中欧输电线路设计规范气象条件对比研究

顾 俊 颉

(上海电力设计院有限公司,上海 200025)

1 概述

输电线路有协调地区电力能源分布的重要作用，如何设计安全可靠且又经济的输电线路，显得非常重要。随着中国“一带一路”倡议的提出，中国在欧洲的输电线路建设项目也越来越多，但是目前不同国家地区的输电线路设计规范规定均有一定差别。对比研究中国与欧洲输电线路设计的技术体系不同之处，能有效为建立国外输电工程设计技术体系，促进海外工程业务的发展提供技术参考。

为较为全面了解中欧输电线路设计技术体系的差异，本文主要从气象条件方面对比分析了中欧的设计技术规定。本文对比研究的中国和欧洲的设计规范如下：

1)GB 50545—2010 110～750 kV架空输电线路设计规范。

2)BS EN 50341—1∶2001 Overhead electrical lines exceeding AC 45 kV-part Ⅰ。

3)IEC 60826 Design criteria of overhead transmission lines。

2 风速规定对比

2.1 GB 50545—2010规范

基准风速是指10 min时距平均的年最大风速，采用极值Ⅰ型分布作为概率模型，统计风速的高度应符合:1)110 kV～750 kV输电线路统计风速应取离地面10 m;2)大跨越风速应取离历年大风季节平均最低水位10 m。

110 kV～330 kV基准风速不小于23.5 m，500 kV～750 kV不小于27.5 m/s。

大跨越基本风速当无可靠资料时，宜将附近陆上输电线路风速统计值换算到跨越处历年大风季节平均最低水位以上10 m处，并增加10%，考虑水面影响再增加10%后选用。

2.2 EN 50341—1规范

基准风速是指地面以上10 m处的风速，在采用平均风速的国家，由Ⅱ类测量地点附近的基准风速VR(Ⅱ)评估出：

VR=kT·ln10/z0·VR(Ⅱ)。

式中系数取值见表1。

表1 VR计算式系数取值

2.3 IEC 60826—2003规范

基准风速VR定义为对应某一重现周期T内离地10 m处在10 min中测得的风速平均值。在通常情况下，一般在地形条件为B类，例如机场地区的气象站采集获得数据VR数据。无论如何，可以在x类地形现场离地10 m的高度，记录t(s)时间内的风速平均值，在此将其记为Vx.t(如果并非在离地10 m处测量，应首先将数据调整以对应于该高度)。

图1内的曲线可以用于确定Vx.t/Vx,10 min的比例，该比例是在气象测量现场各类地形起伏度下平均测量时间的函数。在没有当地数据或研究时，可以使用该值代替。

对于已知的Vx.10 min，可以通过以下公式得到V：

V=Vx.10 min/KR。

式中参数KR见表2。

表2 KR数值表

3 覆冰规定对比

3.1 GB 50545—2012规范

轻冰区、中冰区、重冰区分别按照相应的覆冰厚度设计，必要时还宜按稀有的覆冰条件进行验算。

除无冰区外，地线设计冰厚应较导线增厚5 mm。

大跨越设计冰厚，除无冰区外，宜较附近一般输电线路增加5 mm。

3.2 EN—50341规范

根据各种数据来源进行的极限冰荷载评估。

用于评估冰荷载的数据变化很大。这个标准描述了根据三种类型的数据进行的统计方法：

1)记录周期至少为10年(见B.5.2)的最大年度冰荷载Im。

2)仅记录限制年数内冰荷载的最大值Imax(也就是非统计数据)。

3)通过气象数据分析(结冰模式)计算的最大年度冰荷载。

注：使用很少几年内收集的冰荷载数据，如果结冰季节没有重现，则可能会产生误导。如果有可能，气象评估应尽量包含该区域20年～30年的数据。如果不这样做，则可能出现因为周期太短或者没有重现而造成误导。

1)提供至少10年内的年度最大冰荷载。

如果计算的变化系数VI在表3规定的范围以外，则应设置与最近的限制值相等。

表3 变化系数表

2)只知道几年的最大冰荷载Imax。

设定平均值Imm等于0.4Imax，变化系数VI=0.7。根据表3，极限冰荷载可以按照n=10年计算。

3)通过对气象数据进行分析评估年度最大冰荷载。

本标准中用于统计方法的冰荷载数据的值可以通过结冰模式来建立。从这种模式中得出的结果应该用于计算平均值Imm和变化系数VI。

这种类型的结冰模式应分析20年或者以上的气象数据。除了标准的气象观察参数以外，还要求标准气象观测(液态水含量、微滴大小、降水密度等)中不包含的数据。

如果没有能够代表架空线路地点的数据，则应该建立一个测量方案，测量参数或者直接测量冰荷载。在后一种情况中，应该进行辅助的气象计量和数据收集。

对结冰模式进行正确的校准要求至少5年～10年记录在案的结冰事件。有很多地方可能出现多个不结冰的季节。气象测量应该至少持续两个季节，但是最好能在5年或者以上。如果计划在一个区域内修建新的架空线路，而这个区域内结冰的信息很少或者线路横穿裸露的地形，则应该尽早拟制一份测量方案。

3.3 IEC 60826规范

冰的物理性质变化较大。表4中列出了典型冰的物理性质。

积冰方面的可用数据差异巨大。根据可用信息和观测年份不同，推荐使用以下评估方法。

表4 冰的物理性质

表5 冰荷载统计参数

可以使用气象分析模型计算一定年数内的年度最大冰荷载值。

可以通过分析20年或以上的现有标准天气或气候数据与至少5年以上的输电线路冰荷载观测值，获取使用本标准内统计方法所需的充足数据。

验证和调整预测模型所需的线路场所信息，可以通过现有输电或配电线路过往经验获取、或对暴雪区域现场观测、或通过植被积冰效果获取。

4 气象重现期规定对比

1)GB 50545:750 kV,500 kV为50年,110 kV～330 kV为30年。

2)EN 50341—1：极限风速的一般重现期是50年。

极限冰荷载IT根据平均值Imm，最大年度冰荷载的变化系数VI和观察年数n，按耿贝尔分布计算。n<10时，取10。风速及冰荷载的转换因数见表6,表7。

表6 风速的不同重现期的转换因数

表7 冰荷载的不同重现期的转化因数

3)IEC 60826—2003规范。

在设计输电线路时，可以通过增加气象条件的重现周期T来获得更高的可靠性水平。可以根据线路在电网中的重要性水平为其设定更高的可靠性。在本标准中提出了三种可靠性水平，并认为这三种水平涵盖了大多数输电线路的可靠性范围。表8中按照重现周期划分了可靠性水平。对于临时线路、木杆电线杆、或不重要的线路，可以使用25年的重现周期。

表8 输电线路可靠性水平

在某些国家标准中，规定了参考气候变量(通常为50年重现周期值)。在这种情况下，任何重现周期T(年)的气候变量都可以通过使用表9内的荷载系数γT乘以气候变量50年参考值获得。

表9 根据重现周期T=50年调整气候荷载的默认γT系数

5 结语

1)中国国标和欧盟标准、IEC标准对基准风速均定义为离地10 m，10 min内的平均风速。不同的是，欧盟标准、IEC标准给出了不同地形条件、不同高度、不同统计时距下风速的转换公式，而中国的国标并未对此做出专门规定。

中国国标对不同电压等级的基准风速做了最低限值，同时对对大跨越线路做了专门的风速取值建议和规定。欧盟标准和IEC标准并没有限值和特殊的规定。由此可见欧标和IEC的标准对原始数据准确性的要求更高，更加科学；中国标准在基本定义与欧盟标准和IEC标准一致情况下，更接近工程，做了更保守的强制性规定。

2)欧盟标准和IEC标准对于覆冰的规定、统计方法基本一致，需要10年以上的统计值，通过平均值和标准差来计算极限覆冰。同时根据冰的形成原因，区分不同类型覆冰对建构筑物的影响。

中国标准将不同的地区分为轻、中、重冰区，分别采取不同的覆冰厚度，并没有区分冰的类型，均按照普通水冰计算冰荷载。同时强调了大跨越和地线覆冰的增加，更加趋向于工程和经验，而非数据模型和统计学。

3)对于气象重现期，中国国标按照电压等级直接规定相应的气象重现期。而欧盟标准和IEC标准均未制定硬性规定，而是给出了不同气象重现期风、冰变量的转换系数，实际工程根据可靠性和经济性要求进行选择。这样的区别说明欧盟和IEC的标准倾向于提出算法和数学模型，实际重现期的选择应当由业主、市场根据需要选择，而中国国标更多考虑的是可靠性，没有过多考虑市场和经济性。

欧盟标准和IEC标准不同重现期内的风、冰转换系数略有不同但大体一致。