國內(nèi)外輸電線路標準的比較

國內(nèi)外輸電線路設計標準比照國網(wǎng)北京電力建設研究院2021年4月8-1-前言架空線路覆冰嚴重的國家主要有加拿大、美國、俄羅斯、日本、英國、芬蘭、冰島等數(shù)十個國家，我國先后在1974～1976、1984年發(fā)生過全國范圍內(nèi)大面積冰災事故。1996年初，福建省35～220kV線路因覆冰倒桿斷線200多處。2004年的12月、2005年2月湖南、湖北覆冰導致中低壓線路倒塔/桿5000基以上。本次冰災，導致公司系統(tǒng)500kV和220kV線路桿塔共倒塌1300余基。2前言搜集的國外有代表性的輸電線路設計標準包括：1〕Designcriteriaofoverheadtransmissionline〔CEI/IEC60826〕2〕OverheadelectricallinesexceedingAC45kV〔EN50341-1〕3〕Eurocode3:Designofsteelstructures〔EN1993〕4〕DesignofLatticedSteelTransmissionStructures(ASCE10-97)5〕GuidelinesforElectricalTransmissionLineStructuralLoading隨著全球氣候的變化，極端天氣頻繁已成為一個世界性的問題。此次災害啟示我們，有必要對國內(nèi)外有代表的標準進行深入比照，借鑒其先進的東西。3內(nèi)容主要內(nèi)容：一、IEC輸電線路設計標準介紹二、美國輸電線路設計導那么介紹三、歐盟輸電線路設計標準介紹四、國內(nèi)外標準的比較4

1IEC輸電線路設計標準介紹國際電工委員會IEC于1906午10月在倫敦正式成立，是世界上最早成立的國際標準化團體。目前，IEC已經(jīng)是世界上最具權(quán)威性的國際標準化機構(gòu)之一，我國是IEC成員國之一。IEC標準注重系統(tǒng)設計：將輸電線路當成一個體系，分桿塔、根底、導、地線及絕緣子串四個組成局部。桿塔設計中根據(jù)要滿足可靠度、事故平安、維修建造平安的要求：1)與氣候相關(guān)的荷載，如風載、覆冰無風、覆冰有風(正常運行工況)2)與生命平安有關(guān)的荷載，防止事故荷載，如斷線或不均勻覆冰荷載(斷線工況)3)安裝及維修荷載(安裝工況)51IEC輸電線路設計標準介紹工況名荷載情況描述正常運行T年荷載重現(xiàn)期的氣候荷載如風載，覆冰，覆冰+風載。斷線扭轉(zhuǎn)荷載無冰、無風、斷一相導線或斷相鄰檔地線?？v向荷載取縱向不平衡張力為50％導線張力。為了增加線路的安全性還應采取相應的附加安全措施：如重冰區(qū)的重要線路：間隔著設放防串倒塔（即斷所有導線的極限狀況設計）。安裝建造支持物要求掛點及相應構(gòu)件的承載力至少等于2倍的提升構(gòu)件的荷載，當有仔細控制的情況下可取1.5倍。掛導線和松導線1）導線張力至少等于2倍的松弛張力，就位后拉力取1.5倍的松弛張力；2）垂直荷載：考慮任意荷載組合下的所有可能導線掛點；3）橫向荷載：忽略風載；4）零時終端支持物的縱向（和垂直）荷載5）耐張塔的縱向荷載等于該相導線的重量w（N/m）×相鄰檔距最低點的高度差(m)。維修荷載所有的導線支持點應能夠承受裸導線垂直荷重的2倍。當有仔細控制的情況下可取1.5倍。維修人員及附屬物的重量取1500N。61IEC輸電線路設計標準介紹正常運行工況的極限狀態(tài)設計公式：荷載重現(xiàn)期/年風速覆冰變化冰厚冰重501111501.101.151.205001.201.301.45考慮極端氣候條件下可能影響到的鐵塔基數(shù)考慮一個子系統(tǒng)不先于另一個系統(tǒng)失效的協(xié)調(diào)系數(shù)考慮加工質(zhì)量的系數(shù)及考慮實際超越概率與假定概率差異系數(shù)荷載工況平地或丘陵山區(qū)最大風1（1-5）1（1-2）最大覆冰20（10-50）2（1-10）最大覆冰+風1（1-5）1（1-5）71IEC輸電線路設計標準介紹風荷載重現(xiàn)期50、150、500年，分別對應Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類線路可靠水平，基準風速離地面10m高的10min平均年最大風速，采用極值分布統(tǒng)計而得。線條風荷載的計算式：矩形格構(gòu)鐵塔的風荷載計算式：風向與桿塔塔面相垂直時：81IEC輸電線路設計標準介紹覆冰設計取值確實定方法：2〕通過20年以上氣象資料，及線路當?shù)刂辽?年的覆冰觀測資料，估計年最大覆冰荷載。1)對當?shù)赜写硇缘木€路導線覆冰情況進行測量，按公式推算：3〕提供參考的極限覆冰荷載，給定10m高，30mm導線的gR或tR，再通過曲線及公式給出直徑及高度的Kd、Kh。(考慮地線高度變化，覆冰的不同)霧?。篕d=0.15d/30+0.85；雨凇：Kd=0.35d/30+0.65Kh=0.075z/10+0.92591IEC輸電線路設計標準介紹1〕均勻覆冰〔重量工況〕；此時，總的導線單位長度重量為：2〕不均勻覆冰〔縱向和橫向彎曲工況〕；3〕不均勻覆冰〔受扭工況〕覆冰情況下桿塔上的荷載：IEC標準指出，一旦覆冰極限厚度大于30－40mm時，結(jié)構(gòu)覆冰的重量可能到達或超過結(jié)構(gòu)自身的重量，要考慮格構(gòu)式鐵塔的覆冰。101IEC輸電線路設計標準介紹線路類型縱向彎曲橫向彎曲受扭左檔右檔左檔右檔左檔右檔單回路xyabcXYABCXYabCxYabCXYabCXYABC雙回路xabcdefXABCDEFXabcDEFXabcDEFXabcDEFXABCDEF注：表中A、B、C、D、E、F、X、Y表示導線和檔距荷載為0.7gR，a、b、c、d、e、f、x、y表示的導線和檔距荷載為0.4×0.7gR。111IEC輸電線路設計標準介紹冰、風荷載共同作用：1)最大覆冰+年平均最大風速2)最大風速與年平均最大覆冰系數(shù)（降水）濕雪（云中）軟霜（云中）硬霜（降水）雨凇CiH1.01.21.11.0冰的密度（kg/m3）600600900900Bi=0.6~0.85

Bi=0.4~0.5

121IEC輸電線路設計標準介紹斷線工況：受扭：任意一根地線或一相導線掛點作用不平衡張力RSL，無冰、無風；RSL可通過平均檔距以及松垂情況下計算而得。其它掛點作用裸導線松垂情況下張力；受縱向荷載：所有掛點上均作用不平衡張力，取50%松垂張力。單回路縱向?qū)Ь€荷載示意圖：131IEC輸電線路設計標準介紹其它防事故措施：1)平安等級較高的線路RSL×1.5；2)對于雙回或多回線路，增加受扭荷載點數(shù)量，即2相導線或兩根地線作用RSL；3)對于易于受到惡劣天氣影響的線路，要求RSL>3年回歸期的冰或風荷載；4)對于重冰區(qū)的重要線路，每10基塔設一防串倒塔，該塔按斷所有導線的工況進行設計。14

2歐盟標準設計方法介紹極限狀態(tài)設計公式：永久荷載與可變荷載的作用效應組合偶然荷載的作用效應組合或或常規(guī)設計法

：15

控制工況：荷載工況條件正常運行大風a)最大風b)最低溫風荷載正常運行覆冰a)所有檔均勻覆冰荷載b)均勻覆冰荷載，橫向彎曲c)不均勻覆冰荷載，縱向彎曲d)不均勻覆冰荷載，扭轉(zhuǎn)正常運行冰風組合a)風荷載與覆冰組合情況安裝b)建造維修荷載斷線a)安全荷載，扭轉(zhuǎn)（斷一相導線或任意一根地線，RSL，無冰、無風）b)事故荷載，縱向（所有掛點一側(cè)作用不平衡張力=單位自重，無冰、無風）2歐盟標準設計方法介紹16

分項系數(shù)取值：荷載符號可靠度等級123與氣候有關(guān)的可變荷載風荷載γW1.01.21.4ψW0.40.40.4冰荷載γ11.01.251.25ψ10.350.350.35安全荷載修建和維修荷載γP1.5永久荷載自重γG1.0偶然荷載由導線拉力導致的扭轉(zhuǎn)荷載γA11.0由導線拉力導致的縱向荷載

γA21.02歐盟標準設計方法介紹17作用效應組合公式簡化為：經(jīng)驗設計法

：分項系數(shù)取值2歐盟標準設計方法介紹18風荷載

：風荷載重現(xiàn)期分別取50、150、500年一遇，根本風速為50年一遇，離地10m高，10min平均最大風速，線條風荷載計算：桿塔風荷載計算：風向與桿塔塔面相垂直時：2歐盟標準設計方法介紹19(1)通過至少10年的年最大覆冰荷載記錄，統(tǒng)計而得；(2)通過對氣象資料的分析而得；覆冰荷載

：不均勻覆冰的規(guī)定同IEC標準相一致，只是取值覆冰率不同：縱向彎曲橫向彎曲受扭均勻覆冰率不均勻覆冰率均勻覆冰率不均勻覆冰率均勻覆冰率不均勻覆冰率70%30%100%50%70%30%2歐盟標準設計方法介紹20(3)歐盟各國家制定有自己的冰區(qū)分布圖，以下圖是法國的冰區(qū)分布圖2歐盟標準設計方法介紹21覆冰設計條件：低冰區(qū)：2cm，180Pa，-5℃中冰區(qū)：4cm，180Pa，-5℃重冰區(qū)：6cm，180Pa，-5℃均勻覆冰時：2/2cm、4/4cm、6/6cm不均勻覆冰時：2/0cm、4/2cm、6/4cm2歐盟標準設計方法介紹法國的氣象設計條件：大風設計條件：常規(guī)風區(qū)：570Pa,15℃,無冰高風區(qū)：640Pa,15℃,無冰高壓區(qū)：720Pa,15℃,無冰低溫設計條件：-20℃，180Pa，無冰22冰、風組合

：+(1)極限冰荷載+適度風，風速取50年一遇風速的0.55～0.65倍。(2)高風速與適當?shù)谋奢d組合，設計風速取典型覆冰情況下極值風速的0.70～0.85倍。軸心受壓構(gòu)件的計算

：2歐盟標準設計方法介紹23

3美國導則設計方法介紹美國導那么將一條輸電線路當成一個完整的系統(tǒng)，由導線、地線、各種支持物等子系統(tǒng)構(gòu)成，如果終端塔比直線塔更可靠的話，所有的終端塔構(gòu)成一個子系統(tǒng)。導線系統(tǒng)包括導線本身及緊線或終端絕緣裝備，結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)又包括角鋼構(gòu)件，螺栓、根底等。美國導那么采用不同可靠度等級CRF來區(qū)別對待不同元件的可靠度，保證失效順序，并認為A的CRF為B的2倍時，那么B比A先失效的概率為90%。荷載分為：與氣候有關(guān)的荷載；事故荷載；修建及維修、法規(guī)荷載。各荷載工況的極限狀態(tài)設計公式如下：24

正常運行工況：線路可靠度系數(shù)荷載系數(shù)〔用于斷線工況：3美國導則設計方法介紹安裝工況：標準荷載：構(gòu)件力系數(shù)φ：當構(gòu)件可靠度等級CRF=1時，φ=1.00；當CRF=2時，φ=0.85；CRF=4時，φ=0.73。當荷載為靜載時其最小值為1.5；當荷載為動載時推薦取2.0。線路可靠度等級LRF荷載系數(shù)γ荷載重現(xiàn)期RP（年）11.05021.1510041.320081.440025極限狀態(tài)公式荷載情況描述正常運行工況任何方向的最大風；最大覆冰和相應風載；覆冰不平衡力，無風（需要時選用）。斷線工況衡量阻止結(jié)構(gòu)失效的標準或荷載，如：斷導線荷載等。安裝工況結(jié)構(gòu)建造荷載；線條張力荷載；工人荷載（250P）。法規(guī)荷載法規(guī)荷載斷線工況無冰、無風、平均溫度，對于重冰區(qū)應考慮覆冰的情況。1）單回路，斷任意一相導線或地線，或斷1～2根地線；2）雙回路，斷任意兩相導線或2根地線，或斷一相導線+地線。3美國導則設計方法介紹26風荷載的計算：風荷載重現(xiàn)期分別取50、100、200、400年一遇，根本風速是指50年重現(xiàn)期在平坦或空曠的鄉(xiāng)村地區(qū)，地面以上33ft(10m)高處的最快英里風速?？梢該Q算為10m高出，10min平均最大風速：線條風荷載計算公式：

桿塔風荷載計算公式：

風向與桿塔塔面相垂直時：3美國導則設計方法介紹27覆冰荷載確實定：1)利用10年以上冰的統(tǒng)計資料，采用極值I型分布規(guī)律確定設計冰厚IRP;2)應用冰區(qū)圖：3美國導則設計方法介紹28線條覆冰的垂直荷載：

不考慮冰重對結(jié)構(gòu)構(gòu)件垂直載荷的影響。冰、風荷載共同作用的條件下，風荷載采用極限風荷載，在缺乏統(tǒng)計資料的情況下，風速折減40%?？紤]不均勻覆冰荷載，通過對有一定間距的結(jié)構(gòu)進行加強(加縱向拉線或加強已有的縱向拉線)來構(gòu)成防串倒結(jié)構(gòu)：3美國導則設計方法介紹29斷線工況：斷導線單回任意一根/相地線未斷、無冰、無風76%RSL雙、多任意兩根/相斷地線單回1～2根導線未斷、無冰、無風100％RSL雙、多2根地線；或任意一根地線＋一根導線3美國導則設計方法介紹30軸心受壓構(gòu)件的計算：當時，fy由下式計算值替代≥3美國導則設計方法介紹31從設計方法來看，IEC標準、歐盟標準、美國導那么及我國標準均是采用的以概率為根底的極限狀態(tài)設計法，各標準對桿塔設計的根本荷載工況均分類表述，按我國的習慣表示方法，即為正常運行工況、安裝工況和斷線工況。國內(nèi)外標準的可靠度等級和氣候荷載回歸期如下：IEC標準、歐盟標準美國導則我國規(guī)范1501501、2、315、30、50、100215021003500420084004國內(nèi)外設計標準的比較〔1〕設計方法及工況組合的選擇32國外標準注重系統(tǒng)可靠度的設計，即將一條線路當成一個系統(tǒng)，根據(jù)不同子系統(tǒng)失效對線路造成的損失的不同，以及修復的難易程度不同，而采用不同的可靠度水平。這一點IEC標準、美國導那么都有相關(guān)的論述，另外，根據(jù)加拿大的研究，即使按100年甚至500年重現(xiàn)期設計的輸電線路也可能發(fā)生、斷線、掉串、倒塔等事故。既然事故不可防止，如何將事故影響降低到最小程度，研究了事故發(fā)生后，地線、導線、絕緣子、金具、桿塔和根底這幾個子系統(tǒng)，誰最先失效，損失最小，由此也提出了二階段設計理論。值得借鑒?！?〕設計方法理念的不同4國內(nèi)外設計標準的比較33另外，日本在確定了冰風荷載設計重現(xiàn)期以后，原那么上采用國家氣象臺站的冰、風數(shù)據(jù)，但提前3-5年在線路路徑上有選擇性地建立冰、風觀測站，觀測數(shù)據(jù)與國家氣象臺站的數(shù)據(jù)進行比較，如果趨勢一致直接采用，如果有較大出入那么適當進行修正?！?〕荷載取值來源的差異規(guī)范算法觀冰冰區(qū)分布圖修正系數(shù)中國推薦極值I型分布重冰區(qū)規(guī)范中“有條件設置”沒有要求數(shù)據(jù)IEC極值I型分布20年以上氣象資料及不少于5年的觀冰資料根據(jù)導線直徑修正美國極值I型分布利用10年以上觀冰的統(tǒng)計資料有歐洲均值法及極值法按觀冰年限規(guī)定了調(diào)整系數(shù)各國規(guī)范有4國內(nèi)外設計標準的比較34總的來看，興旺國家的取值是建立在長期的觀測和大量的統(tǒng)計分析根底上的，必須以長期的數(shù)據(jù)積累為根底，美國、歐洲興旺國家已有細致的冰區(qū)劃分圖，設計中可以查詢線路沿線的覆冰情況，且有多年的觀冰資料可以利用。我國輸電線路桿塔設計標準最初主要是參考前蘇聯(lián)的線路設計標準，但我國的氣象臺站一般沒有覆冰觀測數(shù)據(jù)，只能通過沿線調(diào)查、建立觀冰點/站根據(jù)相鄰已運行線路的運行資料和經(jīng)驗來確定設計冰厚，盡管設計標準規(guī)定了重現(xiàn)期，設計取值大都能滿足標準的要求，但缺乏長期觀測數(shù)據(jù)的支撐和數(shù)理模型的推算。4國內(nèi)外設計標準的比較35各標準對于最大風的情況的條件根本一致，修訂后的標準與國外標準大致對應。我國規(guī)范1）最大風速、無冰、未斷線2）最大覆冰、相應風速及氣溫、未斷線3）低氣溫、無冰、無風、未斷線4）覆冰、斷線、無風5）不均勻覆冰、有風IEC標準1）任意方向最大風2）覆冰無風情況3）覆冰有風情況4）不均勻覆冰美國導則1）最大風2）最大覆冰和相應風3）不均勻覆冰歐盟標準1）最大風2）覆冰及相應風2）最低溫、風荷載4）不均勻覆冰〔4〕正常運行工況4國內(nèi)外設計標準的比較36不均勻覆冰，我國未考慮受扭(修訂后考慮)工況描述我國規(guī)范重冰區(qū)導線三相和地線兩根同時有不均勻冰導線兩相和地線一根同時有不均勻冰荷載IEC標準縱向彎曲工況橫向彎曲工況受扭工況美國導則考慮縱向或受扭情況歐洲標準組合情況同IEC標準，只是不平衡張力取值不同規(guī)范風速取值（m/s）中國15（重冰區(qū)10～15）IEC標準美國導則0.4V歐盟標準(0.55～0.65）V(0.7～0.85）V在冰、風組合時我國標準風速取值較為單一4國內(nèi)外設計標準的比較37中國雙回路直線塔斷導線為一相導線，一根地線，國外標準斷兩相，2根地線，并且斷線張力取法不一樣。(修訂后標準斷1/3，與國外相當)〔5〕斷線工況IEC標準單回路一側(cè)導、地線全斷，縱向荷載斷一相導線，受扭斷任意一根地線雙、多回路一側(cè)導、地線全斷，縱向荷載斷兩相導線斷兩根地線美國導則單回路斷任一相導線斷1～2根地線雙回路斷兩相導線斷2根地線斷1根導線+1根地線歐盟標準同IEC標準4國內(nèi)外設計標準的比較38以典設2H模塊的SZ41塔為例，對國內(nèi)外標準關(guān)于斷線工況鐵塔進行計算比較。SZ41塔設計條件：導線2XLGJ-400/35，地線JLB40-150，水平檔距：350m，垂直檔距：450m。算例：序號氣象工況氣溫t0C風速m/s覆冰厚度mm1最高氣溫40002最低氣溫－10003覆冰情況－51554最大風速153505安裝情況0100規(guī)范斷導線張力（kN）斷地線張力（kN）導線張力比值地線張力比值中國15.8014.3611IEC標準24.68扭轉(zhuǎn)荷載21.53扭轉(zhuǎn)荷載1.561.5012.34縱向荷載10.77縱向荷載0.790.75美國導則30.0028.701.902.04國內(nèi)外設計標準的比較39規(guī)范線條風荷載計算中國IEC標準美國導則歐盟標準各標準線條風荷載計算方法(6)風荷載的比較4國內(nèi)外設計標準的比較40規(guī)范代號風向與塔面夾角線條風荷載計算中國垂直IEC標準θ垂直美國導則ψ垂直歐盟標準φ垂直各標準桿塔塔身風荷載計算方法4國內(nèi)外設計標準的比較41從上面的計算方法可以看出，各標準的風荷載計算方法的根本一致，考慮的因素也根本對應，只是取值略有不同：4國內(nèi)外設計標準的比較42規(guī)范重現(xiàn)期風荷載效應kN.m中國30年38823.4450年42390.66100年55183.73IEC標準50年36590.67150年44274.71500年52690.56美國導則50年34273.83100年39414.90200年44555.98400年47983.364國內(nèi)外設計標準的比較43標準回歸期總效應值kN.m中國30年14841.1450年16202.12100年19854.07IEC標準50年15383.74150年18614.32500年22152.58歐盟標準50年17857.95150年21429.52500年25001.11美國導則50年14311.44100年16458.16200年18604.87400年20036.014國內(nèi)外設計標準的比較44以上計算是以50年一遇的荷載回歸期為根底，中國標準考慮風荷載調(diào)整系數(shù)為1.2條件下的結(jié)果:規(guī)范回歸期(年)中國30年50年100年1.0IEC標準

50年150年1.0歐盟標準

50年150年1.0美國導則50年100年400年1.154國內(nèi)外設