岳 浩 ，陳 媛 ，林 芳 ，呂健雙

（1.中國電力工程顧問集團(tuán)中南電力設(shè)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(shù)研究所，湖北 武漢 430071）

1 概述

在電力建設(shè)市場競爭日益國際化的今天，國內(nèi)電力設(shè)計院和電力建設(shè)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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計。中國與歐盟等發(fā)達(dá)國家有著不同的社會發(fā)展歷史和背景，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)作為各國多年的研究成果和經(jīng)驗(yàn)積累的技術(shù)文件，內(nèi)容也不盡相同。這就要求電力設(shè)計院與時俱進(jìn)，盡快熟練掌握并運(yùn)用國外的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行工程設(shè)計，以利不斷拓展電力設(shè)計院的業(yè)務(wù)和市場范圍。

歐盟標(biāo)準(zhǔn)《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(shè)計標(biāo)準(zhǔn)之一，其內(nèi)容涵蓋范圍較廣，包括輸電線路的荷載規(guī)定、結(jié)構(gòu)設(shè)計和電氣設(shè)計等各方面內(nèi)容。

本文選取我國架空線路設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)《110 kV～750 kV架空輸電線路設(shè)計規(guī)范》（GB 50545－2010）、《1 000 kV架空輸電線路設(shè)計規(guī)范》（GB 50665－2011）和歐盟架空線路設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)EN 50341－1:2012，從重現(xiàn)期、穩(wěn)定性、導(dǎo)地線風(fēng)荷載、導(dǎo)線和絕緣子安全系數(shù)、絕緣配合、空氣間隙等方面進(jìn)行了比較研究，了解中歐設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的異同點(diǎn)，為國內(nèi)工程建設(shè)單位走出國門參與國際工程提供參考。

2 重現(xiàn)期與穩(wěn)定性

我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50545－2010規(guī)定基本風(fēng)速、設(shè)計冰厚重現(xiàn)期應(yīng)符合下列規(guī)定：750 kV、500 kV輸電線路及其大跨越重現(xiàn)期應(yīng)取50 a；110 kV～330 kV輸電線路及其大跨越重現(xiàn)期應(yīng)取30 a。GB 50665－2011規(guī)定基本風(fēng)速、設(shè)計冰厚重現(xiàn)期應(yīng)按100 a確定。

歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN 50341－1:2012規(guī)定架空線的重現(xiàn)期應(yīng)滿足如下要求：

（1）各國應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)氐慕?jīng)驗(yàn)和該國標(biāo)準(zhǔn)來確定線路的可靠性水平，一般來說，至少應(yīng)高于表1中的1級可靠性水平，如有例外應(yīng)在各國標(biāo)準(zhǔn)中加以規(guī)定。

（2）當(dāng)采用統(tǒng)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(xiàn)期來反映。

表1 可靠性水平對應(yīng)的氣象重現(xiàn)期

中國標(biāo)準(zhǔn)和歐盟標(biāo)準(zhǔn)在氣象重現(xiàn)期、穩(wěn)定性方面的不同之處在于：

（1）中國標(biāo)準(zhǔn)最低重現(xiàn)期為30 a，歐盟標(biāo)準(zhǔn)為50 a；中國標(biāo)準(zhǔn)最高重現(xiàn)期（1000 kV）為100 a，歐盟標(biāo)準(zhǔn)為500 a。

（2）中國標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格規(guī)定了各電壓等級線路需滿足的重現(xiàn)期，歐盟標(biāo)準(zhǔn)僅給出可靠性水平分級表，未規(guī)定各電壓等級線路應(yīng)滿足的重現(xiàn)期。

（3）在穩(wěn)定性方面，GB 50545－ 2010和GB 50665－2011均規(guī)定輕、中、重冰區(qū)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(qū)或者山區(qū)等地段，耐張段長度應(yīng)該適當(dāng)?shù)乜s短。

（4） EN 50341 － 1:2012 關(guān)于穩(wěn)定性要求關(guān)注的是線路發(fā)生串倒事故時的荷載或?yàn)樽柚惯@種事故而采取的措施。一些線路由于非常重要或者要在嚴(yán)峻的氣象條件下運(yùn)行，所以其穩(wěn)定性要求可能很高。此時，應(yīng)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和線路類型采用其他手段以增強(qiáng)線路的穩(wěn)定性，如在特定耐張段中間添加耐張塔，以減小串倒發(fā)生的概率等。中國標(biāo)準(zhǔn)和歐盟標(biāo)準(zhǔn)都對線路穩(wěn)定性有規(guī)定，都為了阻止線路發(fā)生覆冰、大風(fēng)串倒而提出了設(shè)計要求。

3 導(dǎo)地線風(fēng)荷載

EN 50341－1:2012確定荷載作用值有兩種方法：（1）常規(guī)法。依據(jù)氣象統(tǒng)計數(shù)據(jù)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)和觀測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計學(xué)分析，參照IEC 60826－2016中的可靠性理論進(jìn)行；（2）經(jīng)驗(yàn)法。在實(shí)際中，經(jīng)驗(yàn)法與常規(guī)法相互補(bǔ)充和校核，也可二選一使用。

EN 50341－1:2012的常規(guī)法中，水平檔距內(nèi)每根子導(dǎo)線的風(fēng)荷載計算式為：

采用經(jīng)驗(yàn)法時水平檔距內(nèi)每根子導(dǎo)線的風(fēng)荷載計算式為：

GB 50545－2010與GB 50665－2011中規(guī)定的導(dǎo)線及地線的水平風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值計算公式為：

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

表2 中歐標(biāo)準(zhǔn)中的部分風(fēng)荷載參數(shù)的主要差異對比

我國風(fēng)荷載規(guī)范中，基本風(fēng)壓Wo為：

式中：Wo為基準(zhǔn)風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)值（kN/m2）；V為基準(zhǔn)高度為10m的風(fēng)速（m/s）；ρ為標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)中使用常規(guī)法時的動態(tài)風(fēng)壓qh為：

式中：qh為動態(tài)風(fēng)壓（N/m2）；Vh為離地高度h處的風(fēng)速（m/s）；空氣密度ρ為1.225 kg/m3（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101.325 kPa、氣溫15℃時的空氣密度）。

使用經(jīng)驗(yàn)法時，動態(tài)風(fēng)壓為：

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

中歐標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定輸電線路風(fēng)荷載基本風(fēng)速的基準(zhǔn)高度均為10 m，風(fēng)速樣本模型均為極值I型。歐盟標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)速分為平均風(fēng)速和瞬時風(fēng)速兩種表達(dá)方式，兩種風(fēng)速可以互相換算。中國標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一采用平均風(fēng)速。二者僅在空氣密度常數(shù)、重現(xiàn)期取值上有差異。

中歐荷載標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)壓高度變化系數(shù)在各地形類別中均近似一致，歐盟標(biāo)準(zhǔn)的取值略大。歐盟標(biāo)準(zhǔn)的陣風(fēng)響應(yīng)系數(shù)與導(dǎo)地線離地高度、地形種類有關(guān)，與電壓等級無關(guān)；我國標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)僅與風(fēng)速相關(guān)，適用于500 kV及以上電壓等級。在數(shù)值上，歐盟標(biāo)準(zhǔn)的陣風(fēng)響應(yīng)系數(shù)較我國標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)大出許多。我國標(biāo)準(zhǔn)中的風(fēng)壓不均勻系數(shù)僅與風(fēng)速值大小相關(guān)；而歐盟標(biāo)準(zhǔn)中檔距系數(shù)與檔距、地形類別相關(guān)。

以某500 kV線路風(fēng)荷載為例，計算中國標(biāo)準(zhǔn)與歐盟標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)荷載差異，計算結(jié)果見表3。從結(jié)果可知，中國標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)荷載值偏小，主要原因是EN 50341－1:2012的陣風(fēng)響應(yīng)系數(shù)大于GB 50545－2010的風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)。

表3 中國標(biāo)準(zhǔn)與歐盟標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)荷載計算結(jié)果

4 導(dǎo)線、金具及絕緣子安全系數(shù)

4.1 荷載工況

GB 50545－2010關(guān)于桿塔正常運(yùn)行工況下的荷載組合為：（1）基本風(fēng)速、無冰、未斷線；（2）設(shè)計覆冰、相應(yīng)風(fēng)速及氣溫、未斷線；（3）最低氣溫、無冰、無風(fēng)、未斷線。

EN 50341－1:2012規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)工況見表4。

表4 EN 50341－1:2012規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)工況

歐盟標(biāo)準(zhǔn)的工況比中國標(biāo)準(zhǔn)要多。歐盟標(biāo)準(zhǔn)除考慮最大覆冰工況外，還考慮了“一定覆冰伴隨較大風(fēng)速”的工況，也就是說，歐盟標(biāo)準(zhǔn)的工況包含中國標(biāo)準(zhǔn)的所有工況。而對于斷線工況，中國標(biāo)準(zhǔn)的斷線工況為有冰無風(fēng)；歐盟標(biāo)準(zhǔn)斷線工況為正常環(huán)境溫度、無風(fēng)、無冰工況。

4.2 導(dǎo)線安全系數(shù)

GB 50545－2010規(guī)定導(dǎo)線及地線在檔中弧垂最低點(diǎn)的安全系數(shù)不應(yīng)小于2.5，在懸掛點(diǎn)處的安全系數(shù)不應(yīng)小于2.25，地線的安全系數(shù)不應(yīng)小于導(dǎo)線。導(dǎo)線及地線在檔中弧垂最低點(diǎn)的最大張力Tmax的計算式：

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

同時，導(dǎo)線及地線在稀有覆冰或稀有風(fēng)速條件下，檔中弧垂最低點(diǎn)處最大張力不應(yīng)超過導(dǎo)地線拉斷力的70%，懸掛點(diǎn)處最大張力不應(yīng)超過導(dǎo)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(yùn)行張力上限值為25%。

EN 50341－1:2012規(guī)定無論采用常規(guī)法還是經(jīng)驗(yàn)法，所有類型導(dǎo)線額定拉斷力的安全系數(shù)γM至少為1.25。

中國標(biāo)準(zhǔn)給出了不同條件對應(yīng)的導(dǎo)地線安全系數(shù)，而歐盟標(biāo)準(zhǔn)的安全系數(shù)僅給出了最嚴(yán)重情況時的值。

4.3 金具及絕緣子安全系數(shù)

我國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定金具強(qiáng)度的安全系數(shù)應(yīng)符合下列規(guī)定：（1）最大使用荷載情況不應(yīng)小于2.5；（2）斷線、斷聯(lián)、驗(yàn)算情況不應(yīng)小于1.5。

EN 50341－1:2012規(guī)定架空線路的金具設(shè)計應(yīng)能滿足規(guī)定的機(jī)械強(qiáng)度的要求。采用經(jīng)驗(yàn)法計算荷載時，額定最小故障負(fù)荷下的安全系數(shù)γM最小值為1.6；采用常規(guī)法時，其最小值為1.6；工程規(guī)范書中可以規(guī)定更高的安全系數(shù)。對于可能站人的金具，應(yīng)考慮集中特征荷載1.5 kN。

對于絕緣子安全系數(shù)，我國標(biāo)準(zhǔn)的要求值見表5。對于雙聯(lián)及多聯(lián)絕緣子串，應(yīng)該驗(yàn)算斷一聯(lián)后的絕緣子串機(jī)械強(qiáng)度，此時絕緣子串的荷載及安全系數(shù)按照斷聯(lián)的情況考慮。

表5 中國標(biāo)準(zhǔn)中的絕緣子機(jī)械強(qiáng)度安全系數(shù)

EN 50341－1:2012規(guī)定絕緣子應(yīng)滿足所需的機(jī)械強(qiáng)度的要求，在采用經(jīng)驗(yàn)法時，所有類型的絕緣子安全系數(shù)都不應(yīng)低于2.0。

因此，對于金具及絕緣子安全系數(shù)，我國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定更細(xì)化，歐標(biāo)則僅考慮了最嚴(yán)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(guī)定絕緣配合一般由污閃控制絕緣子片數(shù)，再由過電壓進(jìn)行校驗(yàn)。

EN 50341－1:2012確定絕緣配合水平的過程主要是選擇一系列標(biāo)準(zhǔn)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(jù)絕緣子實(shí)驗(yàn)?zāi)褪茈妷汉凸こ踢^電壓來確定所需的絕緣片數(shù)。

中歐標(biāo)準(zhǔn)中的絕緣配合均以實(shí)驗(yàn)或運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)，但是歐盟標(biāo)準(zhǔn)沒有空氣間隙值和絕緣子片數(shù)的明確規(guī)定值，推薦根據(jù)具體工程和業(yè)主習(xí)慣來確定。

5.2 空氣間隙

GB 50545－2010規(guī)定在海拔不超過1000 m的地區(qū)，帶電部分與桿塔構(gòu)件的最小空氣間隙應(yīng)符合表6要求。

表6 GB 50545－2012關(guān)于空氣間隙的規(guī)定值

歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN 50341－1:2012共規(guī)定了5種空氣間隙。

（1）Del：緩波頭或者陡波頭過電壓下，導(dǎo)線與接地構(gòu)件之間不發(fā)生放電的最小空氣間隙，如導(dǎo)線與塔身、導(dǎo)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(dǎo)線相間不發(fā)生放電的最小空氣間隙。

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

（4）D50Hz_p_p：工頻電壓下，導(dǎo)線相間不發(fā)生放電的最小空氣間隙。

（5）asom：線路全線導(dǎo)線與接地構(gòu)件之間最小間隙值。

EN 50341－1:2012中的5.5條采用公式法進(jìn)行計算給出了上述空氣間隙值；5.5.3條采用經(jīng)驗(yàn)法提出根據(jù)在歐洲廣泛采用的、已經(jīng)證明對公眾安全的數(shù)據(jù)分析得來的空氣間隙值，見表7。

表7 EN 50341－1:2012關(guān)于空氣間隙的規(guī)定值

從上述分析可知：（1）歐盟標(biāo)準(zhǔn)沒有規(guī)定具體的空氣間隙值，推薦的做法是根據(jù)具體工程和設(shè)計習(xí)慣來確定；中國標(biāo)準(zhǔn)對空氣間隙值做了具體規(guī)定，所有工程統(tǒng)一執(zhí)行。（2）歐盟標(biāo)準(zhǔn)中的空氣間隙工況為：導(dǎo)線最高溫度、設(shè)計風(fēng)速（無風(fēng)/3 a一遇大風(fēng)/50 a一遇大風(fēng)）、導(dǎo)線覆冰、覆冰同時風(fēng)速；而我國標(biāo)準(zhǔn)中的空氣間隙工況為：最大風(fēng)速、最大覆冰、雷電過電壓、操作過電壓、帶電作業(yè)。

5 結(jié)論

本文對比了中國與歐盟輸電線路標(biāo)準(zhǔn)在電氣設(shè)計上的異同點(diǎn)，結(jié)論如下：

（1）在重現(xiàn)期方面，中歐標(biāo)準(zhǔn)最低重現(xiàn)期分別為30 a和50 a，最高重現(xiàn)期分別為100 a和500 a；中國標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格規(guī)定了各電壓等級線路所需滿足的重現(xiàn)期，歐盟標(biāo)準(zhǔn)則未規(guī)定各電壓等級線路應(yīng)滿足的重現(xiàn)期。在穩(wěn)定性方面，中歐標(biāo)準(zhǔn)都對線路穩(wěn)定性有規(guī)定，都為阻止線路發(fā)生覆冰、大風(fēng)串倒而提出了設(shè)計要求。

（2）中歐標(biāo)準(zhǔn)中輸電線路風(fēng)荷載的基本計算式是相近的，在具體系數(shù)取值上亦有異同點(diǎn)。在基本風(fēng)速的基準(zhǔn)高度、風(fēng)速樣本模型方面的規(guī)定相同，但空氣密度常數(shù)、重現(xiàn)期取值上有所差異。歐盟標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)壓高度變化系數(shù)值略大。歐盟標(biāo)準(zhǔn)陣風(fēng)響應(yīng)系數(shù)與導(dǎo)地線離地高度、地形種類有關(guān)，與電壓等級無關(guān)；我國標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)僅與風(fēng)速相關(guān)，適用于500 kV及以上電壓等級。在數(shù)值上，歐盟標(biāo)準(zhǔn)的陣風(fēng)響應(yīng)系數(shù)偏大許多。我國標(biāo)準(zhǔn)中的風(fēng)壓不均勻系數(shù)僅與風(fēng)速值大小相關(guān)；而歐盟標(biāo)準(zhǔn)中檔距系數(shù)與檔距、地形類別相關(guān)。

（3）歐盟標(biāo)準(zhǔn)的荷載工況比中國標(biāo)準(zhǔn)要多；對于斷線工況，中國標(biāo)準(zhǔn)斷線工況為有冰無風(fēng)；歐盟標(biāo)準(zhǔn)斷線工況為正常環(huán)境溫度、無風(fēng)、無冰工況。中國標(biāo)準(zhǔn)給出了不同條件對應(yīng)的導(dǎo)地線安全系數(shù)，歐盟標(biāo)準(zhǔn)的安全系數(shù)僅給出了最嚴(yán)重情況的值；對于金具及絕緣子安全系數(shù)，我國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定更細(xì)化，歐標(biāo)僅考慮了最嚴(yán)重情況。

（4）中歐標(biāo)準(zhǔn)絕緣配合均以實(shí)驗(yàn)或運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)，沒有空氣間隙值和絕緣子片數(shù)的明確規(guī)定值，推薦根據(jù)具體工程和業(yè)主習(xí)慣來確定。中國標(biāo)準(zhǔn)做了具體規(guī)定，所有工程統(tǒng)一執(zhí)行。歐盟標(biāo)準(zhǔn)中的空氣間隙工況為：導(dǎo)線最高溫度、設(shè)計風(fēng)速（無風(fēng)/3 a一遇大風(fēng)/50 a一遇大風(fēng)）、導(dǎo)線覆冰、覆冰同時風(fēng)速；我國標(biāo)準(zhǔn)中的空氣間隙工況為：最大風(fēng)速、最大覆冰、雷電過電壓、操作過電壓、帶電作業(yè)。