中欧输电线路电气设计标准主要内容对比研究

岳 浩 ，陈 媛 ，林 芳 ，吕健双

（1.中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，湖北 武汉 430071；2.中国能建工程研究院高压直流技术研究所，湖北 武汉 430071）

1 概述

在电力建设市场竞争日益国际化的今天，国内电力设计院和电力建设公司的涉外输电线路工程越来越多，许多工程都要求采用欧盟标准进行设计。中国与欧盟等发达国家有着不同的社会发展历史和背景，设计标准作为各国多年的研究成果和经验积累的技术文件，内容也不尽相同。这就要求电力设计院与时俱进，尽快熟练掌握并运用国外的设计标准进行工程设计，以利不断拓展电力设计院的业务和市场范围。

欧盟标准《Overhead Electrical Lines Exceeding AC 45 kV》（EN 50341 － 1:2012）是世界上广泛使用的输电线路设计标准之一，其内容涵盖范围较广，包括输电线路的荷载规定、结构设计和电气设计等各方面内容。

本文选取我国架空线路设计标准《110 kV～750 kV架空输电线路设计规范》（GB 50545－2010）、《1 000 kV架空输电线路设计规范》（GB 50665－2011）和欧盟架空线路设计标准EN 50341－1:2012，从重现期、稳定性、导地线风荷载、导线和绝缘子安全系数、绝缘配合、空气间隙等方面进行了比较研究，了解中欧设计标准的异同点，为国内工程建设单位走出国门参与国际工程提供参考。

2 重现期与稳定性

我国国家标准GB 50545－2010规定基本风速、设计冰厚重现期应符合下列规定：750 kV、500 kV输电线路及其大跨越重现期应取50 a；110 kV～330 kV输电线路及其大跨越重现期应取30 a。GB 50665－2011规定基本风速、设计冰厚重现期应按100 a确定。

欧盟标准EN 50341－1:2012规定架空线的重现期应满足如下要求：

（1）各国应结合当地的经验和该国标准来确定线路的可靠性水平，一般来说，至少应高于表1中的1级可靠性水平，如有例外应在各国标准中加以规定。

（2）当采用统计法时，可参考表1中的可靠性分级，分别由不同的气象重现期来反映。

表1 可靠性水平对应的气象重现期

中国标准和欧盟标准在气象重现期、稳定性方面的不同之处在于：

（1）中国标准最低重现期为30 a，欧盟标准为50 a；中国标准最高重现期（1000 kV）为100 a，欧盟标准为500 a。

（2）中国标准严格规定了各电压等级线路需满足的重现期，欧盟标准仅给出可靠性水平分级表，未规定各电压等级线路应满足的重现期。

（3）在稳定性方面，GB 50545－ 2010和GB 50665－2011均规定轻、中、重冰区的耐张段长度分别不宜大于10 km、5 km和3 km。如果耐张段长度较长，则需要采取防止串倒的措施。在线路高差或者档距相差特别大的重冰区或者山区等地段，耐张段长度应该适当地缩短。

（4） EN 50341 － 1:2012 关于稳定性要求关注的是线路发生串倒事故时的荷载或为阻止这种事故而采取的措施。一些线路由于非常重要或者要在严峻的气象条件下运行，所以其稳定性要求可能很高。此时，应根据经验和线路类型采用其他手段以增强线路的稳定性，如在特定耐张段中间添加耐张塔，以减小串倒发生的概率等。中国标准和欧盟标准都对线路稳定性有规定，都为了阻止线路发生覆冰、大风串倒而提出了设计要求。

3 导地线风荷载

EN 50341－1:2012确定荷载作用值有两种方法：（1）常规法。依据气象统计数据、试验数据和观测数据的统计学分析，参照IEC 60826－2016中的可靠性理论进行；（2）经验法。在实际中，经验法与常规法相互补充和校核，也可二选一使用。

EN 50341－1:2012的常规法中，水平档距内每根子导线的风荷载计算式为：

采用经验法时水平档距内每根子导线的风荷载计算式为：

GB 50545－2010与GB 50665－2011中规定的导线及地线的水平风荷载标准值计算公式为：

式（1）～（3）中：QWc为每根子导线的风荷载（kN）；Wx为垂直于导线及地线方向的水平风荷载（kN）；d为导线直径 （m）；L及Lp为水平档距（m）；B为覆冰荷载增大系数；φ、θ为风向角，GB 50545－2010中为风向与导地线方向之间的夹角，EN 50341－1:2012中为风向与导地线法线之间的夹角；其它参数的含义和主要差异详见表2。

表2 中欧标准中的部分风荷载参数的主要差异对比

我国风荷载规范中，基本风压Wo为：

式中：Wo为基准风压标准值（kN/m2）；V为基准高度为10m的风速（m/s）；ρ为标准大气压101.325 kPa、气温10℃下的干燥空气密度，取值1.25 kg/m3。

欧盟标准中使用常规法时的动态风压qh为：

式中：qh为动态风压（N/m2）；Vh为离地高度h处的风速（m/s）；空气密度ρ为1.225 kg/m3（标准大气压101.325 kPa、气温15℃时的空气密度）。

使用经验法时，动态风压为：

式中：qc为动态风压（N/m2）；Vh为离地高度h处的风速（m/s）；空气密度在气温10℃时推荐值取1.25 kg/m3。

中欧标准规定输电线路风荷载基本风速的基准高度均为10 m，风速样本模型均为极值I型。欧盟标准的风速分为平均风速和瞬时风速两种表达方式，两种风速可以互相换算。中国标准统一采用平均风速。二者仅在空气密度常数、重现期取值上有差异。

中欧荷载标准的风压高度变化系数在各地形类别中均近似一致，欧盟标准的取值略大。欧盟标准的阵风响应系数与导地线离地高度、地形种类有关，与电压等级无关；我国标准的风荷载调整系数仅与风速相关，适用于500 kV及以上电压等级。在数值上，欧盟标准的阵风响应系数较我国标准的风荷载调整系数大出许多。我国标准中的风压不均匀系数仅与风速值大小相关；而欧盟标准中档距系数与档距、地形类别相关。

以某500 kV线路风荷载为例，计算中国标准与欧盟标准的风荷载差异，计算结果见表3。从结果可知，中国标准的风荷载值偏小，主要原因是EN 50341－1:2012的阵风响应系数大于GB 50545－2010的风荷载调整系数。

表3 中国标准与欧盟标准的风荷载计算结果

4 导线、金具及绝缘子安全系数

4.1 荷载工况

GB 50545－2010关于杆塔正常运行工况下的荷载组合为：（1）基本风速、无冰、未断线；（2）设计覆冰、相应风速及气温、未断线；（3）最低气温、无冰、无风、未断线。

EN 50341－1:2012规定的标准工况见表4。

表4 EN 50341－1:2012规定的标准工况

欧盟标准的工况比中国标准要多。欧盟标准除考虑最大覆冰工况外，还考虑了“一定覆冰伴随较大风速”的工况，也就是说，欧盟标准的工况包含中国标准的所有工况。而对于断线工况，中国标准的断线工况为有冰无风；欧盟标准断线工况为正常环境温度、无风、无冰工况。

4.2 导线安全系数

GB 50545－2010规定导线及地线在档中弧垂最低点的安全系数不应小于2.5，在悬挂点处的安全系数不应小于2.25，地线的安全系数不应小于导线。导线及地线在档中弧垂最低点的最大张力Tmax的计算式：

式中：Tmax为导线及地线在档中弧垂最低点的最大张力（N）；Tp为导线及地线的拉断力（N）；Kc为导线及地线的安全系数。

同时，导线及地线在稀有覆冰或稀有风速条件下，档中弧垂最低点处最大张力不应超过导地线拉断力的70%，悬挂点处最大张力不应超过导地线拉断力的77%。对于铝钢截面比不小于4.29的钢芯铝绞线或者镀锌钢绞线，平均运行张力上限值为25%。

EN 50341－1:2012规定无论采用常规法还是经验法，所有类型导线额定拉断力的安全系数γM至少为1.25。

中国标准给出了不同条件对应的导地线安全系数，而欧盟标准的安全系数仅给出了最严重情况时的值。

4.3 金具及绝缘子安全系数

我国标准规定金具强度的安全系数应符合下列规定：（1）最大使用荷载情况不应小于2.5；（2）断线、断联、验算情况不应小于1.5。

EN 50341－1:2012规定架空线路的金具设计应能满足规定的机械强度的要求。采用经验法计算荷载时，额定最小故障负荷下的安全系数γM最小值为1.6；采用常规法时，其最小值为1.6；工程规范书中可以规定更高的安全系数。对于可能站人的金具，应考虑集中特征荷载1.5 kN。

对于绝缘子安全系数，我国标准的要求值见表5。对于双联及多联绝缘子串，应该验算断一联后的绝缘子串机械强度，此时绝缘子串的荷载及安全系数按照断联的情况考虑。

表5 中国标准中的绝缘子机械强度安全系数

EN 50341－1:2012规定绝缘子应满足所需的机械强度的要求，在采用经验法时，所有类型的绝缘子安全系数都不应低于2.0。

因此，对于金具及绝缘子安全系数，我国标准规定更细化，欧标则仅考虑了最严重情况。

5 绝缘配合及空气间隙

5.1 绝缘配合

GB 50545－2010和GB 50665－2011规定绝缘配合一般由污闪控制绝缘子片数，再由过电压进行校验。

EN 50341－1:2012确定绝缘配合水平的过程主要是选择一系列标准耐受电压的过程。对于架空线路，此过程一般包括以下三步：（1）确定线路的代表过电压（Urp）；（2）确定配合耐受电压 （Ucw）；（3）确定所需的耐受电压 （Urw）。另外，根据绝缘子实验耐受电压和工程过电压来确定所需的绝缘片数。

中欧标准中的绝缘配合均以实验或运行经验为依据，但是欧盟标准没有空气间隙值和绝缘子片数的明确规定值，推荐根据具体工程和业主习惯来确定。

5.2 空气间隙

GB 50545－2010规定在海拔不超过1000 m的地区，带电部分与杆塔构件的最小空气间隙应符合表6要求。

表6 GB 50545－2012关于空气间隙的规定值

欧盟标准EN 50341－1:2012共规定了5种空气间隙。

（1）Del：缓波头或者陡波头过电压下，导线与接地构件之间不发生放电的最小空气间隙，如导线与塔身、导线与跨越物之间的距离。

（2）Dpp：缓波头或者陡波头过电压下，导线相间不发生放电的最小空气间隙。

（3）D50Hz_p_e：工频电压下，导线与接地构件之间不发生放电的最小空气间隙。

（4）D50Hz_p_p：工频电压下，导线相间不发生放电的最小空气间隙。

（5）asom：线路全线导线与接地构件之间最小间隙值。

EN 50341－1:2012中的5.5条采用公式法进行计算给出了上述空气间隙值；5.5.3条采用经验法提出根据在欧洲广泛采用的、已经证明对公众安全的数据分析得来的空气间隙值，见表7。

表7 EN 50341－1:2012关于空气间隙的规定值

从上述分析可知：（1）欧盟标准没有规定具体的空气间隙值，推荐的做法是根据具体工程和设计习惯来确定；中国标准对空气间隙值做了具体规定，所有工程统一执行。（2）欧盟标准中的空气间隙工况为：导线最高温度、设计风速（无风/3 a一遇大风/50 a一遇大风）、导线覆冰、覆冰同时风速；而我国标准中的空气间隙工况为：最大风速、最大覆冰、雷电过电压、操作过电压、带电作业。

5 结论

本文对比了中国与欧盟输电线路标准在电气设计上的异同点，结论如下：

（1）在重现期方面，中欧标准最低重现期分别为30 a和50 a，最高重现期分别为100 a和500 a；中国标准严格规定了各电压等级线路所需满足的重现期，欧盟标准则未规定各电压等级线路应满足的重现期。在稳定性方面，中欧标准都对线路稳定性有规定，都为阻止线路发生覆冰、大风串倒而提出了设计要求。

（2）中欧标准中输电线路风荷载的基本计算式是相近的，在具体系数取值上亦有异同点。在基本风速的基准高度、风速样本模型方面的规定相同，但空气密度常数、重现期取值上有所差异。欧盟标准的风压高度变化系数值略大。欧盟标准阵风响应系数与导地线离地高度、地形种类有关，与电压等级无关；我国标准的风荷载调整系数仅与风速相关，适用于500 kV及以上电压等级。在数值上，欧盟标准的阵风响应系数偏大许多。我国标准中的风压不均匀系数仅与风速值大小相关；而欧盟标准中档距系数与档距、地形类别相关。

（3）欧盟标准的荷载工况比中国标准要多；对于断线工况，中国标准断线工况为有冰无风；欧盟标准断线工况为正常环境温度、无风、无冰工况。中国标准给出了不同条件对应的导地线安全系数，欧盟标准的安全系数仅给出了最严重情况的值；对于金具及绝缘子安全系数，我国标准规定更细化，欧标仅考虑了最严重情况。

（4）中欧标准绝缘配合均以实验或运行经验为依据，没有空气间隙值和绝缘子片数的明确规定值，推荐根据具体工程和业主习惯来确定。中国标准做了具体规定，所有工程统一执行。欧盟标准中的空气间隙工况为：导线最高温度、设计风速（无风/3 a一遇大风/50 a一遇大风）、导线覆冰、覆冰同时风速；我国标准中的空气间隙工况为：最大风速、最大覆冰、雷电过电压、操作过电压、带电作业。