0 引言

铁塔是输电线路的基本设备之一，是电网的重要组成部分。铁塔的设计过程相对复杂，不仅需要对铁塔的电气间隙、承载能力进行计算，还需通过不断的优化达到受力合理及经济适用等要求^[1]。内蒙古电力公司推荐按照《国家电网公司输变电工程通用设计》进行铁塔设计，但在实际应用过程中发现，不能完全满足内蒙古西部地区的使用条件。本文结合内蒙古西部地区基本风速范围、覆冰、海拔高度、地形等基本条件，确定内蒙古电网110 kV输电线路通用设计模块及其划分方案^[2]。

1 基本风速及级差 1.1 基本风速

基本风速对铁塔设计的影响主要体现在铁塔荷载和塔头尺寸上，最终反映到塔质量及基础作用力等技术指标^[3]。在输电线路设计中，通常采用2种方法计算基本风速：频率计算法，即选用输电线路附近有代表性的气象台（站）数据，通过频率模型计算修正后得到；荷载规范风压值反算法，即通过GB 60009—2012《建筑结构荷载规范》（以下简称荷载规范）给定城市风压值反算得到基本风速。在确定110 kV输电线路通用设计基本风速时，需要全面调查内蒙古西部地区基本风速分布情况，根据这两种方法的计算结果并结合工程经验及工程需求，在满足大部分线路工程的安全性和经济性的前提下，综合确定基本风速取值^[4]。

1.1.1 频率计算法

根据GB 50545—2010《110 kV~750 kV架空输电线路设计规范》，确定基本风速时，应以当地气象台（站）10 min时距的平均年最大风速为样本，规定110 kV输电线路统计风速的高度应为距地面10 m^[5]。因此，应用气象台（站）风速资料时，应先进行高度订正及次时换算，再根据概率模型计算相应风速。

根据DL/T 5158—2012《电力工程气象勘测技术规程》，10 m高度处的风速可按式（1）换算^[6]：

(1)

式中：v—10 m高度处的风速，m/s；

v_Z—风速仪风速，m/s；

Z—风速仪离地高度，m；

α—地面粗糙度系数（按照B类考虑，取0.16）。

当收集到的气象台（站）风速为定时观测2 min平均最大值时，应统一订正为10 min平均最大风速，按照式（2）换算^[6]：

(2)

式中：v₁₀ —10 min平均最大风速，m/s；

v₂ —2 min平均最大风速，m/s；

a、b—系数，内蒙古西部地区一般取0.82、7.82。

将气象台（站）历年最大风速统一换算成10 m高度处的10 min平均最大风速后，再进行频率计算，得到一定重现期的最大风速。线路规范规定110 kV线路的最大重现期为30 a，且宜采用极值Ⅰ型概率模型计算最大风速。荷载规范给出极值Ⅰ型概率模型的分布函数为^[7]：

(3)

式中：x —年最大风速样本；

α′ —分布的尺度参数；，其中，σ为样本的标准差；

u—分布的位置参数，即分布的众值；，其中，μ为样本的平均值。

当以有限n个样本的均值x和标准差σ₁作为μ和σ的近似估值时，分布参数u和α′按式（4）和（5）计算：

(4)

(5)

式中：C₁、C₂ —系数，从荷载规范表E.3.2中查询^[7]。

重现期30 a的最大风速v₃₀可按式（6）确定：

(6)

式中：R —重现期，a。

1.1.2 荷载规范风压值反算法

利用荷载规范附录E.5给定的各城市的风压值，根据伯努利方程反算得到线路经过地区的基本风速。伯努利方程为^[7]：

(7)

式中：W —风压值，kN/m²；

ρ —空气密度，kg/m³；

v —线路经过地的基本风速，m/s。

风压板观测台（站）的风速根据标准大气压的空气密度通过式（7）反算得出，考虑线路规范给定的风压计算公式为w = v²/1600（ρ =1.25 kg/m³），所以公式（7）中空气密度取1.25 kg/m³，这样最终从设计计算得到的风压与荷载规范给定的风压值相同^[5]。

还需要明确的是，110 kV输电线路设计的重现期为30 a，荷载规范中只给出了重现期为10 a、50 a、100 a的部分城市基本风压值，30 a重现期的风压值可根据10 a和100 a的风压值按照式（8）计算^[7]：

(8)

其中，w₃₀、w₁₀、w₁₀₀分别为重现期30 a、10 a、100 a的风压值。

1.1.3 基本风速取值范围

本文收集了内蒙古西部地区25个气象台（站）的数据，根据上述2种方法进行计算并按照盟市区划进行归并，得到10 m高度处、重现期30 a的基本风速的分布情况，如表 1所示。

由表 1可知，内蒙古西部地区的基本风速主要集中在22.0~30.0 m/s，根据风压值反算的基本风速主要集中在26.0~31.0 m/s。

通常输电线路距气象台（站）较远，因此在实际工程设计中，需将气象台（站）统计的风速结果适当提高，作为工程设计的基本风速。对表 1中数据提高10%后，再结合风压值反算结果，初步确定适用于内蒙古西部地区110 kV输电线路设计的基本风速分布范围为25.0~31.0 m/s。

在实际工程设计时，需要对附近在运行线路的基本风速设计、运行情况进行调查，作为新建工程设计基本风速取值的参考。本文收集了近10 a内蒙古西部地区110 kV输电线路工程设计基本风速取值情况，发现所有工程的基本风速取值均大于或等于27 m/s，且线路运行状况良好。同时对周边地区，包括内蒙古东部地区、山西、陕西、宁夏、甘肃等气象条件相似地区的输电线路工程基本风速设计进行调研，110 kV输电线路工程的基本风速取值也都不低于27 m/s。因此，确定110 kV输电线路的基本风速取值范围为27.0~31.0 m/s，能够满足内蒙古西部地区90%以上110 kV输电线路的工程需求。

1.2 基本风速级差的选择

输电工程中基本风速一般都采用合理归并的方式。DL/T 5158—2012要求，架空输电线路一般按照1~5 m/s级差划分风区^[6]。《电力工程高压送电线路设计手册》中给定，典型气象区基本风速的级差为5 m/s^[3]。《国家电网公司输变电工程通用设计》划分电网风区时，对基本风速的选取进行了细分，级差一般为2 m/s^[2]。为探究通用设计级差的不同设置对工程造价的影响，本文选取110 kV输电线路主力塔型（Ⅱ型直线塔），以2 m/s为级差，分别在27 m/s、29 m/s、31 m/s条件下，计算统计塔质量及基础作用力的大小，结果如表 2所示。

由表 2可知，基本风速每增加2 m/s，塔质量平均增加约4%，基础作用力平均增加约21%。若将通用设计基本风速级差设为1 m/s，即为27 m/s、28 m/s、29 m/s、30 m/s、31 m/s 5种风速的通用设计模块，则在实际使用中，对于基本风速取值在27~28 m/s、29~ 30 m/s的工程，可选取28 m/s和30 m/s风速的铁塔。估算可知，选取28 m/s和30 m/s风速的铁塔比29 m/s和31 m/s风速的塔质量少约2%，基础工程量节省约9%。按照杆塔造价占工程本体造价的40%，基础造价占工程本体造价的20%计算，直线杆塔段的本体造价节省约2.5%。再考虑转角塔对于风荷载的敏感性比直线塔低，最终整体工程的造价节省约1.5%。因此，将通用设计基本风速级差设为1 m/s与2 m/s相比较，受益工程覆盖面小且工程造价节省有限。再者，考虑铁塔设计选材时规格的非连续性，节约的铁塔工程量将更加有限，反而对于设计和制造安装铁塔会增加较大的工作量。

若考虑将通用设计基本风速级差设为4 m/s，也就是设计27 m/s和31 m/s的通用设计塔型，利用相同的分析方法，在使用过程中比2 m/s级差的杆塔规划增加3.5%以上的本体造价成本。

综合上述分析，取基本风速级差为2 m/s，通用设计设置27 m/s、29 m/s、31 m/s风速的塔型，能够满足线路工程的安全性、经济性要求，也能方便设计、制造和安装；同时与行业中电网风区图的基本风速级差设置相匹配，可更好地配合风区图使用^[8-9]。

2 其他设计条件 2.1 覆冰

输电线路覆冰厚度是其外荷载的重要参数，主要受气象条件、地形因素和线路自身特点影响^[10]。通过对内蒙古西部地区现有输电线路工程覆冰设计条件及输电线路运行状况调研分析，110 kV输电线路通用设计覆冰厚度取10 mm。

2.2 海拔高度

海拔高度的变化对输电线路杆塔设计会产生一定的影响。对于110 kV输电线路杆塔设计，需重点考虑由海拔高度变化引起的绝缘子片数的修正及带电部分与横担等各部分间最小间隙的变化^[3]。内蒙古西部地区海拔高度多数在900~2100 m，因此，110 kV输电线路通用设计海拔高度确定为1000~2000 m。

2.3 地形条件

从对铁塔设计的影响看，可分为平地和山区两大类，二者主要差异在于塔腿和铁塔荷载设计^[11]。从技术经济及施工方便性等方面综合考量，110 kV输电线路通用设计考虑山区和平地共用一套塔型。

2.4 回路数

根据内蒙古电力公司输变电工程需求，110 kV输电线路通用设计按单回路、双回路考虑。

2.5 导、地线

110 kV输电线路通用设计导线截面按照GB/T 1179—2017《圆线同心绞架空导线》取单根240 mm²和300 mm^2[12]。地线采用JLB-100型，在计算地线荷载时，按JLB20A-100型选取地线参数；在计算地线支架高度、校核导地线间隙时，按JLB40-100型选取地线参数。

3 模块划分

110 kV输电线路通用设计确定6个铁塔模块，其输电线路导线型号为1×JL/G1A-300/40，地线型号为JLB-100，设计地形均为平地或山区，海拔为1000~2000 m，具体如表 3所示。6个铁塔模块规划能满足内蒙古西部地区大部分110 kV输电线路需求，其中模块1和模块4可参照国网通用设计1A4、1D6模块进行计算，其余模块需重新设计^[2]。考虑内蒙古西部地区110 kV输电线路中钢管杆及多回路铁塔的使用逐渐增多，后续可增加相应模块。

4 结束语

本文详细讨论了内蒙古电网110 kV输电线路通用设计的基本风速取值范围和级差设置，并且介绍了海拔高度，地形条件，回路数，导、地线选型等设计条件，完成了铁塔模块划分。模块设置能够满足内蒙古西部地区大部分110 kV输电线路的设计需求，可供设计人员选取和参考。通用设计的进一步应用，能够提高内蒙古西部地区输电线路设计水平，为电网建设打好坚实的基础。