国内外架空输电线路档中线间距设计的对比研究

国内外架空输电线路档中线间距设计的对比研究

汪晶毅，潘春平，朱映洁

（中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司，广东广州 510663）

摘 要：档中线间距影响着线路塔头尺寸和安全运行。通过对比中国、日本、欧洲和CIGRE等国内外的主要设计标准，研究了各标准档中线间距的计算方法，对比了设计和校核工况、风荷载计算和风偏角确定、电气间隙要求等方面的差异，总结了国内外计算方法中存在的问题。结合500 kV线路实例对各标准由档中线间距确定的塔头上的线间距离进行了测算，分析风速、风向、导线布置方案、导线型号、档距等因素对塔头尺寸的影响。根据对比结果，建议国内线路在档中线间距设计和校核时可采用风偏角按正态分布、根据线路重要性确定标偏倍数的方法，并建议开展长期的架空线路风偏摆动研究和观测工作，以优化线路设计。

关键词：架空输电线路；档中线间距；风偏角；标准偏差；电气间隙

0 引言

档中线间距是塔头尺寸规划和校核的重要一环。一方面，导线间、导线与地线在档中时的线间距离要满足相间、相地电气间隙的要求，避免发生相间或相地闪络；另一方面，应用于大档距的直线杆塔，其塔头尺寸往往不取决于间隙圆，档中线间距也是决定塔头上导线间、导地线间尺寸的重要因素之一。目前国内外线路设计标准的对标工作已较为深入和全面，但均侧重于铁塔设计时的荷载设计和对比。文献[1-6]分别选取GB 50045—2010[7]、 DL/T 5154—2002 和 ASCE 74—2009、 IEC 60826—2003[8]、 BS EN 50341—2001[9]、BS 8100、JEC 127—1979[10]，对线路的风荷载设计包括线条风荷载和铁塔风荷载进行了对比，比较了基本风速、体型系数、高度变化系数等参数选取的差异，并结合算例对输电线路的风荷载进行了计算和对比。但现有的对标工作对档中线间距离及对塔头尺寸的影响均缺少研究和对比，也未见相关文献报道。随着国际业务的逐步开拓，国内企业开始承接架空输电线路设计工作。海外项目多采用国外设计标准，因此，有必要开展国内外标准在档中线间距设计和校核方面的对比工作。

本文选取中国标准GB 50045—2010[7]（以下简称国标），欧洲标准BS EN 50341-1-2012[9]、文献[11]（以下简称日标），日本标准 JEC 127—1979[10]（以下简称欧标）及CIGRE Technical Brochure No.348[12]（以下简称CIGRE）等主要的标准规范和资料，对档中线间距离的计算方法、计算工况进行了研究，对档中线间距要求的塔头线间距进行了对比计算。根据标准对比情况，本文还对国内线路档中线间距设计的改进和完善提出了建议。

1 各国标准及规定

1.1 国标

GB 50045[7]规定，导线水平线间距离宜按式（1）计算，导线垂直排列的垂直线间距离，宜采用式（1）计算结果的75%，并满足最小垂直线间距离的要求。

式中：ki为悬垂绝缘子串系数，对I-I串和I-V串取0.4，对V-V串取0；D为导线水平线间距离，m；Lk为悬垂绝缘子串长度，m；U为系统标称电压，kV；fc为导线最大弧垂，m。

导线三角排列的等效水平线间距离为

式中：Dx为导线三角排列的等效水平线间距离，m；Dp为导线间水平投影距离，m；Dz为导线间垂直投影距离，m。

为避免档中雷击闪络，导地线配合要求在一般档距的中央，在15℃、无风、无冰条件下，导线与地线间的距离为

式中：S为导地线距离，m；L为档距，m。

1.2 日标

日标中确定线间距的计算方法有经验公式法、风脉动法和统计分析法，其中经验公式法和风脉动法见文献[11]。

统计分析法认为在风作用下导线以平均风偏角为中心，按照正态分布规律在其周围变动，通过求出标准偏差，校核在档距中央的最小接近距离。

导线平均风偏角和风荷载分别为

标准偏差为

式中：WW为导线风压，kg/m；WC为导线质量 ，kg/m； ρ为空气密度，kg·s2/m4； 为平均风速，m/s；C为体型系数；D为导线直径，m；a=0.5ρCD；h=cos；K为地表系数，0.009~0.040；k0为系数，S 为档距，m；d2为风偏时的弧垂，m；函数ν可表示为

假定两根导线的平均风偏角、标偏范围、弧垂分别为、 nσ1、 D1 和、 nσ2、 D2， 两根导线水平距离、垂直距离分别为a、b。上风侧导线的最大风偏角取下风侧导线的最小风偏角取导线间距离为

当两根导线特性相同时可表示为

标偏范围对重要线路大多取3σ，一般线路取2σ。

1.3 欧标

欧标中导线风荷载和风偏角分别为

式中：qh（h）为平均风压，N/m2；Cc为体型系数；d为直径，m；Lm为水平档距，m；GK为考虑垂直档距的垂直荷载，N。

静态时相间距离不应小于

式中：f为40℃弧垂，m；lk为绝缘子串横线路方向可以摆动的长度，m；k为系数，参考表1取值；k1为折减因子，由各国规范（national normative aspects，以下简称NNA）规定；Dpp为相间最小间隙。相间距离c不应小于k值。

表1 系数k取值
Table 1 Value of coefficient k

注：导线间的相对角a指导线连线与垂直方向的夹角，均为正值。

导线风偏角/（°）系数k a=[80°，90°]a=[0°，30°]a=[30°，80°]≥65.1 0.95 0.75 0.70 55.1~65.0 0.70 0.85 0.65 40.1~55.0 0.65 0.75 0.62≤40.0 0.70 0.60 0.62

1.4 CIGRE

CIGRE提出相邻导线线间距计算时考虑如下2种工况：（1）最大风时，档中距离满足Dpp_pf（工频电压下相间间隙值）；（2）绝缘子串和导线在99%时间未超越位置的风速下，档中距离满足Dpp（过电压下相间间隙值）。

绝缘子串和导线在99%时间内未超越位置时的对应风速为

式中：V2a为2年重现期风速。

当水平档距与垂直档距相等时导线平均风偏角为

式中：qz为导线平均高处的平均风压；Cxc为体型系数；GC为导线阵风因子；GL为档距因子，可参照文献[8]取 GL=1－0.000 232 5×（LW－200）（200≤LW≤800）；d为导线直径；mC为导线单重。

与日标的观点类似，CIGRE也提出导线在风偏角周围按正态分布规律变动，标准偏差σφ按式（15）计算， 导线摆动的角度范围为 φC±2σφ。

式中：VR为导线平均高度处的风速。

2 方法对比及参数差异

2.1 设计/校核方法

国标虽然对相邻导线风偏时的动态摆动范围未做明确规定，但实际上考虑了相邻导线风偏摆动时在并不完全同步的情况下，也要保持间隙要求。欧标提出的静态下的线间距离经验公式，也考虑了绝缘子串和导线不同步摆动的情况。欧标对相邻导线的动态摆动情况做了调研，认为当相邻导线分别受到相差40%的风荷载作用时，式（12）中的间隙值k1Dpp仍能得到保持，因此不做特别要求。日标、CIGRE均认为导线实际风偏角是动态的、正态分布的，而不是确定不变的，其范围为平均风偏角±3σ或±2σ（σ为标准偏差），所提出的计算公式校核的是动态情况下线间距离是否满足工作电压或过电压要求，对静态的情况未做规定。

2.2 设计/校核工况

国标中式（1）弧垂一般取高温弧垂；日标统计分析法的风速取平均风速，弧垂取大风弧垂；欧标中的弧垂取40℃弧垂，同时风速由NNA规定，若无规定则采用额定风速（nominal wind velocity），为3年重现期风速，一般取50年重现期风速的0.75，风速均为10 min平均值；CIGRE在校核档中距离时，推荐采用稍短时距（5 min）的风速，但对弧垂、同时气温未做明确规定。需要注意的是，日标、欧标均采用的是极限设计方法，CIGRE法则对特性方法未有明确。

2.3 风荷载和风偏角

国标在计算线间距时未涉及导线的风荷载和风偏角。与日标的绝缘子串风偏摇摆和结构风荷载计算相比，日标统计分析法计算档中线间距时导线风荷载未考虑一档内导线的档距折减、阵风效应、阵风时间修正、Kv值等参数。欧标的导线风荷载和风偏角虽然不直接进入公式计算，但影响系数k的取值，风荷载计算时不考虑档距的折减和阵风效应。CIGRE方法在计算导线风荷载和平均风偏角时保守考虑，取阵风因子GC=1，但计及档距因子GL的影响。

2.4 电气间隙

国标虽然未明确提出线间距离计算时应满足的间隙值，但式（1）中的 “U/110”可认为是要求满足的相间操作过电压间隙值，该值与各电压等级的操作过电压相间最小间隙值接近或一致。日标要求的最小相间间隙为操作过电压下的相间距离。欧标要求的间隙为k1Dpp。CIGRE要求的间隙为工频相间间隙Dpp_pf、冲击电压下的相间间隙Dpp。

计算或校核档中线间距时，各国主要电压等级下的相间电气间隙值如表2所示。

表2 各标准中的相间电气间隙值
Table 2 Value of electric clearance in various standards m

注：1）国标为 “U/110”的值；2）为系统最高电压550 kV时对应的间隙值；3）CIGRE计算冲击电压下的相间间隙时，表中4种标称电压下对应的U50%_ff分别为590 kV、1 140 kV、1 540 kV、1 680 kV。

系统标称电压/kV 110220（中、日、欧）230（欧、CIGRE）400 500国标1）1.00 2.00/日标1.15 2.10 4.102)/欧标1.15 2.00 4.55 3.20 0.42 0.85 Dpp_pf 1.52 CIGRE3）2.20 Dpp 2.26 1.17 3.73 4.00 4.48

从表2对比来看，在间隙距离要求上，高电压等级时国标最为严格，欧标的间隙值还需乘以间隙折减系数k1（一般取0.75，或由NNA规定），因此要求的雷电或操作冲击电压下间隙值最小。但间隙需结合风偏工况统一考虑，因此并不能简单地由间隙取值就推断出欧标要求的档中线间距离最小、国标的最大，需结合工程实际情况，按照各标准具体规定的气象条件、导线特性、布置方式等进行计算综合确定。

3 计算对比

以500 kV线路为例，导线分别为4×JL/G1A—630/45（直径33.8 mm，分裂间距500 mm，单重 2 079.2 kg/km）和 4×JL/G1A—400/35（直径26.8 mm，分裂间距 450 mm，单重1 347.5 kg/km），按30 m/s和40 m/s基本风速（10 m高、10 min时距，50年一遇），水平布置、垂直布置、对角线布置3种导线布置方式（详见表3），采用国标、日标（统计分析法）、欧标、CIGRE标准对为满足档中线间距离要求的塔头上最小导线线间距离（Dmin）进行了计算和对比（见图 1~3）。导线平均高度取20 m；代表档距、档距相等，均为400~1 200 m，水平档距LH与垂直档距LV相等，即Kv=1。假设悬垂绝缘子串均为V型串，忽略绝缘子串的摆动。导线特性放线均按国标设计，各档距下的大风工况弧垂与高温弧垂相差很小（算例中在400~1 200 m档距下相差0.2~0.7 m），故计算中弧垂均取高温弧垂。日标统计分析法下校验的电气间隙值未明确要求，暂按文献[8]中的相间操作过电压间隙4.10 m取值，标偏倍数取3。CIGRE需要计算V2a，取气象台站年最大风速平均值的变异系数0.14，5 min时距风速与10 min时距风速的换算系数为1.05。计算中考虑风向自左向右水平吹动和自右向左水平吹动2种情况。水平和垂直布置时风向对线间距离无影响；对角线布置时，风向对Dmin有影响，计算结果为2种风向下要求的Dmin的较大值。另外，国标对导线垂直布置时有最小垂直线间距离的要求，图1~3计算中不考虑最小垂直线间距离的规定。

表3 导线布置示意
Table 3 Conductor layout diagram

图1 导线水平布置时档中线间距要求的塔头上线间距离
Fig.1 Conductors spacing determined by mid span when horizontal arrangement on tower top

图2 导线垂直布置时档中线间距要求的塔头上线间距离
Fig.2 Conductors spacing determined by mid span when vertical arrangement on tower top

图3 导线对角线布置时档中线间距要求的塔头上线间距离
Fig.3 Conductors spacing determined by mid span when diagonal arrangement on tower top

从计算结果来看，各标准下为满足档中线间距而要求的Dmin与多种因素（包括导线参数、导线布置方式、设计风速、档距等）紧密相关，难以简单的一概而论。以导线水平布置为例，较低风速未必比较高风速要求的Dmin小，如日标在40 m/s风速下要求的Dmin＜30 m/s（见 图 1）， 在≥1 000 m档距下，CIGRE也有类似结论，而欧标和国标则结论相反；垂直布置时，各标准在较高风速（40 m/s）下要求的Dmin则小于较小风速（30 m/s）下的Dmin（见图2）。对角线布置时则情况更为复杂，如相邻导线均为JL/G1A-630/45时（见图3 a））， 日标在较低风速下的Dmin大于较高风速，CIGRE在≥1000m档距下有相同结论，在＜1 000 m档距下结论相反，国标、欧标同样结论相反；但当相邻导线均为JL/G1A-400/35时（见图3 b）），仅日标在较低风速下的线间距大于较高风速，国标、欧标、CIGRE均结论相反。因此，通过档中线间距计算以校验塔头上线间距离时，必须根据工程的实际参数进行计算。各标准横向对比来看，国标要求的线间距离在导线型号相同、水平布置时较大，其他情况下一般居中。

相邻两导线为相异导线或者是相同导线但分裂数不同时，国标并未明确指出式（1）是否适用。在以往工程设计和专题研究时，有的设计单位按式（1）计算相邻线路的水平线间距离，取二者中较高的标称电压和较大的导线弧垂。欧标指出相邻导线为相异导线时，虽然截面、材质或者弧垂不同，但式（12）仍然适用，可取较大的系数k和较大的弧垂以计算线间距离。CIGRE方法未明确相邻导线相异时是否适用，日标统计分析法是可以适用相异导线的。但需要注意，根据日标统计分析法简化推导的式（8）和式（9）只适用于两相同导线风偏摆动时在横线路的垂直平面的水平轴上不出现交错的情况，否则所计算出的相间距离并不是最小相间距离。另外两相导线弧垂特性相差较大时，虽然档距中央在垂直线路方向上的线间距离可以满足电气间隙要求，但是还需要考虑两相导线沿档距各点的线间距离是否满足要求，更严格的情况下还需要进一步考察三维空间内的线间距离是否满足要求，否则就会得出错误的结论。

巴西在紧凑型杆塔设计中[11]，通过深入研究发现不同相导线间的不同步摆动不会超过3°~4°，因此大大压缩了线间距，500 kV紧凑型拍型塔相间距6.02 m，500 kV紧凑型横索塔相间距5.55 m。与之相比，中国的500 kV倒三角紧凑型杆塔的相间距离一般为6.7 m。因此根据国外的线路设计和经验来看，有必要开展长期的架空导线风偏摆动研究和观测工作，压缩塔头尺寸，压缩线间距离和走廊宽度。

另外，在线间距设计和校验时，建议参考日标统计分析法和CIGRE方法，引入概率统计的观点，考虑导线的风偏角在平均风偏角周围呈正态分布，根据线路的重要性选择合适的标偏倍数，从而可以确定不同保证率下的线间距离。

4 结语

（1）各国电气间隙取值差异较大，但由于间隙需结合风偏工况统一考虑，并不能简单地由间隙取值就推断档中线间距离要求的塔头尺寸大小，需结合工程实际情况，根据设计气象条件、导线特性放线、布置方式等进行计算综合确定。

（2）各标准下为满足档中线间距而要求的塔头线间距离与多种因素紧密相关，并非风速越大，要求的塔头上档中线间距越大、塔头尺寸越大。校核档中线间距时，必须根据工程的实际参数进行计算。

（3）日标统计分析法和CIGRE方法在计算相异导线的线间距离时不仅需要考虑档距中央的风偏接近距离，还需要考虑沿档距各点间的线间距离，当档距较大时还需要进一步考察三维空间内的线间距离是否满足电气间隙要求。

（4）在线间距设计和校验时，可参考日标统计分析法和CIGRE方法，引入概率统计的观点，考虑导线的风偏角在平均风偏角周围呈正态分布，根据线路的重要性选择合适的标偏倍数，从而确定不同保证率下的线间距离。

（5）建议开展长期的架空导线风偏摆动研究和观测工作，合理压缩塔头尺寸、线间距离和走廊宽度，减小拆迁量，节省工程投资。

参考文献：

[1]潘峰，陈稼苗，聂建波，等．国内外规范输电线路铁塔风荷载特性对比[J]．中国电力，2013，46（4）：37-42．PAN Feng,CHEN Jiamiao,NIE Jianbo,et al．Contrast study of wind load characteristics for transmission towers based foreign standards[J]．Electric Power,2013,46(4):37-42．

[2]JIANG Qi,DENG Hongzhou．Comparison on wind load prediction oftransmission line between Chinese new code and other standards[J]．Procedia Engineering,2011,14(12):1799-1806．

[3]张盈哲，廖宗高，谢强．输电线路设计规范中风荷载计算方法的比较[J]．电力建设，2013，34（7）：57-62．ZHANG Yingzhe,LIAO Zonggao,XIE Qiang．Comparison of wind load calculation standardsforpowertransmission lines[J]．Electric Power Construction,2013,34(7):57-62．

[4]廖宗高，傅鹏程．IEC、ASCE、GB50545规范风荷载计算对比与分析[J]．电力勘测设计，2011（3）：59-63．LIAO Zonggao,FU Pengcheng．Contrast analysis of wind loading calculation of IEC、ASCE and GB 50545 criterion[J]．Electric Power Surveyamp;Design,2011(3):59-63．

[5]徐彬，冯衡，曾德森．国内外输电线路设计规范风荷载比较[J]．华中电力，2012，25（2）：76-81，86．XU Bin,FENG Heng,ZENG Desen．Comparation on design codes of transmission line for wind load at home and abroad[J]．Central China Electric Power,2012,25(2):76-81,86．

[6]章东鸿，王振华.输电线路导地线阵风响应计算与比较[J].中国电力，2016，49（7）：27-31.ZHANG Donghong, WANG Zhenhua. Computation and comparison for gust response of wires of transmission line[J].Electric Power,2016,49(7):27-31.

[7]110 kV~750 kV架空输电线路设计规范：GB 50045—2010[S]．北京：中国计划出版社，2010．

[8]Design criteria of overhead transmission lines:IEC 60826-2003[S]．

[9]Overhead electrical lines exceeding AC 1 kV-Part1:General requirements-common specifications:BS EN 50341-1-2012[S]．

[10]Design standards on structures for transmissions:JEC-127-1979[S]．

[11]Investigation Committee ofInsulation Designing Outline for Overhead Transmission Linesin Japan．Insulation designing outline for overhead transmission lines in Japan[M].Japan:1988．

[12]CIGRE Working Group B2.06．Tower top geometry and mid span clearances[M]．CIGRE Technical Brochure No．348，2008．

Comparative Research on Mid Span Clearances of Overhead Transmission Lines Design Between Domestic and Foreign Standards

WANG Jingyi, PAN Chunping, ZHU Yingjie
（Guangdong Electric Power Design Institute of China Energy Engineering Group, Guangzhou 510663, China）

Abstract:The mid span clearance has important influence on tower top geometry and reliable operation of overhead transmission lines.The existing comparison between domestic and foreign design standards mainly focus on wind load on the basis of tower structure,while research on mid span clearance between conductor and conductor or conductor and earthwire are absent.Chinese,Japanese,European and CIGRE design standards are selected to study mid span clearance calculation methods.The analysis and comparison includes different aspects such as design and check conditions,wind load,swing angle calculation and electric clearance requirements.The existing problems in standards are also discussed.An 500 kV line is taken as example to discuss different tower top geometry between phase to phase determining by mid span clearance.Influence of wind velocity,wind direction,conductor arrangement,conductor type and spans on tower top are also studied.It is proposed that,in domestic design and check of mid span clearance,normal distribution should be used for swing angel of conductors and standard deviation should be decided by line importance.Also,it is advised to perform long-term research and observation of swing characteristics of conductors in order to improve overhead lines design.

Keywords:overhead transmission lines;mid span clearance;swing angle;standard deviation;electrical clearance

中图分类号：TM726

文献标志码：A

DOI：10.11930/j.issn.1004-9649.201606076

收稿日期：2016-07-17；

修回日期：2017-04-17

作者简介：汪晶毅（1981—），男，安徽舒城人，博士，高级工程师，从事输电线路的设计和研究工作。

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（责任编辑 李博）