输电线路安装航空标志球后对地线弧垂影响的有关计算

摘 要：【目的】以河南省郑州市港区东500 kV输电工程为例，研究航空标志球对地线弧垂的具体影响，为超高压输电线路设计提供参考。【方法】采用理论计算与案例分析方法，将航空标志球视为均布荷载，应用架空输电线路设计公式，综合考虑重量、外径及风冰荷载等因素影响，对地线弧垂进行详细的计算分析。【结果】结果显示，航空标志球显著影响地线弧垂，但通过合理设计，影响可控且满足安全规范。计算结果表明，即使安装有标志球，地线弧垂也在安全范围内，并满足设计安全系数要求。【结论】在合理的设计下，安装航空标志球的输电线路能满足安全规范，并确保运行安全。外径折算增加地线覆冰重量计算的保守性，可为杆塔荷载及整体安全提供额外的保障。研究结果为工程设计提供科学依据，对相关领域研究具有指导意义。

关键词：机场；输电线路；航空标志球；地线弧垂；安全距离

中图分类号：TM75 文献标志码：A 文章编号：1003-5168（2024）21-0009-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.21.002

The Calculation of the Influence on the Ground Wire Sag After the

Installation of Aerial Marker Ball

HUI Shengda1 SHAO Panyi1 WANG Qiang2

（1.Power China Construction Group Henan Electric Power Survey & Design Institute Co.， Ltd.， Zhengzhou 450007，China; 2.State Grid Jibei Electric Power Co.， Ltd.， Tangshan Power Supply Company， Tangshan 063000， China）

Abstract：[Purposes] Taking the 500 kV transmission project in the east of Zhengzhou Airport Economy Zone of Henan Province as an example， the specific influence of Aerial marker balls on ground wire sag is studied， which provides reference for the design of ultra-high voltage transmission line. [Methods] Using theoretical calculation and case analysis method， the Aerial marker ball is regarded as uniform load， and the design formula of overhead transmission line is applied. Considering the influence of factors such as weight， outer diameter and wind ice load， the ground wire sag is calculated and analyzed in detail. [Findings] Aerial marker balls marker balls significantly influence ground wire sag， but with proper design， this impact is manageable and safe. The calculation results show that even if the marker ball is installed， the ground wire sag is within the safe range and meets the design safety factor requirements. [Conclusions] With thoughtful design， transmission lines with marker， balls meet safety standards and ensure secure operation. The conversion of outer diameter increases the conservatism of ground wire icing weight calculation， which can provide additional guarantee for tower load and overall safety. The research results provide a scientific basis for engineering design and have guiding significance for research in related fields.

Keywords： airport; transmission lines; aerial mark ball; ground wire sag; safe distance

0 引言

根据国际民航组织《国际民航公约-机场设计和运行》附件十四、《民用机场飞行区技术标准》（MH 5001-2021）［1］、《民用机场净空保护区域内建设项目净空审核管理办法》（民航规［2021］3号文）及2001年 8月国务院、中央军委颁发的《军用机场净空规定》等，对于架空的输电线，尤其是超高压（500 kV）输电缆线、跨江输电缆线［2］，应在线路上设置形状醒目的航空标志球（航空警示球），以提供警示标志。

本研究以河南省郑州市港区东500 kV输变电工程配套的500 kV超高压线路工程实际应用情况为例，展开航空标志球的相关应用计算分析。

1 工程应用案例背景

2024年5月8日13时28分，郑州市航空港区变电站4号主变一次充电成功，郑州港区东500 kV输变电工程全面建成投运，标志着河南省第51座500 kV变电站——500 kV航空变电站正式带电运行。工程投运后，郑州区域供电能力提高35万 kW，进一步优化航空港区电网结构，为比亚迪工业园等重要企业提供可靠的供电保障。

此次投运的郑州港区东500 kV输变电工程配套的500 kV超高压线路，位于河南省郑州市新郑市国际机场东侧，位于机场跑道端约13 km。根据相关要求及评估［1］，需要安装航空警示灯、警示球等装置。其中，警示灯主要安装在杆塔的两侧横担及塔身上，警示球需要安装在输电线路的最上层地线上，即避雷器线。根据国际民航组织《国际标准和建设措施—机场》附件十四及国家有关规定，对于架空的输电线，尤其是超高压（500 kV）输电缆线、跨江输电缆线，应在线路上设形状醒目的航空标志球（航空警示球），以供警示。

根据相关标准规定［1-3］，航空标志球（航空警示球）直径[Φ]=600 mm，重量不宜超过9 kg，球体外观颜色可以为全白色、全橙色、全红色、橙白双色、橙红双色；球体材料为工程增强塑料，航空警示球与高压线电缆的线夹为铸铝件，紧固件为不锈钢。航空标志球的构造如图1所示。

由于该工程线路位于新郑国际机场的净空保护区域内，各档地线均要加装航空警示球，沿线路路径每隔30 m安装1个警示球，在两根地线上相互交错安装，安装示意如图2所示［1，4］。

距离杆塔侧最近的航空警示球与所在地线的防振锤应保持10 m以上间距，当该间距小于10 m时，则直接将航空警示球安装在距离地线防振锤10 m处［1-2］。

由于每个标志球单重较重、外径较大，对地线弧垂、风荷载（特别是在覆冰情况下）的影响较大。如何计算安装标志球后的地线弧垂，不仅要确保地线在各种工况下的安全稳定运行，还要满足规范中规定的导地线的距离要求，是本研究讨论的重点。

2 工程基本情况概述

郑州港区东500 kV输变电工程配套500 kV线路工程为怀德-官渡Ⅱ回π入港区东变500 kV线路。该工程起于河南省郑州市航空港区东500 kV变电站（航空变），止于怀官线07#、08#塔处附近，路径长为24.49 km；沿线海拔高度为35～85 m，地形为平地100 %；设计覆冰导线10 mm，地线15 mm，设计风速27 m/s；线路导线均采用4×JL3/G1A-630/45型钢芯铝绞线，地线采用2根72芯OPGW-150光缆。气象条件详见表1，光缆主要参数见表2。

3 相关规范对地线的要求

根据规范［5-6］，导、地线在弧垂最低点的设计安全系数不应小于 2.5、悬挂点的设计安全系数不应小于 2.25，且地线的设计安全系数不应小于导线的设计安全系数。

为了符合防雷要求，导地线之间的距离要符合规范《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》（GB/T 50064—2014）中的规定，有地线的线路应防止雷击档距中央地线反击导线，档距中央导地线间距见式（1）。

[Si=0.015L+1] （1）

式中：Si表示在15 ℃无风时导线与地线间的距离，m；L表示档距长度，m。

4 荷载分布

由于该工程距离新郑国际机场较近，受机场限高的影响，新建的500 kV超高压线路全高不得超过68 m，根据定位成果，线路杆塔平均档距约为430 m，因在航空港区规划区内，线路全线设计对地按居民区控制。根据航空标志球不超过30 m、等间距设置的原则，新建的超高压线路有两根地线，两根地线应遵循“每侧地线不超过60 m、等间距设置、每侧地线交错设置”的原则。根据430 m的平均档距，每侧地线要安装约6个标志球。

该工程采用的标志球单重约为6.3 kg，安装在地线上某个点均为集中荷载，但其按60 m一处固定在地线上，整体可视为均布荷载［6］，即相当于约6.3×6=37.8 kg的荷载均匀分布在地线上。

5 相关荷载折算

5.1 重量折算

根据上述荷载分布分析可知，在计算安装标志球后地线弧垂时，可将标志球视为均布荷载，这样标志球折算后的荷载为6.3/60×9.8=1.029 N/m。在计算地线弧垂时，可将该荷载视为地线重量的附加荷载参与计算。

5.2 冰荷载折算

该工程设计覆冰为10 mm，本研究采用两种方法计算标志球的覆冰折算。方法1：根据《架空输电线路设计手册》推荐［7］，在10 mm冰工况下，盘径320 mm绝缘子单片覆冰3 kg折算，根据面积倍数关系，对于外径600 mm的标准球，其覆冰重量计算为π×（600/2）2/[π×（320/2）2]×3=10.55 kg。方法2［8］：标志球表面按10 mm覆冰厚度、冰密度按0.9 g/cm3计算，根据球体的计算公式可得，此时单个球的覆冰重量为10.53 kg。

同标志球重量折算方法一样，单个球覆冰重量也可视为均布荷载，即在计算地线覆冰弧垂时，其可视为地线冰重量的附加荷载参与计算。

5.3 风荷载折算

导地线的风荷载主要与其外径有关［6］，即与导地线的径向截面有关，对于标志球对地线的影响，可考虑将其折算到地线外径上［8］。对该工程采用的外径为600 mm的标志球，其折算过程如下。

①外径600 mm标志球受风面积：S=π×（600/2）2=282 743.34 mm2；

②警示球60 m一个，平均到60 m，相当于光缆每米增加受风面积为4 712.39 mm2，相当于外径增加4.712 mm；

③对于该工程采用外径16.6 mm的光缆，其外径相当于21.312 mm。

在计算地线弧垂前，要先计算出其对应工况下的应力，即地线最低点的水平应力，再通过架空输电线路档内的电线弧垂公式计算出其对应工况下的弧垂［5，7］。其中，架空输电线路应力采用状态方程计算，见式（2）。

[σm-γ2ml2Ecos3β24σ2m=σ-γ2l2Ecos2β24σ2-]

[αEcosβ（tm-t）] （2）

式中：[σm、σ]分别为已知和待求情况下的电线最低点的水平应力，N/mm2；[γm、γ]分别为已知和待求情况下的电线比载，N/m·mm2；l为电线档距，对具有悬垂绝缘子串的直线杆塔的连续档，则为耐张段的代表档距；E为电线的弹性系数，N/mm2；α为电线的温度伸长系数，1/℃。

在采用状态方程计算时，一般选取最低气温、平均气温、最大风和覆冰这四种工况作为控制工况。计算出电线应力后，即可求出其对应工况下的弧垂，其计算见式（3）［7］。

[f=σccosβrγcosβcoshγl2σccosβr-1] （3）

式中： l为计算弧垂档的档距，m；[β]为计算弧垂档的高差角，°；[2σc]、[cosβr]分别为耐张段内代表挡距中央的应力和代表高差角，°。

6 导地线配合计算

该工程导线采用JL/G3A-630/45高导电率钢芯铝绞线，地线采用两根OPGW-150光缆。根据规范要求，导线安全系数为2.5，地线安全系数应大于导线安全系数，同时要满足在15 ℃无风时导线与地线间的距离。根据式（1），通过试凑方法得到该工程地线安全系数为3.5。该工程平均档距为430 m，但其最大档距为600 m，所采用杆塔塔头导地线间距离为7 m，通过上述所计算出的标志球对地线所带来的附加荷载，带入式（2）、式（3）计算可得，在15 ℃无风工况下，导线的弧垂为25.77 m，地线弧垂为19.74 m，布置在杆塔上的导地线间距为25.77+7-19.74=13.03 m，大于式（1）计算出的10 m。

7 结论

①作为单个集中荷载的航空标志球，由于其等距均匀分布在地线上，因此在计算时，可将其视为均布荷载。即航空标志球均匀地分布在地线上，在计算时将其视为地线的附加荷载折算到地线单重中。

②与将航空标志球质量视为均布荷载类似，同样可将其面积（外径），在计算时将其视为地线的外径附加外径，折算到地线外径中。

③由于将航空标志球外径折算到地线外径后，对地线的覆冰会有影响。而气象条件中地线覆冰15 mm是以其外径为基准的，航空标志球外径折算到地线外径后，地线外径“增加”，将导致15 mm覆冰的重量会增加。这种增加是偏保守的［8］，对杆塔荷载及安全是有利的。

综上所述，根据本研究所采用的方法配合计算出的导地线弧垂，在郑州港区东500 kV输变电工程配套500 kV线路工程实际施工放线及运维验收过程中，均满足相关规程规范要求。

参考文献：

［1］中国民用航空局.民用机场飞行区技术标准：MH 5001—2021［S］.北京：中国民航出版社有限公司，2021.

［2］国家能源局.架空输电线路运行规程：DL/T 741—2019［S］.北京：中国电力出版社，2019.

［3］齐文闯，何佳琳，朱博.具有双重显示的新型航空警示球探讨［J］.现代商贸工业，2019，40（17）：217-218.

［4］贾永刚，程志勇，郭锐，等.航空标志球装置及装卸机器人系统研究［J］.制造业自动化，2016，38（5）：37-40.

［5］中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.110～750 kV架空输电线路设计规范：GB 50545—2010［S］.北京：中国计划出版社，2010.

［6］国家能源局.架空输电线路荷载规范：DL/T 5551—2018［S］.北京：中国计划出版社，2018.

［7］中国电力工程顾问集团有限公司，中国能源建设集团规划设计有限公司.电力工程设计手册20：架空输电线路设计［M］. 北京：中国电力出版社，2019.

［8］李红坤，陈芳芳，高鑫.架空线路覆冰研究现状综述［J］.电气技术，2017（10）：13-15.