等级
线路种类
IEC标准重现期
中国标准重现期
500kV
大跨越线路
500年
50年
500kV
一般线路
150年
30年
110~330kV
大跨越线路
150年
30年
110~330kV
一般线路
50年
15年
如果仅从上表看,我国的输电线路安全运行的水平应该很低,但是目前我国已建成投运500kV线路近4.4万公里,从30多年的运行情况来看,出现因大风造成杆塔倒塔事故的概率极小。
到1992年止的统计资料表明,我国500kV线路的倒塔频率大致在(2~5)×10-3(倒塔次数/100km·年),量度在(2.5~8)10-5(倒塔基数/总基数·年),与国际上先进水平基本相当。
现行的《110~500kV架空送电线路设计技术规程》中有关于500kV线路设计风速的最小值的规定为500kV线路最大设计风速对地20m基准时不能低于30m/s,这个风速归算到对地10m基准高时相当于26.85m/s。
表1-2以河南省鲁山县为例其统计结果如下表。
重现期
(年)
IEC标准
(m/s)
我国规程情况执行情况
50
23.24
26.85
150
25.56
500
28.09
由上可知我国现行规程中规定的最大设计风速最小值,已经超过了IEC中的2类标准。
由此可知虽然我国将风速统计的重现期取值较小,但是有了最大设计风速的规定,实际上的设计风速基本上超过了IEC的2类水平。
以往国内的750kV及以下输电线路的风速重现期、计算基准高度和最大设计风速的取值如表1-3
表1-3750kV及以下输电线路的最大设计风速的取值表
线路类别
重现期(年)
基准高度(米)
最小设计风速(m/s)
备注
750kV线路
50
20
30
750kV架空送电线路设计暂行技术规定
500kV大跨越
50
距历年大风季节平均最低水位以上10米
30
架空送电线路大跨越设计技术规定
110kV—330kV大跨越
30
距历年大风季节平均最低水位以上10米
25
500kV线路
30
20
30
110kV—500kV架空送电线路设计技术规程
110kV—330kV
线路
15
15
25
66kV及以下线路
15
10
25
66kV及以下架空电力线路设计规范
从上表来看:
国标“66kV及以下架空电力线路设计规范”(GB50061-97)制定标准时已将基准高统一为10m高,110kV—330kV线路的安全度低于66kV线路。
2.对风荷载重现期由30年一遇提高到50年一遇后风荷载增加值的评估。
统计129个地区,V50/V30在1.0~1.9之间,平均为1.05,V50/V30重现期风速比值见表2-1
表2-1V50/V30风速比值
重现期
V50/V30
风速比值
1.05
由此可见,重现期由30年一遇提高到50年一遇的结果一致:
风速值提高了5%左右,风压值提高了11%左右,经杆塔初步计算耗钢约增加5%。
增加的工程量不大,但杆塔的抗风能力提高了很多,对保证杆塔安全运行有很大的意义。
同时,从统计资料来看,绝大部分地区50年一遇的风速小于27m/s,因此,最小设计风速取值27m/s对全国工程不会造成工程量较大的增加,但更科学地反映了杆塔结构的抗风水平。
西北电力设计院对750kV线路不同重现期之间的风速进行了换算,关系表2-2:
表2-2不同重现期关系表
重现期
V50/V30
风速比值
1.045
750kV输电线路设计风荷载的重现期已由500kV输电线路的30年一遇提高到50年一遇。
下面把规程规定30年一遇提高到50年一遇风速,全国各地区风速提高多少,对工程影响程度见表2-3:
表2-3不同地区50年一遇风速与原规程30m/s对比表:
地区
海拔高度
(米)
30年一遇风压(10米高)
50年一遇风速(10米高)
50年一遇风速(10米高)与原规程30m/s(相当于10米高27m/s)的百分比
与原规程30年一遇风速(20米高)相比30m/s、35m/s、40m/s
北京
54
25.22
26.91
-0.4
<30
天津
3.2
26.63
28.29
4.8
>30、<35
上海
2.8
28.16
29.67
9.9
>30、<35
重庆
259.1
23.82
25.63
-5.1
<30
河北石家庄
80.5
22.77
23.76
-12.0
<30
河北秦皇岛
2.1
25.97
26.84
-0.6
<30
河北唐山
27.8
24.42
25.33
-6.2
<30
河北保定
17.2
24.40
25.32
-6.2
<30
山西太原
778.3
25.35
26.30
-2.6
<30
山西大同
1067.2
29.63
31.29
15.9
>30、<35
山西临汾
449.5
24.04
25.87
-4.2
<30
山西阳城
659.5
26.00
27.73
2.7
>30、<35
内蒙古湖和浩特
1063
28.90
31.28
15.9
>30、<35
内蒙古包头
1067.2
28.90
31.29
15.9
>30、<35
内蒙古赤峰
571.1
28.13
30.52
13.1
>30、<35
辽宁沈阳
42.8
28.21
29.73
10.1
>30、<35
辽宁锦州
65.9
29.58
31.09
15.1
>30、<35
辽宁鞍山
77.3
26.73
28.39
5.2
>30、<35
辽宁本溪
185.2
26.21
27.08
0.3
>30、<35
辽宁丹东
15.1
28.11
29.69
10.0
>30、<35
辽宁大连
91.5
30.26
32.40
20.0
>30、<35
吉林长春
236.8
31.17
32.63
20.9
>35、<40
吉林双辽
114.9
26.85
28.45
5.4
>30、<35
吉林四平
164.2
28.39
29.91
10.8
>30、<35
吉林通化
402.9
27.17
28.86
6.9
>30、<35
吉林吉林
183.4
27.72
28.54
5.7
>30、<35
吉林集安
177.7
21.03
22.10
-18.1
<30
吉林长白
1016.7
27.33
28.23
4.6
>30、<35
黑龙江哈尔滨
142.3
28.29
29.88
10.7
>30、<35
黑龙江呼玛
177.4
26.86
28.54
5.7
>30、<35
黑龙江齐齐哈尔
145.9
26.16
27.03
0.1
>30、<35
黑龙江伊春
240.9
22.96
23.95
-11.3
<30
黑龙江佳木斯
81.2
30.24
32.38
19.9
>35、<40
黑龙江牡丹江
241.4
29.11
31.36
16.1
>35、<40
山东济南
51.6
25.22
26.90
-0.4
<30
山东烟台
46.7
28.22
29.73
10.1
>30、<35
山东威海
46.6
30.88
32.32
19.7
>35、<40
山东泰安
128.8
24.54
25.46
-5.7
<30
山东淄博
34
24.42
25.34
-6.1
<30
山东潍坊
44.1
24.44
25.35
-6.1
<30
山东青岛
76
30.30
31.10
15.2
>30、<35
江苏南京
8.9
23.52
25.31
-6.3
<30
江苏徐州
41
22.73
23.71
-12.2
<30
江苏淮阴
17.5
23.53
25.32
-6.2
<30
江苏镇江
26.5
24.41
25.33
-6.2
<30
江苏无锡
6.7
25.16
26.84
-0.6
<30
江苏泰州
6.6
23.52
25.31
-6.3
<30
江苏连云港
3.7
28.09
29.67
9.9
>30、<35
江苏盐城
3.6
25.08
26.84
-0.6
<30
江苏南通
5.3
25.16
26.84
-0.6
<30
江苏常州
4.9
23.51
25.30
-6.3
<30
浙江杭州
41.7
25.21
26.89
-0.4
<30
浙江金华
62.6
22.75
23.74
-12.1
<30
浙江舟山
35.7
34.44
36.94
36.8
>40
浙江宁波
4.2
26.63
28.29
4.8
>30、<35
浙江温州
6
28.77
30.99
14.8
>30、<35
安徽合肥
27.9
22.71
23.70
-12.2
<30
安徽滁州
25.3
22.71
23.69
-12.2
<30
安徽六安
60.5
21.81
23.74
-12.1
<30
安徽巢湖
22.4
22.71
23.69
-12.3
<30
安徽安庆
19.8
23.53
25.32
-6.2
<30
安徽宁国
89.4
22.78
23.77
-12.0
<30
江西南昌
47.7
25.96
26.90
-0.4
<30
江西吉安
76.4
21.91
21.99
-18.5
<30
江西九江
36.1
22.72
23.71
-12.2
<30
江西景德镇
61.5
22.75
23.74
-12.1
<30
福建福州
83.8
31.49
33.61
24.5
>35、<40
福建福鼎
36.2
31.36
33.53
24.2
>35、<40
福建永安
206
23.75
25.56
-5.3
<30
福建厦门
139.4
34.05
36.03
33.4
>40
陕西西安
397.5
23.14
24.14
-10.6
<30
陕西延安
957.8
23.80
24.83
-8.1
<30
陕西宝鸡
612.4
22.42
24.40
-9.6
<30
陕西商州
742.2
22.65
22.74
-15.8
<30
陕西安康
290.8
25.52
27.23
0.8
>30、<35
甘肃兰州
1517.2
22.49
23.64
-12.5
<30
甘肃武威
1530.9
30.32
32.02
18.6
>35、<40
甘肃临夏
1917
22.94
24.11
-10.7
<30
甘肃平凉
1346.6
23.35
23.43
-13.2
<30
宁夏银川
1111.4
31.84
34.09
26.3
>35、<40
甘肃中卫
1225.7
26.74
28.53
5.7
>30、<35
甘肃同心
1343.9
22.29
23.43
-13.2
<30
甘肃西吉
1916.5
22.94
24.11
-10.7
<30
青海西宁
2261.2
25.40
26.50
-1.9
<30
青海格尔木
2807.6
28.06
29.11
7.8
>30、<35
青海乌兰
3087.6
26.47
27.61
2.3
>30、<35
青海玛多
4272.3
30.19
31.32
16.0
>30、<35
新疆乌鲁木齐
917.9
30.86
32.44
20.1
>35、<40
新疆伊宁
662.5
30.47
32.03
18.6
>35、<40
新疆喀什
1288.7
29.96
31.64
17.2
>35、<40
新疆和田
1374.6
25.18
27.10
0.4
>30、<35
新疆哈密
737.2
30.59
32.15
19.1
>35、<40
河南郑州
110.4
25.29
26.98
-0.1
<30
河南洛阳
137.1
23.67
25.47
-5.7
<30
河南开封
72.5
25.24
26.93
-0.3
<30
河南商丘
50.1
22.66
23.72
-12.1
<30
湖北武汉
23.3
22.71
23.69
-12.3
<30
湖北宜昌
133.1
20.98
22.06
-18.3
<30
湖北荆州
32.6
20.88
21.94
-18.7
<30
湖北黄石
19.6
22.71
23.69
-12.3
<30
湖南长沙
44.9
22.73
23.72
-12.2
<30
湖南岳阳
53
23.57
25.37
-6.1
<30
湖南平江
106.3
20.96
22.03
-18.4
<30
湖南衡阳
103.2
23.63
25.43
-5.8
<30
广东广州
6.6
26.64
28.29
4.8
>30、<35
广州韶关
69.3
22.68
23.75
-12.1
<30
广东汕头
1.1
33.82
35.78
32.5
>35、<40
广东深圳
18.2
32.64
34.67
28.4
>35、<40
广西南宁
73.1
22.77
23.75
-12.0
<30
广西柳州
96.8
20.95
22.02
-18.5
<30
广西梧州
114.8
20.96
22.04
-18.4
<30
海南海口
14.1
32.63
34.67
28.4
>35、<40
海南三亚
5.5
34.94
36.89
36.6
>40
四川成都
506.1
21.38
22.47
-16.8
<30
四川绵阳
470.8
21.34
22.43
-16.9
<30
四川宜宾
340.8
21.20
22.29
-17.5
<30
四川西昌
1590.9
22.57
23.72
-12.1
<30
四川南充
309.3
21.17
22.25
-17.6
<30
四川内江
347.1
24.73
25.74
-4.7
<30
贵州贵阳
1074.3
22.00
23.12
-14.4
<30
贵州遵义
843.9
21.74
22.85
-15.4
<30
贵州安顺
1392.9
22.35
23.49
-13.0
<30
云南昆明
1891.4
22.91
24.08
-10.8
<30
云南丽江
2393.2
24.60
24.69
-8.5
<30
云南大理
1990.5
34.03
35.62
31.9
>35、<40
云南玉溪
1636.7
22.62
23.78
-11.9
<30
西藏拉萨
3658
25.03
26.31
-2.6
<30
西藏那曲
4507
31.51
33.62
24.5
>35、<40
西藏日喀则
3836
25.25
26.54
-1.7
<30
由表2-3可见近67%地区的最大设计风速没有超过规程规定的30m/s,也就是说重现期由30年提高到50年,基准高由20米统一为10米,67%地区最大设计风速还在院规程30m/s内。
这也说明原规程最大设计风速规定不小于30m/s是起控制作用。
综上所述,风荷载重现期由30年提高到50年,风荷载提高不大,对整个工程不会造成工程量较大的增加,因此建议500kV~750kV输电线路风荷载重现期统一取50年。
3.风速取值离地高度的确定
《110~500kV架空送电线路设计技术规程》(DL/T5092-1999)对确定最大设计风速时作如下规定:
应按当地气象台、站10min时距平均的年最大风速做样本,并宜采用极值I型分布作为概率模型。
统计风速高度如下:
各级电压大跨越离历年大风季节平均最低水位10m;
66kV及以下架空电力线路离地面10m;
110—330kV送电线路离地面15m;
500kV、750kV送电线路是离地面20m。
《建筑结构荷载规范》(GB50009-2001)中风的基本风压对地高度定为10m。
由此可见,《110~500kV架空送电线路设计技术规程》(DL/T5092-1999)与《建筑结构荷载规范》(GB50009-2001)对风的基准高度不一致,相差10m。
这样往往要将气象台、站10m高的风速换算到20m高,或将《建筑结构荷载规范》(GB50009-2001)所查的基本风压值换算成10m高的风速,再转换到20m高的风速。
增加了许多计算工作,最重要的一点是与国际通用标准和国家颁布的建筑规范不一致。
另外,按照《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》要求,对杆塔全高超过60m时,应按《建筑结构荷载规范》(GB50009-2001)计算杆塔风荷载调整系数。
计算杆塔风荷载调整系数的有关参数对应的基准高度为10m,应该不能直接使用《建筑结构荷载规范》(GB50009-2001)计算杆塔风荷载调整系数的有关参数,原来线路工程铁塔高度多数在60m以下,需要计算杆塔风荷载调整系数的不多,因此,两者不统一的影响也没有深究。
但目前交叉跨越的不断增加,有许多跨越塔超过60m,都要进行杆塔风荷载调整系数计算,为了避免不统一造成的麻烦,建议输电线路风的基准高度改为10m。
风压高度变化系数μz也应按《建筑结构荷载规范》(GB50009-2001)的规定取值,《建筑结构荷载规范》将地面粗糙度类别分为四类,与现实情况相符,并与国际多数标准一致。
风压高度变化系数μz见表3-1:
表3-1风压高度变化系数μz
离地面或海平面高度(m)
地面粗糙度类别
A
B
C
D
5
1.17
1.00
0.74
0.62
10
1.38
1.00
0.74
0.62
15
1.52
1.14
0.74
0.62
20
1.63
1.25
0.84
0.62
30
1.80
1.42
1.00
0.62
40
1.92
1.56
1.13
0.73
50
2.03
1.67
1.25
0.84
60
2.12
1.77
1.35
0.93
70
2.20
1.86
1.45
1.02
80
2.27
1.95
1.54
1.11
90
2.34
2.02
1.62
1.19
100
2.40
2.09
1.70
1.27
150
2.64
2.38
2.03
1.61
200
2.83
2.61
2.30
1.92
250
2.99
2.80
2.54
2.19
300
3.12
2.97
2.75
2.45
350
3.12
3.12
2.94
2.68
地面粗糙度可分为A、B、C、D四类:
A类指近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区;
B类指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区;
C类指有密集建筑群的城市市区;
D类指有密集建筑群且房屋较高的城市市区。
4.最小风速的取值规定
《110~500kV架空送电线路设计技术规程》500kV送电线路计算导、地线的张力、荷载以及杆塔荷载时,最大设计风速不应低于30m/s(对地距离为20m)。
将此风速按Vi=Vx(hi/hx)α,α=0.16换算到10米高时,V10=30(10/20)0.16=26.85m/s,取27m/s。
110kV~330kV送电线路计算导、地线的张力、荷载以及杆塔荷载时,最大设计风速不应低于25m/s(对地距离为20m)。
将此风速按Vi=Vx(hi/hx)α,α=0.16换算到10米高时,V10=25(10/15)0.16=23.43m/s,取23.5m/s。
通过对因大风
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