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广东沿海是台风风灾严重的地区，而这些地区又存在大量按不同时期标准建设的输电线路。这些线路在屡次台风中发生受损，比如2014年的台风“威马逊”，造成220 kV雷闻线13基直线塔发生倒塌事故；2017年的台风“天鸽”，造成220 kV南琴甲乙线7基杆塔发生倒塔及1基500 kV杆塔横担弯折事故［1-2］。发生倒塔事故铁塔往往成片，线路基本为110~220 kV按照2000年以前的设计规程设计的。因此，推测原因并不是偶然运维缺陷或者铁塔制造施工缺陷所致，而是线路设计抗风能力不足所致。
由于不同阶段对风荷载的认识能力不同，其设计风荷载也存在不小差异，因此已存线路其抗风能力也不尽相同。2019年5月国家发布实施了输电线路的新规范《架空输电线路荷载规范 DL/T 5551—2018》（18规范）［3］，给出了输电线路目前最准确的风荷载设计值计算方法。本文以最新的荷载规范即《18规范》为基准，详细对比了历年设计规范中线条、塔身风荷载的风压高度变化系数、体型系数、阵风系数等与最新荷载规范的不同之处，定性给出按照历年规范设计的线路的抗风能力及风灾倒塔的主要原因。为今后加固或者重建提供参考。
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我国的已存架空输电线路主要参考以下规程规范进行设计。
50年代水利部颁发的《高压架空电力线路设计技术规程》，主要是参考前苏联的《电气设备安装规程》及《运行法规》编制而来。
1979年水利部颁布实施《架空送电线路设计技术规程SDJ 3—79》（79规程）［4］，适用于35~330 kV架空送电线路设计。
1999年国家经贸委颁布《110~500 kV架空送电线路设计技术规程DL/T 5092—1999》（99规程）［5］，将规程范围调整为110~500 kV架空送电线路设计。
2010年国家建设部修订了《110~750 kV架空输电线路设计规范GB 50545—2010》（10规程）［6］，2010年颁布实施，主要针对2008年冰灾后，增加了750 kV内容及覆冰工况，对抗风能力变化不大。
广东沿海存量线路基本是《79规程》之后设计修建的，500 kV线路更是《99规程》之后才大量建设。因此，本文主要对后三种规程与《18规范》的风荷载作对比分析。
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《18规范》中对导线及地线风荷载的标准值，采用下式计算：
(（1）) 式中：WX为导地线水平风荷载设计值；γ0为分项系数；αL为风压不均匀系数；μZ为风压高度变化系数；μSC为导线或地线的体型系数；βC为导线及地线风荷载调整系数；B1为覆冰增大系数。
历年规程规范对导地线风荷载计算公式都与上式基本一致，只是各规范参数取值有所不同，主要涉及风压高度变化系数、体型系数、风压不均匀系数及风荷载调整系数［7-8］。
《79规程》采用安全系数法，安全系数取1.5；而后规程采用分项系数法，考虑可变荷载及材料分项系数，其值为1.54。
风压高度变化系数按照B类地貌考虑，《79规程》及《99规程》地面粗糙度指数为0.3及0.32。《10规程》及《18规范》地面粗糙度指数分别取0.32及0.3。
广东沿海台风地区，其风速一般都在33 m/s以上，历年规程的风压不均匀系数均为0.7。《18规范》中风压不均匀系数调整表述为档距折减系数，对于500 kV线路线高一般30~50之间，其值一般在0.73~0.84之间，对于220 kV线路，线高一般15~40之间，其值一般在0.7~0.8之间。
风荷载调整系数在99规程及以后才提出，而《99规程》及《10规程》只考虑了对500 kV线路考虑1.3的系数，220 kV及以下并不考虑。而《18规范》给出了计算方法，B类地貌其值一般在1.4~1.5之间，线越高值越小。
线条风荷载历年规范各系数典型取值范围如下表1所示。
规范 γ0 μZ μSC αL βc 《79规程》 1.50 (X/10)^0.3 1.1~1.2 0.7 1.0 《99规程》 1.54 (X/10)^0.32 1.1~1.2 0.7 1.3*(1.0) 《10规程》 1.54 (X/10)^0.32 1.1~1.2 0.7 1.3*(1.0) 《18规范》 1.54 (X/10)^0.3 1.0~1.1 0.73~0.84*(0.70~0.80) 1.4~1.5 Table 1.
Typical value range of coefficients in different codes in lines -
《18规范》中对塔身风荷载的标准值，采用下式计算：
(（2）) 式中：WS为塔身水平风荷载标准值；μs为塔架的体型系数；βz为高度为z的铁塔段的风振系数。
历年的杆塔风荷载计算公式都与上式基本一致，只是各规范参数取值有所不同，主要涉及风压高度变化系数、体型系数及风振系数［9］。
风压高度变化系数与导线风荷载一致。
体型系数《79规程》采用1.4（1+η）；后续规范采用当时现行《建筑结构荷载规范》，均为1.3（1+η），各规范对η取值也一致。
对于塔身风振系数，《79规程》60 m以下未考虑，60 m以上考虑1.5；《99规程》及《10规程》一般取值在1.25~1.6之间，与高度成正比，铁塔越高，系数越大，与《18规范》相比，风振系数考虑不充分。
《18规范》风振系数，60 m以下不再采用统一系数，而是按照振型计算其风振系数。
计算常用的500 kV及220 kV双回路直线塔角钢塔不同高度的加权βz，可以得到表2及表3。
(（3）) 式中：Ai为每段的挡风面积；hi为每段的计算高度。
全高/m 72 78 84 90 96 102 108 5D2W2-Z1 1.676 1.672 1.655 1.650 — — — 5D2W2-Z2 — 1.656 1.647 1.643 1.628 — — 5D2W2-Z3 — — 1.644 1.636 1.632 1.620 — 5D2W2-Z4 — — 1.658 1.649 1.646 1.634 1.631 Table 2.
Suspension angle tower of 500 kV double circuit lines βz 全高/m 42 45 48 51 54 57 60 63 2F2W9-Z1 1.730 1.726 1.728 1.693 1.693 — — — 2F2W9-Z2 1.725 1.722 1.722 1.720 1.696 1.703 1.689 — 2F2W9-Z3 — 1.700 1.715 1.720 1.725 1.715 1.703 1.687 2F2W9-Z4 1.745 1.743 1.740 1.736 1.713 1.712 1.698 — Table 3.
Suspension angle tower of 220 kV double circuit lines βz 计算典型500 kV双回路及220 kV双回路直线角钢塔不同呼高的风振系数，如表2、表3所示。
由上表可知，其加权平均值一般在1.6~1.8之间，而且矮塔值往往比高塔更大，这与《99规程》及《10规程》的规定是相反的，后者低估了矮塔的风振系数。扩大计算范围可知，对于一般220 kV及500 kV双回路铁塔，其值一般在1.4~1.8之间。
塔身风荷载历年规范各系数典型取值范围如表4所示。
规范 γ0 μZ μsc βz 《79规程》 1.50 (X/10)^0.3 1.4（1+η） 1 《99规程》 1.54 (X/10)^0.32 1.3(1+η) 1.25~1.6 《10规程》 1.54 (X/10)^0.32 1.3(1+η) 1.25~1.6 《18规范》 1.54 (X/10)^0.3 1.3(1+η) 1.4~1.8 Table 4.
Typical value range of coefficients in different codes in tower
2.1. 线条风荷载
2.2. 塔身风荷载
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选取具有代表性的500 kV及220 kV双回路角钢铁塔，通过实际的使用条件计算《18规范》各系数，如表5、表6所示。
塔型 呼高 Lh βc αL βz 5D2W2-Z1 42 424 0.750 1.410 1.676 5D2W2-Z2 48 509 0.746 1.400 1.656 5D2W2-Z3 48 668 0.733 1.400 1.650 5D2W2-Z4 60 551 0.747 1.380 1.649 5D2W2-J1 36 450 0.745 1.420 1.655 5D2W2-J2 36 450 0.745 1.420 1.614 5D2W2-J3 36 450 0.745 1.420 1.602 5D2W2-J4 36 450 0.745 1.420 1.599 Table 5.
Key coefficients of 500 kV double circurt in 18 codes 塔型 呼高 Lh βc αL βz 2F2W9-Z1 30 378 0.750 1.430 1.728 2F2W9-Z2 36 432 0.747 1.420 1.696 2F2W9-Z3 48 454 0.750 1.400 1.686 2F2W9-Z4 36 636 0.728 1.420 1.713 2F2W9-J1 30 400 0.747 1.430 1.714 2F2W9-J2 30 400 0.747 1.430 1.584 2F2W9-J3 30 400 0.747 1.430 1.549 2F2W9-J4 30 400 0.747 1.430 1.516 Table 6.
Key coefficients of 220 kV double circurt in 18 codes 按照塔身风与导线风占比40%~60%之间考虑，取0.6Wc+0.4Wt及0.4Wc+0.6Wt的较小值作为控制值，其荷载设计值与《18规范》的比值如表7所示，其中W79指《79规范》计算的风荷载与《18规范》比值。
塔型 500 kV双回路角钢塔 5D2W2 220 kV双回路角钢塔 2F2W9 W79 W99 W10 W79 W99 W10 Z1 0.801 0.977 0.977 0.644 0.780 0.780 Z2 0.811 0.989 0.989 0.654 0.815 0.815 Z3 0.820 0.999 0.999 0.659 0.831 0.831 Z4 0.818 0.998 0.998 0.658 0.823 0.823 J1 0.806 0.981 0.981 0.648 0.785 0.785 J2 0.815 0.991 0.991 0.678 0.814 0.814 J3 0.818 0.994 0.994 0.687 0.822 0.822 J4 0.819 0.995 0.995 0.696 0.831 0.831 Ave. 0.814 0.991 0.991 0.665 0.813 0.813 Table 7.
Ratio to 18 codes of 500 kV and 220 kV angle tower 参考表5~表6计算结果，将500 kV线路及220 kV的线高、档距、铁塔高度、风振系数等取平均数，计算可得到荷载占比平均数，如表8所示。
规程 电压 线μz μsc αL βc βz 比值 79规程 500 1.52 1.10 0.70 1.00 1.500 0.816 99规程 500 1.56 1.10 0.70 1.30 1.600 0.995 10规程 500 1.56 1.10 0.70 1.30 1.600 0.995 18规范 500 1.52 1.00 0.74 1.40 1.650 1.000 79规程 220 1.23 1.10 0.70 1.00 1.000 0.644 99规程 220 1.25 1.10 0.70 1.00 1.450 0.774 10规程 220 1.25 1.10 0.70 1.00 1.450 0.774 18规范 220 1.23 1.00 0.74 1.48 1.700 1.000 Table 8.
Mid-value of key coeff. and ratios of 500 kV and 220 kV lines 按照《99规程》或《10规程》满应力设计的500 kV输电线路，基本满足《18规范》的荷载要求；220 kV的输电线路，只有《18规范》的80%左右，其主要原因是220 kV线路《99规程》或《10规程》考虑的线条风荷载及塔身风振系数不充分。
按照《79规程》满应力设计的500 kV输电线路，荷载设计值只有《18规范》的82%左右，主要原因是没有考虑线条风振系数，但是广东沿海强台风区基本没有按《79规程》设计的500 kV输电线路。而按照《79规程》满应力设计的220 kV及以下线路，荷载设计值只有《18规范》的65%左右，不满足最新荷载规范的要求。
沿海地区满应力设计的铁塔，风荷载为控制荷载，其抗风能力与荷载比值成正比。由此可知，按照历年规程设计的存量线路，除《99规程》及《10规程》设计的500 kV输电线路外，其余的已有线路抗风能力均不能达到《18规范》的要求，建议按线路的不同可靠度需求进行差异化进行加固或者重建，来保证线路的安全经济运行。
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通过历年规范线条风及塔身风与新荷载规范对比，得出以下结论：
1）综合荷载分项系数与材料分项系数，《79规程》取1.5，其余均为1.54；风压高度变化系数《79规程》与《18规范》近似，为0.30的指数幂，而其余为0.32的指数幂；导地线体型系数《18规范》有所减小，大约减小10%；塔身风荷载体型系数《79规范》为1.4，其余均调整为1.3。
2）风振系数取值变化比较大，也是历年规范设计线路抗风能力不同的主要原因。对于线条风荷载，《79规程》为1.0；《99规程》与《10规程》500 kV线路均为1.3，220 kV及以下均为1.0；《18规范》取值区间一般在1.4~1.5之间。
3）对于塔身风荷载风振系数，《79规程》60m以下未考虑，60 m以上考虑1.5；《99规程》及《10规程》一般取值在1.25~1.6之间，与高度成正比，铁塔越高，系数越大；《18规范》取值一般在1.4~1.8之间，矮塔往往比高塔风振系数更大。可知，《99规程》及《10规程》铁塔塔身风，矮塔被低估了。
4）《99规程》与《10规程》建设的500 kV线路抗风能力与《18规范》基本一致，而其标准建设的220 kV其抗风能力只有《18规范》的80%左右。《79规程》建设的500 kV只有《18规范》82%左右，220 kV及以下仅有《18规范》的65%~67%。可见按照以往规程建设的220 kV以下的线路，抗风能力均较差。这也是沿海地区风灾倒塔严重的主要原因。
5）对于不满足《18规范》要求的存量线路，特别是按照《79规程》修建的老线路，抗风可靠度比较低，建议按线路的不同可靠度需求进行差异化进行加固或者重建，确保线路的安全经济运行。
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