架空线路的运行环境及要求

架空线路露置于大气之中，则必然受到气象条件变化的影响，就力学上的影响讲，主要是风速，覆冰厚度和气温这三大要素。可以说对线路的机械荷载而言，气象条件始终是一个自变量。由于线路的机械荷载不仅影响着导线自身的应力，弧垂及长度，而且也决定了对杆塔和杆塔基础的受力大小。因此在线路设计中，选用什么气象条件进行有关的力学分析和计算，
这对于保证线路建设的安全性和经济性都具有重要意义。为此我们要对三要素在力学上对导线可能产生的实际影响加以分析说明，并由此确定线路设计中计算使用的气象条件。
一般来说，沿线气象状况对输电线路的影响有电气和机械两个方面，有关气象参数包括有风速、覆冰厚、气温、空气温度、雷电活动的强弱等；对机械强度有影响的气象参数则主要为风速、覆冰厚度及气温，故称为设计气象条件三要素。

1．风速
风对输电线路的影响主要有三个方面：
首先，风吹在导线、杆塔及其附件上，增加了作用在导线和杆塔上的荷载。因为风吹导线时，必然对其造成一定的压力，在力学上就表现为增加一个机械荷载，就方向上来说，风对导线及杆塔形成一个水平荷载。
其二，导线在由风引起的垂直线路方向的荷载作用下，将偏离无风时的铅垂面，从而改变了带电导线与横担、杆塔等接地的距离。
第三，导线在稳定的微风作用下将可能引起振动；统计表明，在低温及微风时，会在导线背风面上下方形成一个交替的涡流，相应对导线产生一种上下交替作用力，如果此力频率与导线自振频率相近时，便会使导线产生振动。这个振动的作用将加速导线疲劳，严重时会造成断股或断线，为此需采取防振措施。此外，在稳定的中速风的作用下将引起导线舞动；这种舞动可能使上下排列导线之间发生混线。总之，导线的振动和舞动都将危及线路的安全运行，为此必须充分考虑风的影响。
输电线路设计中所采用的风速是离地15m高连续自记10min平均风速，最大设计风速一般取15年一遇的最大值。配电线路的最大设计风速则采用10年一遇的离地10m高处连续自记10min平均最大值。因此在线路设计时和运行过程中均需广泛搜集、积累沿线风速资料。但应注意，若气象台站的风仪调试及测计方法不一定符合输电线路采用的要求时，就需经过一定的方法，将其换算到输电线路的设计风速。另外，在离地不同的高度风速大小是不同的，当导线高度较高，如跨越江河等地段，其风速还应计及高度影响。
2.覆冰厚度
就方向而言，线路覆冰时将对导线及杆塔形成一个垂直荷载。输电线覆冰对输电线路安全运行的威胁主要有如下几个方面：一是由于导线覆冰，荷载增大，可能引起断线、连接金具破坏，甚至倒杆等事故；二是由于覆冰严重，使导线弧垂增大，造成与被跨越物或对地距离变小，引起放电闪络事故等；三是由于不同时脱冰使导线跳跃，易引起纬线间以及导线与避雷线部闪络，烧伤导线或避雷线。发生冰害事故时，往往正是气候恶劣、通信中断、交通受阻、检修十分困难之时，从而造成电力系统长时间停电。
覆冰形成的气候条件一般是周围空气温度在-2 ℃～ -10℃，空气相对湿度在90%左右，风速在5～15m/s范围内。这样情况下将会使空气中的冷却水或雾在导线上冻结成冰。覆冰的形成还与地形、地势条件及输电线离地高度有关，如平原的突起高地、暴露的丘陵顶峰和高海拔地区，迎风山坡，特别是坡向朝河流、湖泊及水库等地区，其覆冰情况均相对较严重。在同一地点，导线悬挂点距地面越高，覆冰也越严重。
覆冰的形成，空气湿度是必要条件，在我国北方，虽然气温较低，但由于空气相对较干燥，覆冰反而不如南方有些地区严重。
输电线路设计时覆冰按等厚中空圆形考虑，实际上在一档导线的不同位置其覆冰厚度是不均匀的，这样考虑主要是便于分析计算。通常密度取0.9g/cm³,且取15年一遇的最大值。然而实际覆冰断面可能是各种不规则形状．可用下面两种常用方法换算。
(1)测水重法。如果将试样长度为L的导线冰层全部收集起来，待冰融化后称其重量为G，然后再换算成标准状态下的冰层厚度。
(2)测总重法。测每米覆冰架空线试样的总质量，然后算出标准状态下的冰层厚度。
3．气温
气温的变化，将引起导线热胀冷缩，从而影响输电线的弧垂和应力。显然，输电线路所经过地区的历年来最高气温和最低气温是我们特别关心的。
因为，气温越高，导线由于热涨引起的伸长量越大，弧垂增加越多，此时需要考虑导线对被交叉跨越物和对地距离应满足要求；反之气温越低，线长缩短越多，应力增加越大，此时则需要考虑导线机械强度应满足要求。另外，年平均气温、最大风速时的气温也必须适当选择。在线路设计中，一般最高气温取+40℃，最低气温取偏低于5的倍数值。
有了气象条件三要素的概念,我们现在讨论它们的组合问题。

在线路设计中，作为计算依据的气象条件称计算用气象条件。而对风速、冰厚和温度各取什么值称为气象条件组合，对于三要素的组合是否合理，对于整个线路设计工作具有重大影响，例如最大风速下的温度常在什么数值之间，最低气温下的风速常为多少等等。
输电线路在运行中将连续经历各种气象条件，实际上，我们要对所有气象条件进行分析、计算是不可能的，也是不必要的。
因此，在实际工程中，只要把握了对线路各部件起控制作用的几种气象条件．也就把握了所有气象条件对输电线路的影响。对此，我们必须结合实际情况，慎重地分析原始气象资料，对风速、覆冰厚度和气温进行合理的组合，概括出既在一定程度上反映自然界的气象规律，又适合线路结构上的技术经济合理性及设计计算的方便性的“组合气象条件”。气象条件一般常用的组合有九种：最高气温、最低气温、年平均气温、最大风速、最大覆冰、内过电压(操作过电压)、外过电压(大气过电压)，以及安装情况和事故断线情况。
为了设计、制造上的标准化和统一，根据我国不同地区的气象情况和多年的运行经验．我国各主要地区组合后的气象条件归纳为九个典型气象区．其气象参数的组合见表1-14所示。
对于超高压线路设计的典型气象参数可详见有关线路设计规程以及输电工程设计手册等。

由于我国幅员辽阔，气象情况复杂，九个典型气象区不能完全包括，所以各大区、甚至各省区又根据本地区的气象持点，划分出本地区的典型气象区。在实际使用中，通常是将线路沿线实际气象数据与典型气象区相比较，采用其中最接近的某一典型气象区数值。
以上提到的九种组合气象条件是从技术角度要求线路在正常运行、安装、检修、事故断线等情况下应满足的组合气象条件。现简介如下：
1.线路正常情况下的气象条件组合
线路正常运行时，使导线及杆塔的受力最严重的条件有：最大风速、覆冰、最低气温和年平均气温4种情况。直观分析可知它们不应组合在一起，即最大风速、覆冰、最低气温三者同时出现是不可能事件，如最大风速时不可能覆冰（空气中无冷却水），且不在最低气温下；又如在最低气温时，其风速一般很小，且不会覆冰等等。
从受力角度讲，前三种条件均有可能使导线受到最大应力，其中最大风速与覆冰将分别给予导线最大水平荷载和最大垂直荷载，而最低气温时，其荷载虽小，但因导线收缩则增加导线应力。因此对这三种情况必须注意导线的应力不应超过允许使用值。后一种组合，即年平均气温气象条件组合，它是从导线防振角度提出的。由于振动则会使导线增加一个附加应力，与原静态应力一起也可能使导线应力超过其允许的平均运行应力。
以上4种气象条件组合分别为：
(1)最大风速；无冰和相应气温；
(2)覆冰；相应风速（10m/s左右），气温－5℃；
(3)最低温；无冰，无风；
(4)年平均气温；无冰，无风。
这里需要明确:由于导线力学计算中会经常遇到这4种气象条件组合，故作一下单独说明。
2．线路安装和检修情况下的气象组合
这个组合气象条件主要是用于计算安装检修条件下对杆塔荷载大小的影响，一般取风速为10m/s，无冰，气温为－10℃左右。这里的风速值为可作业条件下的最大可能风速（6级以上风速下停业），温度取偏低值是考虑使杆塔设计与校验为可能较严峻情况，线路安装和检修情况在线路设计中属于特殊气象组合。
3．线路事故情况下的气象组合
这里的事故仅指断线情况，断线事故发生一般是由外力引起，这与气象条件几乎没有什么联系。而此组合设置的目的是为了计算或校验在断线情况下的杆塔强度（受力），具体又分为是否为重冰情况等。
此外，九个组合中，如内外过电压气象条件主要用绝缘间隙的校验；最高气温主要用确定最大弧垂及校验对地安全距离是否满足要求等。

根据线路设计的要求,气象资料收集的内容和用途如下:
(1)历年极端最高气温。用以计算导线最大弧垂和导线发热。
(2)历年极端最低气温。用以计算杆塔强度,检验导线上拔力等,因为在最低气温时,导线可能产生最大应力。
(3)历年年平均气温。
主要用来确定年平均气温,计算导线的年平均气温时的应力,以确定导线的防振设计。
(4)历年最大风速及最大风速月的平均气温。
这是线路设计气象条件的要资料。收集最大风速月的平均气温,其目的是确定最大风速时的气温。最大风速是计算杆塔和导线机械强度的基本条件之一。收集历年最大风速时,还必须收集最大风速的出现时间(年、月、日) 、风向、风速仪型式及安装高度、观测时距和观测次数。
(5)地区最多风向及其出现频率。主要用于考虑导线防振设计、防腐及绝缘子串的防污设计。
(6)导线覆冰厚度。收集冰凌直径、挂冰类别,挂冰持续时间及挂冰的气温、风向、风速等资料。覆冰资料用于计算杆塔和导线的机械强度以及验算不均匀覆冰时,垂直排列的导线间接近的距离。
(7)雷电日数。收集年平均雷电日数,作为防雷设计的依据。
以上气象资料主要来源于沿线附近约100Km范围内各气象台站的逐年气象记录数据。
将这些数据整理并进行换算后,即可作为线路设计的气象数据。当沿线气象台站较少或距线路较远时,一方面可调查了解沿线附近运行输电线路及电信线路曾遇到的气象情况(当地曾发生的异常气象,如风暴,雷击,结冰等)引起的灾害；另一方面可收集距线路更远的气象台站的气象资料,以作参考,使线路的设计气象条件更符合实际情况。

在进行输电线路计算时，需将收集到的风速、覆冰厚度等气象条件资料进行换算，经过换算确定出设计用气象条件。
最大风速的选取按下面方法进行：
由于气流和地面的摩擦，风速沿高度的分布是不均勺的．离地面越高，风速越大，所以从气象站收集到的风速值与风速仪的安装高度有关。另外风速的测记方式不同，得到的风速数值也不同。
我国《架空线路技术规程》规定，设计风速是指离地面15m高处若干年一遇的连续自记10min的平均风速。所以需要将收集到的风速数据进行一些换算才能得到线路设计中所需要的最大风速。
(1)次时换算。将风速仪高度为h的四次定时．时距2min的平均风速，换算为高度仍为h时的连续自记10min的平均风速，其换算公式见书中附表。
(2)高度换算
风速仪的安装高度不一定是15m,因此需将风速仪安装高度为h时的连续自记10mm的平均风速V_h，换算为离地面15m时的连续自记10min的平均风V₁₅，一般可按下式计算
V₁₅＝k₀V_h（1-6）
式中：V₁₅—距地面高度为15m，连续自记 10min的平均风速，m/s；
V_h一距地而向度为hm处的连续自记10min的平均风速，m/s；
k₀一风速高度换算系数。
(3)最大风速的选定
《架空线路技术规程》规定，线路应按其重要程度的不同，分别考虑最大风速的重现期，重现期越长．说明该风速越稀少，即风速越大。对35—220kv线路的最大风速一般采用15米高处，15年一遇，其值不低于25m/s。
最大风速的选取，是根据历年资料的最大风速值经过次时、高度换算后，可以用比较简单方便的“经验频率法”确定，其计算公式为
　(1-7)
式中：P—最大风速出现的频率；
n—统计风速的总次数；
m—将统计年份内出现的全部最大风速值由小到大按递减顺序列表编号(风速数值不论是否相同都须占一个编号)，则序号即该风速的m值。