周象賢，蔣愉寬，李 特

（國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014）

高壓輸電線路載流量計算軟件的開發(fā)

周象賢，蔣愉寬，李 特

（國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014）

載流量校核是輸電線路運行部門的一項重要工作，但是隨著新型導線的不斷涌現(xiàn)，目前采用的查表法已經難以滿足載流量校核工作的需要。為了提升載流量校核工作的效率和覆蓋面，依據行業(yè)內廣泛認可的線路載流量計算標準，并結合浙江省實際，開發(fā)了針對高壓架空輸電線路和高壓電纜的載流量計算軟件。

架空線路；電力電纜；載流量；計算軟件；校核

0 引言

高壓輸電線路可分為架空線路和電力電纜2種，其允許載流量在設計階段都進行過計算。但是，由于架空線路通道情況、電纜埋設的部分參數需要在施工完成后才能夠確定，有些線路在長時間運行后通道條件也會發(fā)生變化，并且很多線路的運行允許溫度低于設計允許溫度，使得線路設計載流量無法直接應用于線路運行管理。因此，線路運行部門必須根據線路的實際情況和運行規(guī)程對線路允許載流量進行核算。

線路運行部門通常通過查詢導線和電纜標準載流量表的方式進行線路載流量核算。但是，隨著新型導線的不斷涌現(xiàn)，線路標準載流量表的修訂速度往往難以滿足生產需求，這就要求線路運行部門必須具備對新型導線和不同敷設條件的電纜載流量進行計算的能力。

目前，可用于線路載流量計算的商業(yè)軟件不多，并且在邊界條件的設置方式上與浙江省的實際情況存在出入，不能直接用于線路載流量校核工作。為了提高線路載流量校核工作的效率和覆蓋面，有必要開發(fā)適合浙江省實際情況的線路載流量計算軟件。

1 計算理論

1.1 輸電線路的載流量

輸電線路載流量核算包括線路長期允許載流量計算和短時允許載流量計算。長期允許載流量是指在一定的環(huán)境條件下，線路發(fā)熱和散熱達到平衡狀態(tài)、線路導線或電纜導體溫度達到允許運行溫度時的線路載流量。短時載流量是指在一定的時間內（通常為30 min），導線溫度不超過允許值時的線路載流量。理論上，線路短時載流量計算要考慮線路發(fā)熱與散熱的時域動態(tài)過程，但是這類動態(tài)過程的計算結果通常與線路初始狀態(tài)關系較大，不利于大規(guī)模的工程應用。工程實踐中通常以穩(wěn)態(tài)載流量計算方法來計算短時載流量，計算時采用的線路短時運行允許溫度高于長期運行允許溫度。

由以上分析可見，輸電線路載流量核算只涉及線路的穩(wěn)態(tài)熱平衡模型，而架空線路和電纜的穩(wěn)態(tài)熱平衡模型及其計算標準則有所不同。

1.2 架空線路載流量計算

架空線路載流量計算的主要依據是 IEEE 738標準[1]、IEC 1597技術報告[2]和線路設計規(guī)范[3]，相對而言，按IEEE 738標準計算所需輸入參數較少，更加符合工程實際，比較適合線路運行單位使用。因此本計算軟件以IEEE 738標準為準。架空線路的穩(wěn)態(tài)熱平衡模型用下式表示[1]：

式中：qc為導體對流散熱；qr為導體輻射散熱；qs為導體日照吸熱；I為線路載流量；R為考慮了集膚效應、溫度效應之后的導線交流電阻值。

對于式（1）中各項的計算，IEEE 738標準中有詳細規(guī)定，本文不再逐項介紹。應用IEEE 738標準計算架空線路載流量時需要注意如下問題：

（1）導線的集膚效應對交流電阻值有顯著影響，IEEE 738標準推薦通過查詢國外相關導線手冊的方式對集膚效應的影響進行計算。這種計算方法依賴相關手冊，因此適用范圍有限。本文則應用文獻[4]中規(guī)定的集膚效應系數來計算集膚效應對導線交流電阻的影響。

（2）對于導體日照吸熱項的計算，IEEE 738標準的規(guī)定較為復雜，需要使用陽光照射角度等一系列參數。我國的線路載流量計算中通常直接給定了單位表面積導線所接受的日照功率，也即日照強度，因此可直接使用日照強度計算導體日照吸熱項。

1.3 電纜載流量計算

相對于架空線路的載流量計算，電纜載流量的計算要復雜得多，這是因為電纜本體含有多種導電和絕緣材料，且敷設形式變化也較多，不同材料和敷設形式的電纜載流量計算需要使用不同的公式。本計算軟件的載流量計算主要面向高壓電力電纜，這類電纜多為單芯無鎧裝電纜結構。為避免過于復雜，計算軟件的電纜載流量計算對象僅限于不受陽光直接照射的單芯無鎧裝電纜。

電纜載流量計算依據主要有IEEE 399標準[5]和IEC 60287標準（該標準包含多個部分，本文僅列出了第一部分）[6]，我國的10181標準[7]完全等同于IEC 60287標準。IEEE 399標準中的計算方法較為簡單，其主要思路是在標準載流量表的基礎上根據電纜的敷設方式和通道內的情況計算修正系數，最終得到電纜的載流量。這種計算方法受標準載流量表的限制，適用范圍有限。IEC 60287標準的計算過程較為復雜，但是已成為公認的電力電纜載流量計算標準，因此本計算軟件的電纜載流量計算均依據該標準進行。

電纜載流量的計算也是基于熱平衡理論進行的，不同點在于電纜載流量的計算中引入了熱阻的概念。我國電纜載流量計算中通常會直接給定電纜的接地電流，在此基礎上單芯無鎧裝電纜的熱平衡模型可以用下式表示：

式中：Δθ為電纜導體相對環(huán)境溫度溫升；I為電纜導體載流量；R為導體電阻；Wd為電纜介質損耗；Im為金屬套電流；Rm為金屬套電阻；T1為導體到金屬套熱阻；T3為外護套熱阻；T4為電纜外部熱阻。

如果要計及金屬套渦流損耗，式（2）中還需要增加對應項。通過求解式（2）就可以得到電纜的允許載流量。

IEC 60287標準詳細規(guī)定了式（2）中各項參數的計算方法，本文不再贅述。需要注意的問題如下：

（1）高壓電力電纜的金屬套連接方式通常為單點接地或交叉互聯(lián)，其金屬套電流通常較小，一般在20 A以內。通過計算發(fā)現(xiàn)，在該范圍內金屬套電流的大小對載流量的計算結果影響很小。

（2）對多回電纜集群敷設時的載流量計算，我國工程實踐中通常采用單回電纜載流量計算結果并乘以降低因數，降低因數可通過查表獲得[8]。因此，除排管敷設方式外，計算軟件的電纜載流量計算只針對單回電纜線路。

2 計算軟件的開發(fā)

2.1 架空線路載流量計算界面

利用C#語言編制的載流量計算軟件架空線路載流量計算界面如圖1所示。該界面主要包含以下模塊：

（1）導線參數：包含了導線外徑、分裂數、直流電阻、電阻溫度系數、工作溫度等。在該計算界面中設置了線路載流量校核工作中常用的耐熱導線、站內引線和靜態(tài)增容線路的工作溫度邊界條件，選中這些選項，程序會自動載入對應的邊界條件。

（2）環(huán)境參數：包含了海拔、風速、日照、環(huán)境溫度等。該模塊內置了線路載流量校核中使用的夏季和春秋季2種環(huán)境邊界條件，使用時可直接載入這些邊界條件。

（3）導線結構：在計算界面右上角的繪圖區(qū)直觀展示導線結構，便于檢查輸入參數是否正確。

（4）計算結果：計算界面設置了導線長期和短時允許載流量顯示，在軟件輸出的計算報告中還有更加全面的計算參數、過程和結果。

圖1 架空線路載流量計算界面

2.2 電纜載流量計算界面

利用C#語言編制的載流量計算軟件電纜載流量計算界面如圖2所示。該界面主要包含如下模塊：

圖2 電纜載流量計算界面

（1）電纜材料信息：包含了導體材料、絕緣材料、金屬套材料、外護層材料的信息。該模塊內置了IEC 60287標準中給出的常用材料類型，另外考慮到出現(xiàn)特殊材料的情況，該模塊允許使用者直接輸入導體直流電阻值、絕緣材料電氣參數和外護層熱阻系數。

（2）電纜尺寸信息：包含了電纜從導體到外護層各層的尺寸信息，對于皺紋金屬套，還包含了金屬套的平均直徑。

（3）電纜敷設信息：該模塊針對土壤直埋、電纜溝、排管等不同敷設方式有不同的參數輸入要求。主要包含電纜排列方式和間距、埋設深度、土壤和排管材料熱阻系數等信息。

（4）結構展示：在界面右側的繪圖區(qū)能夠根據輸入參數繪制出電纜結構圖和敷設方式圖，便于直觀檢查輸入參數是否正確。

（5）計算結果輸出：計算界面可顯示電纜長期允許載流量，計算軟件還能夠輸出詳細的電纜載流量計算報告。

3 計算結果驗證

3.1 架空線路計算結果驗證

為了驗證架空線路載流量計算結果的正確性，本文與IEEE 738標準中的穩(wěn)態(tài)載流量計算示例進行了對比。載流量計算所需要的導線和環(huán)境參數見表1[1]，與IEEE 738標準的計算結果對比見表2。由表2可見，計算軟件與IEEE 738標準的各項計算結果非常接近，最終的載流量計算結果相對誤差在0.4%以內，從而驗證了計算軟件中架空線路載流量計算結果的正確性。

表1 架空線路載流量計算輸入參數

表2 架空線路載流量計算結果

3.2 電纜計算結果驗證

為了驗證電纜載流量計算結果的正確性，本文與文獻[9]中NA2×S2Y1×150 RM/2型電纜的載流量計算示例進行了對比。載流量計算所需要的電纜參數和敷設信息見表3[9]，與文獻[9]的計算結果對比見表4，可見兩者各項計算結果都較為接近。計算軟件與文獻[9]計算得到的載流量相對誤差為2.1%，考慮到文獻[9]中的載流量計算方法與IEC 60287標準并不完全一致，這一計算誤差是可以接受的，從而驗證了計算軟件中電纜載流量計算結果的正確性。

表3 電纜載流量計算輸入參數

4 結語

（1）本文討論和比較了架空線路和電纜載流量的各種計算標準，提出了應用這些計算標準時需要注意的問題。

（2）開發(fā)了架空線路和電纜的載流量計算軟件，通過與其他文獻的對比，驗證了軟件計算結果的正確性。該軟件內置了載流量核算的常用邊界條件，有利于提高載流量核算的工作效率。

（3）除了計算方法外，準確、詳細的導線和電纜參數也是載流量核算的基礎，線路運行部門必須及時掌握這些信息。

表4 電纜載流量計算結果

[1]IEEE Std 738-2006,IEEE standard for calculating the current-temperature of bare overhead conductors[S].IEEE Power Engineering Society，2007.

[2]IEC Technical Report 1597，Overhead electrical conductors-calculation methods for standard bare conductors[R]. IEC，1995.

[3]GB 50545-2010 110 kV～750 kV架空輸電線路設計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2010.

[4]水利電力部西北電力設計院.電力工程電氣設計手冊：電氣一次部分[M].北京：中國電力出版社，1989.

[5]IEEE Std 399-1997，IEEE recommended practice for industrial and commercial power systems analysis[S].IEEE Industry Applications Society，1997.

[6]IEC 60287-1-1，Electric cables-calculation of the current rating Part 1-1∶current rating equations（100%load factor）and calculation of losses-general[S].IEC，2014.

[7]JB/T 10181.1-2000電纜載流量計算 第11部分：載流量公式（100%負荷因數）和損耗計算一般規(guī)定[S].北京：機械工業(yè)出版社，2014.

[8]馬國棟.電線電纜載流量（第二版）[M].北京：中國電力出版社，2013.

[9]海因豪爾德，著.門漢文，崔國璋，王剛，譯.電力電纜及電線[M].北京：中國電力出版社，2001.

（本文編輯：龔 皓）

Development of Software for Ampacity Calculation of High Voltage Transmission Lines

ZHOU Xiangxian，JIANG Yukuan，LI Te
（State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China）

It is important for transmission line operation department to check the ampacity.However，with the increase of emerging conductor types，the existing table look-up method can no longer meet the requirement of ampacity check.To improve the efficiency and coverage of transmission line ampacity check，software for ampacity calculation of high voltage overhead transmission lines and high voltage cables is developed，which is based on the widely recognized ampacity calculation standards and practical situation of Zhejiang province.

overhead lines；power cable；ampacity；calculation software；check

TM744+.2+TP311.52

B

1007-1881（2015）08-0009-04

2015-03-18

周象賢（1987），男，工程師，研究方向為輸電線路防雷與電暈。