国内外输电线路标准的比较

国内外输电线路设计标准比照国网北京电力建设研究院2021年4月8-1-前言架空线路覆冰严重的国家主要有加拿大、美国、俄罗斯、日本、英国、芬兰、冰岛等数十个国家，我国先后在1974～1976、1984年发生过全国范围内大面积冰灾事故。1996年初，福建省35～220kV线路因覆冰倒杆断线200多处。2004年的12月、2005年2月湖南、湖北覆冰导致中低压线路倒塔/杆5000基以上。本次冰灾，导致公司系统500kV和220kV线路杆塔共倒塌1300余基。2前言搜集的国外有代表性的输电线路设计标准包括：1〕Designcriteriaofoverheadtransmissionline〔CEI/IEC60826〕2〕OverheadelectricallinesexceedingAC45kV〔EN50341-1〕3〕Eurocode3:Designofsteelstructures〔EN1993〕4〕DesignofLatticedSteelTransmissionStructures(ASCE10-97)5〕GuidelinesforElectricalTransmissionLineStructuralLoading随着全球气候的变化，极端天气频繁已成为一个世界性的问题。此次灾害启示我们，有必要对国内外有代表的标准进行深入比照，借鉴其先进的东西。3内容主要内容：一、IEC输电线路设计标准介绍二、美国输电线路设计导那么介绍三、欧盟输电线路设计标准介绍四、国内外标准的比较4

1IEC输电线路设计标准介绍国际电工委员会IEC于1906午10月在伦敦正式成立，是世界上最早成立的国际标准化团体。目前，IEC已经是世界上最具权威性的国际标准化机构之一，我国是IEC成员国之一。IEC标准注重系统设计：将输电线路当成一个体系，分杆塔、根底、导、地线及绝缘子串四个组成局部。杆塔设计中根据要满足可靠度、事故平安、维修建造平安的要求：1)与气候相关的荷载，如风载、覆冰无风、覆冰有风(正常运行工况)2)与生命平安有关的荷载，防止事故荷载，如断线或不均匀覆冰荷载(断线工况)3)安装及维修荷载(安装工况)51IEC输电线路设计标准介绍工况名荷载情况描述正常运行T年荷载重现期的气候荷载如风载，覆冰，覆冰+风载。断线扭转荷载无冰、无风、断一相导线或断相邻档地线。纵向荷载取纵向不平衡张力为50％导线张力。为了增加线路的安全性还应采取相应的附加安全措施：如重冰区的重要线路：间隔着设放防串倒塔（即断所有导线的极限状况设计）。安装建造支持物要求挂点及相应构件的承载力至少等于2倍的提升构件的荷载，当有仔细控制的情况下可取1.5倍。挂导线和松导线1）导线张力至少等于2倍的松弛张力，就位后拉力取1.5倍的松弛张力；2）垂直荷载：考虑任意荷载组合下的所有可能导线挂点；3）横向荷载：忽略风载；4）零时终端支持物的纵向（和垂直）荷载5）耐张塔的纵向荷载等于该相导线的重量w（N/m）×相邻档距最低点的高度差(m)。维修荷载所有的导线支持点应能够承受裸导线垂直荷重的2倍。当有仔细控制的情况下可取1.5倍。维修人员及附属物的重量取1500N。61IEC输电线路设计标准介绍正常运行工况的极限状态设计公式：荷载重现期/年风速覆冰变化冰厚冰重501111501.101.151.205001.201.301.45考虑极端气候条件下可能影响到的铁塔基数考虑一个子系统不先于另一个系统失效的协调系数考虑加工质量的系数及考虑实际超越概率与假定概率差异系数荷载工况平地或丘陵山区最大风1（1-5）1（1-2）最大覆冰20（10-50）2（1-10）最大覆冰+风1（1-5）1（1-5）71IEC输电线路设计标准介绍风荷载重现期50、150、500年，分别对应Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类线路可靠水平，基准风速离地面10m高的10min平均年最大风速，采用极值分布统计而得。线条风荷载的计算式：矩形格构铁塔的风荷载计算式：风向与杆塔塔面相垂直时：81IEC输电线路设计标准介绍覆冰设计取值确实定方法：2〕通过20年以上气象资料，及线路当地至少5年的覆冰观测资料，估计年最大覆冰荷载。1)对当地有代表性的线路导线覆冰情况进行测量，按公式推算：3〕提供参考的极限覆冰荷载，给定10m高，30mm导线的gR或tR，再通过曲线及公式给出直径及高度的Kd、Kh。(考虑地线高度变化，覆冰的不同)雾凇：Kd=0.15d/30+0.85；雨凇：Kd=0.35d/30+0.65Kh=0.075z/10+0.92591IEC输电线路设计标准介绍1〕均匀覆冰〔重量工况〕；此时，总的导线单位长度重量为：2〕不均匀覆冰〔纵向和横向弯曲工况〕；3〕不均匀覆冰〔受扭工况〕覆冰情况下杆塔上的荷载：IEC标准指出，一旦覆冰极限厚度大于30－40mm时，结构覆冰的重量可能到达或超过结构自身的重量，要考虑格构式铁塔的覆冰。101IEC输电线路设计标准介绍线路类型纵向弯曲横向弯曲受扭左档右档左档右档左档右档单回路xyabcXYABCXYabCxYabCXYabCXYABC双回路xabcdefXABCDEFXabcDEFXabcDEFXabcDEFXABCDEF注：表中A、B、C、D、E、F、X、Y表示导线和档距荷载为0.7gR，a、b、c、d、e、f、x、y表示的导线和档距荷载为0.4×0.7gR。111IEC输电线路设计标准介绍冰、风荷载共同作用：1)最大覆冰+年平均最大风速2)最大风速与年平均最大覆冰系数（降水）湿雪（云中）软霜（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输电线路设计标准介绍断线工况：受扭：任意一根地线或一相导线挂点作用不平衡张力RSL，无冰、无风；RSL可通过平均档距以及松垂情况下计算而得。其它挂点作用裸导线松垂情况下张力；受纵向荷载：所有挂点上均作用不平衡张力，取50%松垂张力。单回路纵向导线荷载示意图：131IEC输电线路设计标准介绍其它防事故措施：1)平安等级较高的线路RSL×1.5；2)对于双回或多回线路，增加受扭荷载点数量，即2相导线或两根地线作用RSL；3)对于易于受到恶劣天气影响的线路，要求RSL>3年回归期的冰或风荷载；4)对于重冰区的重要线路，每10基塔设一防串倒塔，该塔按断所有导线的工况进行设计。14

2欧盟标准设计方法介绍极限状态设计公式：永久荷载与可变荷载的作用效应组合偶然荷载的作用效应组合或或常规设计法

：15

控制工况：荷载工况条件正常运行大风a)最大风b)最低温风荷载正常运行覆冰a)所有档均匀覆冰荷载b)均匀覆冰荷载，横向弯曲c)不均匀覆冰荷载，纵向弯曲d)不均匀覆冰荷载，扭转正常运行冰风组合a)风荷载与覆冰组合情况安装b)建造维修荷载断线a)安全荷载，扭转（断一相导线或任意一根地线，RSL，无冰、无风）b)事故荷载，纵向（所有挂点一侧作用不平衡张力=单位自重，无冰、无风）2欧盟标准设计方法介绍16

分项系数取值：荷载符号可靠度等级123与气候有关的可变荷载风荷载γW1.01.21.4ψW0.40.40.4冰荷载γ11.01.251.25ψ10.350.350.35安全荷载修建和维修荷载γP1.5永久荷载自重γG1.0偶然荷载由导线拉力导致的扭转荷载γA11.0由导线拉力导致的纵向荷载

γA21.02欧盟标准设计方法介绍17作用效应组合公式简化为：经验设计法

：分项系数取值2欧盟标准设计方法介绍18风荷载

：风荷载重现期分别取50、150、500年一遇，根本风速为50年一遇，离地10m高，10min平均最大风速，线条风荷载计算：杆塔风荷载计算：风向与杆塔塔面相垂直时：2欧盟标准设计方法介绍19(1)通过至少10年的年最大覆冰荷载记录，统计而得；(2)通过对气象资料的分析而得；覆冰荷载

：不均匀覆冰的规定同IEC标准相一致，只是取值覆冰率不同：纵向弯曲横向弯曲受扭均匀覆冰率不均匀覆冰率均匀覆冰率不均匀覆冰率均匀覆冰率不均匀覆冰率70%30%100%50%70%30%2欧盟标准设计方法介绍20(3)欧盟各国家制定有自己的冰区分布图，以下图是法国的冰区分布图2欧盟标准设计方法介绍21覆冰设计条件：低冰区：2cm，180Pa，-5℃中冰区：4cm，180Pa，-5℃重冰区：6cm，180Pa，-5℃均匀覆冰时：2/2cm、4/4cm、6/6cm不均匀覆冰时：2/0cm、4/2cm、6/4cm2欧盟标准设计方法介绍法国的气象设计条件：大风设计条件：常规风区：570Pa,15℃,无冰高风区：640Pa,15℃,无冰高压区：720Pa,15℃,无冰低温设计条件：-20℃，180Pa，无冰22冰、风组合

：+(1)极限冰荷载+适度风，风速取50年一遇风速的0.55～0.65倍。(2)高风速与适当的冰荷载组合，设计风速取典型覆冰情况下极值风速的0.70～0.85倍。轴心受压构件的计算

：2欧盟标准设计方法介绍23

3美国导则设计方法介绍美国导那么将一条输电线路当成一个完整的系统，由导线、地线、各种支持物等子系统构成，如果终端塔比直线塔更可靠的话，所有的终端塔构成一个子系统。导线系统包括导线本身及紧线或终端绝缘装备，结构子系统又包括角钢构件，螺栓、根底等。美国导那么采用不同可靠度等级CRF来区别对待不同元件的可靠度，保证失效顺序，并认为A的CRF为B的2倍时，那么B比A先失效的概率为90%。荷载分为：与气候有关的荷载；事故荷载；修建及维修、法规荷载。各荷载工况的极限状态设计公式如下：24

正常运行工况：线路可靠度系数荷载系数〔用于断线工况：3美国导则设计方法介绍安装工况：标准荷载：构件力系数φ：当构件可靠度等级CRF=1时，φ=1.00；当CRF=2时，φ=0.85；CRF=4时，φ=0.73。当荷载为静载时其最小值为1.5；当荷载为动载时推荐取2.0。线路可靠度等级LRF荷载系数γ荷载重现期RP（年）11.05021.1510041.320081.440025极限状态公式荷载情况描述正常运行工况任何方向的最大风；最大覆冰和相应风载；覆冰不平衡力，无风（需要时选用）。断线工况衡量阻止结构失效的标准或荷载，如：断导线荷载等。安装工况结构建造荷载；线条张力荷载；工人荷载（250P）。法规荷载法规荷载断线工况无冰、无风、平均温度，对于重冰区应考虑覆冰的情况。1）单回路，断任意一相导线或地线，或断1～2根地线；2）双回路，断任意两相导线或2根地线，或断一相导线+地线。3美国导则设计方法介绍26风荷载的计算：风荷载重现期分别取50、100、200、400年一遇，根本风速是指50年重现期在平坦或空旷的乡村地区，地面以上33ft(10m)高处的最快英里风速。可以换算为10m高出，10min平均最大风速：线条风荷载计算公式：

杆塔风荷载计算公式：

风向与杆塔塔面相垂直时：3美国导则设计方法介绍27覆冰荷载确实定：1)利用10年以上冰的统计资料，采用极值I型分布规律确定设计冰厚IRP;2)应用冰区图：3美国导则设计方法介绍28线条覆冰的垂直荷载：

不考虑冰重对结构构件垂直载荷的影响。冰、风荷载共同作用的条件下，风荷载采用极限风荷载，在缺乏统计资料的情况下，风速折减40%。考虑不均匀覆冰荷载，通过对有一定间距的结构进行加强(加纵向拉线或加强已有的纵向拉线)来构成防串倒结构：3美国导则设计方法介绍29断线工况：断导线单回任意一根/相地线未断、无冰、无风76%RSL双、多任意两根/相断地线单回1～2根导线未断、无冰、无风100％RSL双、多2根地线；或任意一根地线＋一根导线3美国导则设计方法介绍30轴心受压构件的计算：当时，fy由下式计算值替代≥3美国导则设计方法介绍31从设计方法来看，IEC标准、欧盟标准、美国导那么及我国标准均是采用的以概率为根底的极限状态设计法，各标准对杆塔设计的根本荷载工况均分类表述，按我国的习惯表示方法，即为正常运行工况、安装工况和断线工况。国内外标准的可靠度等级和气候荷载回归期如下：IEC标准、欧盟标准美国导则我国规范1501501、2、315、30、50、100215021003500420084004国内外设计标准的比较〔1〕设计方法及工况组合的选择32国外标准注重系统可靠度的设计，即将一条线路当成一个系统，根据不同子系统失效对线路造成的损失的不同，以及修复的难易程度不同，而采用不同的可靠度水平。这一点IEC标准、美国导那么都有相关的论述，另外，根据加拿大的研究，即使按100年甚至500年重现期设计的输电线路也可能发生、断线、掉串、倒塔等事故。既然事故不可防止，如何将事故影响降低到最小程度，研究了事故发生后，地线、导线、绝缘子、金具、杆塔和根底这几个子系统，谁最先失效，损失最小，由此也提出了二阶段设计理论。值得借鉴。〔2〕设计方法理念的不同4国内外设计标准的比较33另外，日本在确定了冰风荷载设计重现期以后，原那么上采用国家气象台站的冰、风数据，但提前3-5年在线路路径上有选择性地建立冰、风观测站，观测数据与国家气象台站的数据进行比较，如果趋势一致直接采用，如果有较大出入那么适当进行修正。〔3〕荷载取值来源的差异规范算法观冰冰区分布图修正系数中国推荐极值I型分布重冰区规范中“有条件设置”没有要求数据IEC极值I型分布20年以上气象资料及不少于5年的观冰资料根据导线直径修正美国极值I型分布利用10年以上观冰的统计资料有欧洲均值法及极值法按观冰年限规定了调整系数各国规范有4国内外设计标准的比较34总的来看，兴旺国家的取值是建立在长期的观测和大量的统计分析根底上的，必须以长期的数据积累为根底，美国、欧洲兴旺国家已有细致的冰区划分图，设计中可以查询线路沿线的覆冰情况，且有多年的观冰资料可以利用。我国输电线路杆塔设计标准最初主要是参考前苏联的线路设计标准，但我国的气象台站一般没有覆冰观测数据，只能通过沿线调查、建立观冰点/站根据相邻已运行线路的运行资料和经验来确定设计冰厚，尽管设计标准规定了重现期，设计取值大都能满足标准的要求，但缺乏长期观测数据的支撑和数理模型的推算。4国内外设计标准的比较35各标准对于最大风的情况的条件根本一致，修订后的标准与国外标准大致对应。我国规范1）最大风速、无冰、未断线2）最大覆冰、相应风速及气温、未断线3）低气温、无冰、无风、未断线4）覆冰、断线、无风5）不均匀覆冰、有风IEC标准1）任意方向最大风2）覆冰无风情况3）覆冰有风情况4）不均匀覆冰美国导则1）最大风2）最大覆冰和相应风3）不均匀覆冰欧盟标准1）最大风2）覆冰及相应风2）最低温、风荷载4）不均匀覆冰〔4〕正常运行工况4国内外设计标准的比较36不均匀覆冰，我国未考虑受扭(修订后考虑)工况描述我国规范重冰区导线三相和地线两根同时有不均匀冰导线两相和地线一根同时有不均匀冰荷载IEC标准纵向弯曲工况横向弯曲工况受扭工况美国导则考虑纵向或受扭情况欧洲标准组合情况同IEC标准，只是不平衡张力取值不同规范风速取值（m/s）中国15（重冰区10～15）IEC标准美国导则0.4V欧盟标准(0.55～0.65）V(0.7～0.85）V在冰、风组合时我国标准风速取值较为单一4国内外设计标准的比较37中国双回路直线塔断导线为一相导线，一根地线，国外标准断两相，2根地线，并且断线张力取法不一样。(修订后标准断1/3，与国外相当)〔5〕断线工况IEC标准单回路一侧导、地线全断，纵向荷载断一相导线，受扭断任意一根地线双、多回路一侧导、地线全断，纵向荷载断两相导线断两根地线美国导则单回路断任一相导线断1～2根地线双回路断两相导线断2根地线断1根导线+1根地线欧盟标准同IEC标准4国内外设计标准的比较38以典设2H模块的SZ41塔为例，对国内外标准关于断线工况铁塔进行计算比较。SZ41塔设计条件：导线2XLGJ-400/35，地线JLB40-150，水平档距：350m，垂直档距：450m。算例：序号气象工况气温t0C风速m/s覆冰厚度mm1最高气温40002最低气温－10003覆冰情况－51554最大风速153505安装情况0100规范断导线张力（kN）断地线张力（kN）导线张力比值地线张力比值中国15.8014.3611IEC标准24.68扭转荷载21.53扭转荷载1.561.5012.34纵向荷载10.77纵向荷载0.790.75美国导则30.0028.701.902.04国内外设计标准的比较39规范线条风荷载计算中国IEC标准美国导则欧盟标准各标准线条风荷载计算方法(6)风荷载的比较4国内外设计标准的比较40规范代号风向与塔面夹角线条风荷载计算中国垂直IEC标准θ垂直美国导则ψ垂直欧盟标准φ垂直各标准杆塔塔身风荷载计算方法4国内外设计标准的比较41从上面的计算方法可以看出，各标准的风荷载计算方法的根本一致，考虑的因素也根本对应，只是取值略有不同：4国内外设计标准的比较42规范重现期风荷载效应kN.m中国30年38823.4450年42390.66100年55183.73IEC标准50年36590.67150年44274.71500年52690.56美国导则50年34273.83100年39414.90200年44555.98400年47983.364国内外设计标准的比较43标准回归期总效应值kN.m中国30年14841.1450年16202.12100年19854.07IEC标准50年15383.74150年18614.32500年22152.58欧盟标准50年17857.95150年21429.52500年25001.11美国导则50年14311.44100年16458.16200年18604.87400年20036.014国内外设计标准的比较44以上计算是以50年一遇的荷载回归期为根底，中国标准考虑风荷载调整系数为1.2条件下的结果:规范回归期(年)中国30年50年100年1.0IEC标准

50年150年1.0欧盟标准

50年150年1.0美国导则50年100年400年1.154国内外设