中歐輸電線路電氣設計標準主要內容對比研究

岳 浩 ，陳 媛 ，林 芳 ，呂健雙

（1.中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司，湖北 武漢 430071；2.中國能建工程研究院高壓直流技術研究所，湖北 武漢 430071）

1 概述

在電力建設市場競爭日益國際化的今天，國內電力設計院和電力建設公司的涉外輸電線路工程越來越多，許多工程都要求采用歐盟標準進行設計。中國與歐盟等發達國家有著不同的社會發展歷史和背景，設計標準作為各國多年的研究成果和經驗積累的技術文件，內容也不盡相同。這就要求電力設計院與時俱進，盡快熟練掌握并運用國外的設計標準進行工程設計，以利不斷拓展電力設計院的業務和市場范圍。

歐盟標準《Overhead Electrical Lines Exceeding AC 45 kV》（EN 50341 － 1:2012）是世界上廣泛使用的輸電線路設計標準之一，其內容涵蓋范圍較廣，包括輸電線路的荷載規定、結構設計和電氣設計等各方面內容。

本文選取我國架空線路設計標準《110 kV～750 kV架空輸電線路設計規范》（GB 50545－2010）、《1 000 kV架空輸電線路設計規范》（GB 50665－2011）和歐盟架空線路設計標準EN 50341－1:2012，從重現期、穩定性、導地線風荷載、導線和絕緣子安全系數、絕緣配合、空氣間隙等方面進行了比較研究，了解中歐設計標準的異同點，為國內工程建設單位走出國門參與國際工程提供參考。

2 重現期與穩定性

我國國家標準GB 50545－2010規定基本風速、設計冰厚重現期應符合下列規定：750 kV、500 kV輸電線路及其大跨越重現期應取50 a；110 kV～330 kV輸電線路及其大跨越重現期應取30 a。GB 50665－2011規定基本風速、設計冰厚重現期應按100 a確定。

歐盟標準EN 50341－1:2012規定架空線的重現期應滿足如下要求：

（1）各國應結合當地的經驗和該國標準來確定線路的可靠性水平，一般來說，至少應高于表1中的1級可靠性水平，如有例外應在各國標準中加以規定。

（2）當采用統計法時，可參考表1中的可靠性分級，分別由不同的氣象重現期來反映。

表1 可靠性水平對應的氣象重現期

中國標準和歐盟標準在氣象重現期、穩定性方面的不同之處在于：

（1）中國標準最低重現期為30 a，歐盟標準為50 a；中國標準最高重現期（1000 kV）為100 a，歐盟標準為500 a。

（2）中國標準嚴格規定了各電壓等級線路需滿足的重現期，歐盟標準僅給出可靠性水平分級表，未規定各電壓等級線路應滿足的重現期。

（3）在穩定性方面，GB 50545－ 2010和GB 50665－2011均規定輕、中、重冰區的耐張段長度分別不宜大于10 km、5 km和3 km。如果耐張段長度較長，則需要采取防止串倒的措施。在線路高差或者檔距相差特別大的重冰區或者山區等地段，耐張段長度應該適當地縮短。

（4） EN 50341 － 1:2012 關于穩定性要求關注的是線路發生串倒事故時的荷載或為阻止這種事故而采取的措施。一些線路由于非常重要或者要在嚴峻的氣象條件下運行，所以其穩定性要求可能很高。此時，應根據經驗和線路類型采用其他手段以增強線路的穩定性，如在特定耐張段中間添加耐張塔，以減小串倒發生的概率等。中國標準和歐盟標準都對線路穩定性有規定，都為了阻止線路發生覆冰、大風串倒而提出了設計要求。

3 導地線風荷載

EN 50341－1:2012確定荷載作用值有兩種方法：（1）常規法。依據氣象統計數據、試驗數據和觀測數據的統計學分析，參照IEC 60826－2016中的可靠性理論進行；（2）經驗法。在實際中，經驗法與常規法相互補充和校核，也可二選一使用。

EN 50341－1:2012的常規法中，水平檔距內每根子導線的風荷載計算式為：

采用經驗法時水平檔距內每根子導線的風荷載計算式為：

GB 50545－2010與GB 50665－2011中規定的導線及地線的水平風荷載標準值計算公式為：

式（1）～（3）中：QWc為每根子導線的風荷載（kN）；Wx為垂直于導線及地線方向的水平風荷載（kN）；d為導線直徑 （m）；L及Lp為水平檔距（m）；B為覆冰荷載增大系數；φ、θ為風向角，GB 50545－2010中為風向與導地線方向之間的夾角，EN 50341－1:2012中為風向與導地線法線之間的夾角；其它參數的含義和主要差異詳見表2。

表2 中歐標準中的部分風荷載參數的主要差異對比

我國風荷載規范中，基本風壓Wo為：

式中：Wo為基準風壓標準值（kN/m2）；V為基準高度為10m的風速（m/s）；ρ為標準大氣壓101.325 kPa、氣溫10℃下的干燥空氣密度，取值1.25 kg/m3。

歐盟標準中使用常規法時的動態風壓qh為：

式中：qh為動態風壓（N/m2）；Vh為離地高度h處的風速（m/s）；空氣密度ρ為1.225 kg/m3（標準大氣壓101.325 kPa、氣溫15℃時的空氣密度）。

使用經驗法時，動態風壓為：

式中：qc為動態風壓（N/m2）；Vh為離地高度h處的風速（m/s）；空氣密度在氣溫10℃時推薦值取1.25 kg/m3。

中歐標準規定輸電線路風荷載基本風速的基準高度均為10 m，風速樣本模型均為極值I型。歐盟標準的風速分為平均風速和瞬時風速兩種表達方式，兩種風速可以互相換算。中國標準統一采用平均風速。二者僅在空氣密度常數、重現期取值上有差異。

中歐荷載標準的風壓高度變化系數在各地形類別中均近似一致，歐盟標準的取值略大。歐盟標準的陣風響應系數與導地線離地高度、地形種類有關，與電壓等級無關；我國標準的風荷載調整系數僅與風速相關，適用于500 kV及以上電壓等級。在數值上，歐盟標準的陣風響應系數較我國標準的風荷載調整系數大出許多。我國標準中的風壓不均勻系數僅與風速值大小相關；而歐盟標準中檔距系數與檔距、地形類別相關。

以某500 kV線路風荷載為例，計算中國標準與歐盟標準的風荷載差異，計算結果見表3。從結果可知，中國標準的風荷載值偏小，主要原因是EN 50341－1:2012的陣風響應系數大于GB 50545－2010的風荷載調整系數。

表3 中國標準與歐盟標準的風荷載計算結果

4 導線、金具及絕緣子安全系數

4.1 荷載工況

GB 50545－2010關于桿塔正常運行工況下的荷載組合為：（1）基本風速、無冰、未斷線；（2）設計覆冰、相應風速及氣溫、未斷線；（3）最低氣溫、無冰、無風、未斷線。

EN 50341－1:2012規定的標準工況見表4。

表4 EN 50341－1:2012規定的標準工況

歐盟標準的工況比中國標準要多。歐盟標準除考慮最大覆冰工況外，還考慮了“一定覆冰伴隨較大風速”的工況，也就是說，歐盟標準的工況包含中國標準的所有工況。而對于斷線工況，中國標準的斷線工況為有冰無風；歐盟標準斷線工況為正常環境溫度、無風、無冰工況。

4.2 導線安全系數

GB 50545－2010規定導線及地線在檔中弧垂最低點的安全系數不應小于2.5，在懸掛點處的安全系數不應小于2.25，地線的安全系數不應小于導線。導線及地線在檔中弧垂最低點的最大張力Tmax的計算式：

式中：Tmax為導線及地線在檔中弧垂最低點的最大張力（N）；Tp為導線及地線的拉斷力（N）；Kc為導線及地線的安全系數。

同時，導線及地線在稀有覆冰或稀有風速條件下，檔中弧垂最低點處最大張力不應超過導地線拉斷力的70%，懸掛點處最大張力不應超過導地線拉斷力的77%。對于鋁鋼截面比不小于4.29的鋼芯鋁絞線或者鍍鋅鋼絞線，平均運行張力上限值為25%。

EN 50341－1:2012規定無論采用常規法還是經驗法，所有類型導線額定拉斷力的安全系數γM至少為1.25。

中國標準給出了不同條件對應的導地線安全系數，而歐盟標準的安全系數僅給出了最嚴重情況時的值。

4.3 金具及絕緣子安全系數

我國標準規定金具強度的安全系數應符合下列規定：（1）最大使用荷載情況不應小于2.5；（2）斷線、斷聯、驗算情況不應小于1.5。

EN 50341－1:2012規定架空線路的金具設計應能滿足規定的機械強度的要求。采用經驗法計算荷載時，額定最小故障負荷下的安全系數γM最小值為1.6；采用常規法時，其最小值為1.6；工程規范書中可以規定更高的安全系數。對于可能站人的金具，應考慮集中特征荷載1.5 kN。

對于絕緣子安全系數，我國標準的要求值見表5。對于雙聯及多聯絕緣子串，應該驗算斷一聯后的絕緣子串機械強度，此時絕緣子串的荷載及安全系數按照斷聯的情況考慮。

表5 中國標準中的絕緣子機械強度安全系數

EN 50341－1:2012規定絕緣子應滿足所需的機械強度的要求，在采用經驗法時，所有類型的絕緣子安全系數都不應低于2.0。

因此，對于金具及絕緣子安全系數，我國標準規定更細化，歐標則僅考慮了最嚴重情況。

5 絕緣配合及空氣間隙

5.1 絕緣配合

GB 50545－2010和GB 50665－2011規定絕緣配合一般由污閃控制絕緣子片數，再由過電壓進行校驗。

EN 50341－1:2012確定絕緣配合水平的過程主要是選擇一系列標準耐受電壓的過程。對于架空線路，此過程一般包括以下三步：（1）確定線路的代表過電壓（Urp）；（2）確定配合耐受電壓 （Ucw）；（3）確定所需的耐受電壓 （Urw）。另外，根據絕緣子實驗耐受電壓和工程過電壓來確定所需的絕緣片數。

中歐標準中的絕緣配合均以實驗或運行經驗為依據，但是歐盟標準沒有空氣間隙值和絕緣子片數的明確規定值，推薦根據具體工程和業主習慣來確定。

5.2 空氣間隙

GB 50545－2010規定在海拔不超過1000 m的地區，帶電部分與桿塔構件的最小空氣間隙應符合表6要求。

表6 GB 50545－2012關于空氣間隙的規定值

歐盟標準EN 50341－1:2012共規定了5種空氣間隙。

（1）Del：緩波頭或者陡波頭過電壓下，導線與接地構件之間不發生放電的最小空氣間隙，如導線與塔身、導線與跨越物之間的距離。

（2）Dpp：緩波頭或者陡波頭過電壓下，導線相間不發生放電的最小空氣間隙。

（3）D50Hz_p_e：工頻電壓下，導線與接地構件之間不發生放電的最小空氣間隙。

（4）D50Hz_p_p：工頻電壓下，導線相間不發生放電的最小空氣間隙。

（5）asom：線路全線導線與接地構件之間最小間隙值。

EN 50341－1:2012中的5.5條采用公式法進行計算給出了上述空氣間隙值；5.5.3條采用經驗法提出根據在歐洲廣泛采用的、已經證明對公眾安全的數據分析得來的空氣間隙值，見表7。

表7 EN 50341－1:2012關于空氣間隙的規定值

從上述分析可知：（1）歐盟標準沒有規定具體的空氣間隙值，推薦的做法是根據具體工程和設計習慣來確定；中國標準對空氣間隙值做了具體規定，所有工程統一執行。（2）歐盟標準中的空氣間隙工況為：導線最高溫度、設計風速（無風/3 a一遇大風/50 a一遇大風）、導線覆冰、覆冰同時風速；而我國標準中的空氣間隙工況為：最大風速、最大覆冰、雷電過電壓、操作過電壓、帶電作業。

5 結論

本文對比了中國與歐盟輸電線路標準在電氣設計上的異同點，結論如下：

（1）在重現期方面，中歐標準最低重現期分別為30 a和50 a，最高重現期分別為100 a和500 a；中國標準嚴格規定了各電壓等級線路所需滿足的重現期，歐盟標準則未規定各電壓等級線路應滿足的重現期。在穩定性方面，中歐標準都對線路穩定性有規定，都為阻止線路發生覆冰、大風串倒而提出了設計要求。

（2）中歐標準中輸電線路風荷載的基本計算式是相近的，在具體系數取值上亦有異同點。在基本風速的基準高度、風速樣本模型方面的規定相同，但空氣密度常數、重現期取值上有所差異。歐盟標準的風壓高度變化系數值略大。歐盟標準陣風響應系數與導地線離地高度、地形種類有關，與電壓等級無關；我國標準的風荷載調整系數僅與風速相關，適用于500 kV及以上電壓等級。在數值上，歐盟標準的陣風響應系數偏大許多。我國標準中的風壓不均勻系數僅與風速值大小相關；而歐盟標準中檔距系數與檔距、地形類別相關。

（3）歐盟標準的荷載工況比中國標準要多；對于斷線工況，中國標準斷線工況為有冰無風；歐盟標準斷線工況為正常環境溫度、無風、無冰工況。中國標準給出了不同條件對應的導地線安全系數，歐盟標準的安全系數僅給出了最嚴重情況的值；對于金具及絕緣子安全系數，我國標準規定更細化，歐標僅考慮了最嚴重情況。

（4）中歐標準絕緣配合均以實驗或運行經驗為依據，沒有空氣間隙值和絕緣子片數的明確規定值，推薦根據具體工程和業主習慣來確定。中國標準做了具體規定，所有工程統一執行。歐盟標準中的空氣間隙工況為：導線最高溫度、設計風速（無風/3 a一遇大風/50 a一遇大風）、導線覆冰、覆冰同時風速；我國標準中的空氣間隙工況為：最大風速、最大覆冰、雷電過電壓、操作過電壓、帶電作業。