中国与IEC标准架空输电线路设荷载对比

张建明，王 恒，刘 刚

( 华中电力设计研究院有限公司，河南 郑州 450007)

随着国内电网建设的日趋完善，越来越多的电力设计院和电力建设公司把目光投向了国外市场。国外架空输电线路工程一般按业主提出的标准进行设计，目前比较常用的标准有IEC标准(IEC 60826：2017) (以下简称IEC标准)、欧洲标准 (EN 50341－1：2012) 和美国标准(ASCE 10－15、ACSE 74－09) 等。其中，国际电工委员会(IEC)是世界上成立最早的国际性电工标准化机构，权威性也是世界公认的。IEC于2017年修订并颁布了IEC 60826：2017，供各成员国直接采用或为各国制订标准时提供参考。

目前我国国内输电线路采用的标准主要为《110 kV～750 kV架空输电线路设计规范》(GB 50545—2010)(以下简称我国标准)，线路覆冰厚度超过10 mm时需采用《重覆冰架空输电线路设计技术规程》(DL/T 5440—2009)(以下简称重冰规程)中相关内容。我国标准与IEC标准在输电线路的设计方法、风荷载计算、冰荷载计算、设计工况选择等方面均存在着一定的差异。目前国内有部分文章对两个标准的风荷载进行了对比分析，关于覆冰荷载的比较论述则鲜见于文献。本文采用最新IEC标准并以国网典型设计的5E1－SZ2铁塔为例，进行了线条风荷载和铁塔风荷载的结果对比分析，另外，本文还着重进行了设计方法、冰荷载计算、设计工况选择等方面的对比分析，供国内同行借鉴和参考。

1 设计方法

中国标准和IEC标准的杆塔结构设计均采用以概率理论为基础的极限状态设计法。中国标准的承载力极限状态表达式为：

IEC标准的承载力极限状态表达式为：

公式的各种符号代表含义见表1。可以看出，两个标准均设置了材料性能分项系数，我国标准还按不同的结构安全级别和荷载组合工况设置了结构重要性系数、荷载分项系数和可变荷载组合系数。IEC标准虽然没有重要性系数，但对不同的结构安全级别采用了不同的荷载重现期。

表1 符号含义

我国标准和IEC标准对于风、冰的概率模拟一般采用极值Ⅰ型分布，对于材料强度的概率模拟一般采用正态分布或对数正态分布。

另外，IEC标准注重线路系统可靠度的设计，将一条线路当成一个系统，主要分杆塔、基础、导、地线和绝缘子四个组成部分，根据不同子系统失效对线路造成损失及修复难易程度的不同而采用不同的可靠度水平，设计时集中反应在子系统配合系数的取值上。

2 风荷载

2.1 概述

杆塔属高柔结构，对风荷载较为敏感。线路所在地区的基本风速是杆塔设计的基本参数。基本风速一般通过对标准条件下记录的数据进行统计分析得到。目前年最大风速的概率模拟一般有三种：极值Ⅰ型分布、极值Ⅱ型分布和韦布尔分布。我国标准和IEC标准均采用极值Ⅰ型分布。

标准条件一般牵涉到地面粗糙度类别，标准高度及重现期、平均风时距和平均风概率分布类型等。我国标准与IEC标准均规定了A、B、C、D四类地面粗糙度类别，大体对应海上、乡村、城市和大城市中心4类典型地貌。B类为标准地面粗糙度，能代表大部分线路所经过的地区。我国标准中，110 kV～330 kV输电线路及其大跨越重现期取30年，500 kV、750 kV输电线路及其大跨越重现期取50年。IEC标准中，一般线路重现期取50年，高于230 kV的一般线路和作为给重要负荷供电的主要或唯一通道的低于230 kV的线路取150年，作为给重要负荷供电的主要或唯一通道的高于230 kV的线路取500年。

2.2 基本风速和基本风压

我国标准和IEC标准对基本风速V(VRB)的定义基本一致，概括如下：按当地空旷平坦地面上10 m高度处10 min时距，平均的年最大风速观测数据，经概率统计得出的50(30)年一遇最大值后确定的风速。

我国标准和IEC标准规定基本风压计算分别公式为：

式中：μ为空气密度；KR为地面粗糙度类别风速转换系数；τ为空气密度修正系数，一般取1.0。

2.3 线条风荷载

两种标准对于线条水平风荷载的标准值计算公式及参数取值见表2，表中d为线条外径或覆冰时的计算外径，L或Lp为水平档距，θ和Ω为风向与线条夹角。

表2 导、地线风荷载

本文以国网典设中的5E1－SZ2为例，比较两个标准的风荷载设计值(需要考虑重要性系数、分项系数、组合系数、重现期等因素，见第1节)。铁塔设计风速为27 m/s，导线采用4×LGJ－630/45，水平档距500 m。表3为导线平均高度从10 m到70 m时所受的风荷载，IEC标准结果的斜划线后数值为其与中国标准的比值，其中500年重现期的风荷载与我国标准比较时，我国标准重要性系数取1.1。

表3 不同高度不同重现期下的导线风荷载设计值 单位：kN

IEC标准导线风荷载与我国标准导线风荷载的比值随导线高度增加而减小，这是因为IEC标准的脉动风影响系数随高度增加而降低。我国标准计算的风荷载设计值与IEC标准50年重现期对应的结果相当。但IEC标准对于500 kV线路一般按150年的重现期进行设计，风荷载设计值将比中国标准大10%～47%。

2.4 铁塔风荷载

铁塔的水平风荷载标准值的对比分析见表4，发展中国家较少使用钢管塔，本文只介绍角钢塔的计算，表4中参数与表2相同的不再赘述，θ为风向与受风面1法线的夹角。

表4 铁塔风荷载

仍以国网典设中的5E1－SZ2为例，铁塔标准呼称高39 m，全高64.3 m，全塔共分为11段。表5为考虑重现期、重要性系数等因素计算得到的铁塔根部风荷载总效应。可以看出，我国标准计算的铁塔风荷载设计值与IEC标准150年重现期对应的结果相当。

表5 铁塔风荷载总效应

3 冰荷载

3.1 概述

我国的重冰规程对冰载取值做了具体规定。在有足够的有效的覆冰观测资料时，应采用概率统计法确定线路设计冰厚，概率模型宜采用极值Ⅰ型分布。但我国目前各地冰凌观测资料很少，而且往往连一个较确切的历年最大冰凌数据也难以获得，只能通过沿线调查和收集已有气象站、电力线、通信线等历年的冰凌资料以供参考使用。尽管设计标准规定了重现期，设计取值大都能满足标准的要求，但缺乏长期观测数据的支撑和数理模型的推算。

IEC标准中冰荷载的取值来源要求有不小于20年的气象资料和不少于5年的观冰资料，冰荷载参数(冰重、冰厚等)与风荷载参数一样，按年最大值统计并采用极值Ⅰ型分布。IEC标准另外给出了两种不同情况下冰荷载的参数取值供参考，见表6，为历年最大冰荷载平均值。

表6 冰荷载的统计参数

如果观测导线的直径、高度与新建线路一致，冰荷载参数无需修正，如果观测的数据对应的导线直径为30 mm，高度为10m，则冰荷载参数应考虑导线直径d和离地高度h的影响并修正，对于冻雨覆冰：

对于冻雾覆冰：

另外，我国标准中正常覆冰和不均匀冰计算时均考虑有同时风速。IEC标准中则考虑多种情况：无风时最大覆冰，低概率大风对应高概率覆冰、低概率覆冰对应高概率大风等。

3.2 无风时冰荷载

我国标准和IEC标准中线条覆冰时每延米冰重计算公式基本相当，基本公式如下：

式中：δ为覆冰密度；d和t分别为导线直径和假定均匀覆盖在导线上的覆冰厚度。

IEC标准中覆冰时杆塔构件的垂直荷载应通过杆件的几何尺寸、覆冰厚度和覆冰密度来计算得到，也可以采用增大系数确定，我国标准对于覆冰引起的杆塔构件垂直荷载增加采用增大系数法，取值分列于表7。

表7 覆冰杆件垂直荷载增大系数

IEC标准对产生不平衡张力的不均匀冰荷载的取值方法推荐为杆塔一侧冰重取0.7GR(GR为对应不同重现期的设计冰重)，另一侧冰重取0.4×0.7GR=0.28GR。另外，当线路处于环境变化较大的覆冰地段，不均匀率0.6可以考虑更大一些；在严重覆冰地区，可考虑一侧最大冰重，另一侧覆冰为0的极限不均匀情况。

我国标准中不均匀冰覆冰率与IEC标准比较有如下异同：一是覆冰率的基准为设计冰重GR，IEC标准为0.7GR，但考虑IEC标准对应的重现期为50年、150年、500年，0.7GR值相应的出现概率大约为10年、30年、50年一遇冰凌值，即与我国标准基本相当；二是我国标准对不同电压等级线路依据其在系统中的重要性分成了三类，三类线路与IEC标准相当，不均匀率取0.6，一级、二级有所提高；三是我国标准中耐张型杆塔的不均匀覆冰率比悬垂型杆塔的要高，以限制冰害事故；四是我国标准中不均匀冰对应同时风速为10 m/s。

3.3 风冰荷载组合

覆冰时结构垂直荷载和纵向荷载的计算原则已在3.2节描述，本节着重介绍覆冰时导、地线和杆塔的横向风荷载的计算差异。

我国标准规定设计冰厚为在规定的重现期内折算为冰密度0. 9 g/cm3的冰厚，同时风速为10 m/s。IEC标准不对冰密度进行折算，按冰重和密度通过公式(8)计算冰厚，IEC标准一般计算两种工况，一是低概率大风对应高概率覆冰、如无参考资料，推荐风速ViL=BLVR(BL对应不同重现期取0.6～0.85)，冰重gH=0.4gR；二是低概率覆冰对应高概率大风，如无参考资料，推荐冰重gL=gR，风速Vih=BHV－(BH对应不同重现期取0.4～0.5，V－为历年最大风速均值)，两种工况均对应高概率体型系数。

IEC标准规定覆冰风荷载应考虑体型系数和挡风面积的修正。我国标准考虑到实际覆冰形状、密度的影响，引入了风荷载增大系数。以我国标准设计冰厚20 mm为例，体型系数为1.1，风荷载增大系数为1.5，两个标准对于不同类型覆冰的风荷载计算结果见下表，表中仅为每延米导线等值迎风面积、体型系数和风荷载增大系数的乘积。

由表8可以看出，对湿雪、雾凇，两个标准的风荷载计算结果差异较大，对于混合凇、雨凇，我国标准的风荷载计算结果与IEC标准中低概率体型系数的结果相近，但IEC标准一般不使用低概率体型系数，因为其对应的是高概率风速和高概率冰重，对结构一般不起控制作用。

表8 导线覆冰风荷载

IEC标准规定杆塔覆冰的风荷载应通过杆件的几何尺寸、覆冰厚度来计算得到，我国标准对于杆塔覆冰引起的风荷载增加采用增大系数法，10 mm冰区取1.2，15 mm冰区取1.6，20 mm冰区取1.8，20 mm及以上冰区取2～2.5。

4 设计工况

我国标准同IEC标准类似，各类杆塔一般均要求计算三类工况：正常运行工况、安装运维工况和事故工况。

4.1 正常运行工况

两个标准的正常运行工况要求列于表9。

表9 正常运行工况

4.2 安装运维工况

我国标准中悬垂型杆塔包括导、地线提升工况(双倍起吊)和锚线工况，耐张型杆塔包括锚塔和紧线塔工况，对应风速为10 m/s。另外，人重荷载取1000 N，作用于与水平面夹角不大于30°、可上人的构件中心，且不与其它荷载组合。

IEC标准的安装运维工况规定如下：杆塔组立时，所有起吊点及相应构件至少承受两倍的构件提升荷载，当施工质量能得到较好控制时，可取1.5倍；架线时，横向风荷载可忽略，安装时纵向张力至少取两倍的安装张力，就位后取1.5倍的安装张力，垂直荷载根据导线张力与对地夹角计算。另外，人重荷载取1500 N，垂直作用于任意杆件中心，并同时考虑运维状态下的杆件内力。

4.3 事故工况

本文的事故工况主要指断线工况和不均匀冰工况。

我国标准中悬垂型杆塔的断线工况如下：单回路杆塔，断任一相导线或一根地线；双回路杆塔，同一档内断任两相导线，或断一根地线和任一相导线。对单、双回路的耐张型杆塔，同一档内断任意两相导线，或断一根地线和任一相导线。断线时对应气象条件均为有冰、无风。

IEC标准中断线规定如下：杆塔受扭时，任意一处地线或导线挂点处作用有残余静态荷载(residual static load)，残余静态荷载的计算以平均档距和安装张力为基准，计及绝缘子串长、铁塔变形等因素影响，对应气象条件为无风、无冰、安装时最低气温；对于双回路、多回路杆塔，增加受扭的挂点数量，即任2相导线或2根地线受残余静态荷载；杆塔受弯时，所有挂点上均作用有同向的不平衡张力，不平衡张力通过一侧为正常挂线，一侧为超载挂线(超载量等于导线重量)的假定计算得到，或直接取50%的安装张力。

对于不均匀冰荷载工况组合，IEC标准按纵向弯矩、横向弯矩和扭矩三种情况考虑。我国标准考虑到横向弯矩对杆塔基本不起控制作用，简化为纵向弯矩和扭矩两项计算。另外，IEC标准的扭矩规定为杆塔的一侧有不平衡张力，我国标准规定应考虑两侧同时有不平衡张力且方向相反，使杆塔承受最大扭矩，比IEC标准要严格。

5 结论

通过对中国标准和IEC标准的对比分析，得到以下结论：

(1)中国标准和IEC标准均采用以概率理论为基础的极限状态设计法，IEC标准注重线路系统可靠度的设计。IEC标准没有重要性系数，但对不同的结构安全级别可采用不同的重现期来调整荷载。

(2)我国标准和IEC标准的基本风速、基本风压定义基本一致；以5E1－SZ2铁塔为例，50年重现期时，我国标准的线条风荷载设计值与IEC标准50年重现期对应的结果相当，我国标准的铁塔风荷载设计值与IEC标准150年重现期对应的结果相当。

(3)IEC标准中覆冰时要考虑多种情况，包括无风时最大覆冰、低概率大风对应高概率覆冰、低概率覆冰对应高概率大风等；我国标准中不均匀冰覆冰率与IEC标准比较有较大差别；对湿雪、雾凇的风荷载，两个标准的计算结果差异较大，对于混合凇、雨凇的风荷载，我国标准的计算结果与IEC标准中低概率体型系数对应的结果相近，与IEC标准中高概率体型系数对应的结果差异较大。

(4)我国标准同IEC标准类似，各类杆塔一般均要求计算三类工况：正常运行工况、安装运维工况和事故工况。各类工况的具体要求均有所差异，设计时务必正确理解和应用。

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