周象賢，王少華，蔣愉寬，李特

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州310014）

輸配電技術(shù)

高壓架空輸電線路短時(shí)輸電能力評(píng)估方法研究

周象賢，王少華，蔣愉寬，李特

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州310014）

為保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，架空輸電線路在應(yīng)急狀態(tài)下應(yīng)具備短時(shí)過(guò)負(fù)荷能力，線路運(yùn)行部門必須根據(jù)線路的實(shí)際情況確定其短時(shí)輸電限額。討論了影響架空輸電線路短時(shí)輸電能力的導(dǎo)線、金具、通道環(huán)境等各因素，從電流階躍情況下導(dǎo)線溫升計(jì)算和線路凈空距離計(jì)算二個(gè)方面提出了線路短時(shí)輸電能力的評(píng)估方法，最后應(yīng)用該方法對(duì)一條500 kV架空輸電線路的短時(shí)輸電能力進(jìn)行了評(píng)估。

架空線路；輸電能力；過(guò)負(fù)荷；評(píng)估

0 引言

當(dāng)電力系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)故障時(shí)，為保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，需要架空輸電線路具有短時(shí)過(guò)負(fù)荷能力。由于調(diào)度部門故障處理時(shí)限約為30 min，故通常要求架空輸電線路具備30 min的短時(shí)過(guò)負(fù)荷運(yùn)行能力。浙江省電力系統(tǒng)運(yùn)行中確定架空輸電線路長(zhǎng)期輸送限額時(shí)均要對(duì)某線路N-1故障時(shí)其他線路輸送容量是否會(huì)超過(guò)30 min短時(shí)輸送限額進(jìn)行校驗(yàn)。因此，架空線路的短時(shí)過(guò)負(fù)荷能力對(duì)其長(zhǎng)期載輸送限額的確定具有重要影響。

合理評(píng)估架空輸電線路的短時(shí)輸電能力是線路運(yùn)行部門的一項(xiàng)重要工作，但目前線路設(shè)計(jì)規(guī)范[1]和運(yùn)行規(guī)程[2]都沒有對(duì)架空輸電線路短時(shí)輸電能力評(píng)估方法做出詳細(xì)規(guī)定，導(dǎo)致該項(xiàng)工作缺乏可靠依據(jù)。目前，一般按照線路設(shè)計(jì)溫度加10℃考慮其短時(shí)輸電能力。

架空輸電線路短時(shí)過(guò)負(fù)荷運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)線和金具溫度增高、線路弧垂增大等問(wèn)題，為了建立較為科學(xué)的線路短時(shí)輸電能力評(píng)估方法，對(duì)影響線路短時(shí)輸電能力的各因素進(jìn)行了分析，并以此為基礎(chǔ)建立了架空線路短時(shí)輸電能力評(píng)估方法。

1 影響因素

1.1 導(dǎo)線

當(dāng)電流通過(guò)導(dǎo)線時(shí)，由于導(dǎo)線本身存在電阻，會(huì)持續(xù)產(chǎn)生熱量，太陽(yáng)輻照在導(dǎo)線表面時(shí)，導(dǎo)線也會(huì)吸熱，這些熱量會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)線升溫。但空氣對(duì)流、導(dǎo)線表面向外輻射熱量會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)線降溫。因此，在線路短時(shí)過(guò)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，導(dǎo)線溫度將隨通流時(shí)間、電流大小、環(huán)境條件等參數(shù)的變化而變化。導(dǎo)線溫度顯然不能夠無(wú)限制升高，否則將導(dǎo)致導(dǎo)線熔斷，因而評(píng)估線路短時(shí)輸電能力首先要確定導(dǎo)線的最高允許溫度。

線路設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定，鋼芯鋁絞線最高允許溫度通常選70℃，必要時(shí)可按80℃考慮[1]。該規(guī)程中的線路最高允許溫度是基于線路長(zhǎng)期運(yùn)行的角度考慮的，如果將此作為線路短時(shí)最高允許溫度，將導(dǎo)致線路不具備短時(shí)過(guò)負(fù)荷運(yùn)行能力。

導(dǎo)線在高溫下運(yùn)行時(shí)會(huì)緩慢退火、老化，可能使其機(jī)械強(qiáng)度發(fā)生損失。但導(dǎo)線的強(qiáng)度損失是有積累效應(yīng)的，線路短時(shí)過(guò)負(fù)荷運(yùn)行不常發(fā)生，因此對(duì)導(dǎo)線強(qiáng)度損失幾乎可忽略不計(jì)。有調(diào)研表明，日本、北美和西歐的鋼芯鋁絞線事故短時(shí)最高允許導(dǎo)線溫度均為120℃[3]。綜上所述，導(dǎo)線溫度短時(shí)超過(guò)設(shè)計(jì)溫度對(duì)其機(jī)械強(qiáng)度影響不大。

1.2 金具

在線路運(yùn)行過(guò)程中，線夾因接觸傳導(dǎo)表面累積氧化導(dǎo)致接觸電阻增加，會(huì)使溫度進(jìn)一步上升并落入惡性升溫循環(huán)，從而最終發(fā)生事故。這也是1979版設(shè)計(jì)規(guī)范把導(dǎo)線允許溫度從90℃下降到70℃的原因。需要指出的是，線夾表面積累氧化是針對(duì)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行而言的，線路短時(shí)過(guò)負(fù)荷運(yùn)行的情況并不會(huì)經(jīng)常發(fā)生，且每次持續(xù)時(shí)間不超過(guò)30 min，因而對(duì)線夾積累氧化的影響不大。

原浙江省電力試驗(yàn)研究所曾對(duì)運(yùn)行多年的直線接續(xù)管和耐張線夾與舊導(dǎo)線組合體進(jìn)行熱循環(huán)和握力試驗(yàn)，結(jié)果表明，同等長(zhǎng)度的連接金具溫度低于導(dǎo)線溫度，握力仍符合標(biāo)準(zhǔn)要求[4]。這是因?yàn)閱挝婚L(zhǎng)度金具電阻相對(duì)較小，散熱面積相對(duì)大。這說(shuō)明在導(dǎo)線的機(jī)械性能沒有嚴(yán)重受損的溫度范圍內(nèi)，架空線路短時(shí)過(guò)負(fù)荷運(yùn)行所造成的溫升對(duì)配套金具的機(jī)械性能影響有限。

1.3 通道環(huán)境

架空線路溫度升高后，導(dǎo)線張力會(huì)下降，導(dǎo)致線路弧垂增大。弧垂增加會(huì)引起線路對(duì)地及交叉跨越物的距離減小，影響線路的安全運(yùn)行。因此，必須對(duì)線路的凈空距離進(jìn)行校核。

我國(guó)的線路設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，線路凈空距離并不是按照導(dǎo)線可能達(dá)到的最高溫度進(jìn)行計(jì)算，而是按照最高溫度減30℃進(jìn)行計(jì)算，線路大跨越段，按照最高溫度計(jì)算凈空距離[1]。線路凈空距離控制值隨線路電壓等級(jí)、所處環(huán)境、被跨越物類型的變化而變化，詳情列于表1。

表1 高壓架空線路最小凈空距離m

架空線路的各類最小凈空距離的制定依據(jù)，是在操作過(guò)電壓最小間隙距離加上一定裕量，如果線路下方可能由人員活動(dòng)或車輛等通過(guò)，還需要加上被跨越物的高度。對(duì)于架空線路短時(shí)過(guò)負(fù)荷的情況，線路設(shè)計(jì)規(guī)范并沒有明確規(guī)定。但是線路設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，驗(yàn)算導(dǎo)線最高溫度情況下對(duì)被交叉跨越物的間隙距離，按操作過(guò)電壓間隙校驗(yàn)[1]。有研究認(rèn)為線路短時(shí)過(guò)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的凈空距離校驗(yàn)可以參照此項(xiàng)規(guī)定進(jìn)行，也即對(duì)500 kV，220 kV和110 kV線路分別采用2.5 m，1.45 m和0.7 m加適當(dāng)裕量（通常為0.5 m）校驗(yàn)其短時(shí)過(guò)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的凈空距離[5]。

線路通道環(huán)境對(duì)架空線路的短時(shí)過(guò)負(fù)荷運(yùn)行能力有較大的影響，需要針對(duì)具體線路進(jìn)行計(jì)算和分析。

2 評(píng)估方法

本文提出的架空線路短時(shí)30 min輸電能力評(píng)估方法包含了2個(gè)方面的內(nèi)容，分別是導(dǎo)線在電流階躍情況下的升溫過(guò)程計(jì)算和導(dǎo)線升溫后的線路凈空距離計(jì)算。

2.1 導(dǎo)線動(dòng)態(tài)熱平衡計(jì)算

架空線路在電流發(fā)生階躍后，導(dǎo)線原有的熱平衡被打破，導(dǎo)線溫度會(huì)有一個(gè)上升過(guò)程，直到達(dá)到新的熱平衡為止。導(dǎo)線的動(dòng)態(tài)熱平衡可按下式進(jìn)行計(jì)算[6]：

式中：T為導(dǎo)線溫度；t為時(shí)間；qc為導(dǎo)體對(duì)流散熱；qr為導(dǎo)體輻射散熱；qs為導(dǎo)體日照吸熱；I為線路載流量；R為考慮了集膚效應(yīng)、溫度效應(yīng)后的導(dǎo)線交流電阻值。

為了獲得常用導(dǎo)線的電流階躍溫升特性，選取了LGJ－800/55，LGJ－630/45，LGJ－400/35 3種導(dǎo)線，按照（1）式對(duì)給定溫升上限條件下的導(dǎo)線短時(shí)通流能力進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表2所示。計(jì)算中環(huán)境條件分別取夏季和春秋季參數(shù)，環(huán)境溫度和日照強(qiáng)度見表2，輻照系數(shù)和吸收系數(shù)均取0.9。導(dǎo)線的短時(shí)允許溫度取90℃，電流階躍前導(dǎo)線溫度在40℃～70℃之間變化。

表2 常用導(dǎo)線短時(shí)30 min通流能力

從表2的計(jì)算結(jié)果可見，在相同的環(huán)境條件下，導(dǎo)線的起始溫度對(duì)導(dǎo)線短時(shí)通流能力的影響有限，起始溫度從40℃增大到70℃時(shí)，導(dǎo)線的短時(shí)通流能力變化不超過(guò)8%。與之形成鮮明對(duì)比的是環(huán)境溫度和日照強(qiáng)度對(duì)導(dǎo)線短時(shí)通流能力影響很大，同一導(dǎo)線在夏季和春秋季的短時(shí)通流能力差別可達(dá)到21%以上。

圖1所示為L(zhǎng)GJ－630/45導(dǎo)線在夏季環(huán)境條件下起始溫度為40℃，當(dāng)電流階躍至1 265 A時(shí)的溫升過(guò)程，此時(shí)的導(dǎo)線短時(shí)允許溫度為90℃。圖2所示為不同短時(shí)允許溫度下，LGJ－630/45導(dǎo)線在夏季環(huán)境條件下，起始溫度為40℃時(shí)的短時(shí)通流能力。導(dǎo)線短時(shí)通流能力與允許溫度間呈現(xiàn)近似線性變化關(guān)系，允許溫度每增加10℃，載流量約增加160 A。可見導(dǎo)線短時(shí)允許溫度對(duì)其通流能力影響較大，而正如前文的分析，導(dǎo)線短時(shí)允許溫度主要取決于通道情況。

圖1 LGJ-630/45導(dǎo)線電流階躍溫升特性

圖2 LGJ-630/45導(dǎo)線短時(shí)載流量與允許溫度關(guān)系

2.2 線路凈空距離計(jì)算

溫度上升之后，導(dǎo)線張力會(huì)下降，導(dǎo)致弧垂增加，線路凈空距離減小。導(dǎo)線的短時(shí)允許溫度取決于線路的凈空距離是否滿足要求。線路的凈空距離計(jì)算涉及到導(dǎo)線性能參數(shù)、線路設(shè)計(jì)參數(shù)和通道地形與植被數(shù)據(jù)。通道地形和植被數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量較大，并且線路投運(yùn)后其通道內(nèi)植被情況可能會(huì)發(fā)生變化，直接使用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算工作量將較大并且也無(wú)必要。

圖3所示為2基桿塔間的導(dǎo)線凈空距離示意圖，其中d1和d2分別為線路設(shè)計(jì)校核溫度下和短時(shí)允許溫度下的凈空距離。由于直接求取d2需要用到地形數(shù)據(jù)和地面植被數(shù)據(jù)，本文改為計(jì)算d1－d2，即導(dǎo)線溫度從設(shè)計(jì)校核溫度上升到短時(shí)允許溫度時(shí)的弧垂增量，這一增量?jī)H和導(dǎo)線性能參數(shù)和線路設(shè)計(jì)參數(shù)有關(guān)。獲得這一弧垂增量后，結(jié)合表1中所列的線路設(shè)計(jì)時(shí)的最小凈空距離，就可以判定線路短時(shí)過(guò)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的凈空距離是否滿足操作過(guò)電壓間隙的要求。

表3所示為常用鋼芯鋁絞線在70℃，80℃，90℃，100℃下相對(duì)于40℃（設(shè)計(jì)校核溫度）時(shí)的弧垂增量最大值計(jì)算結(jié)果。計(jì)算條件：桿塔水平間距400 m；桿塔等高；設(shè)計(jì)最大風(fēng)速30 m/s、最大覆冰厚度20 mm；最低溫度－10℃。

圖3 不同校核溫度下的線路最小凈空距離

表3 常用導(dǎo)線弧垂增量最大值 m

計(jì)算表明，對(duì)于每一特定的導(dǎo)線，溫度每增加10℃，其弧垂近似線性增加，并且導(dǎo)線越粗，弧垂增量越大。對(duì)于實(shí)際的高壓輸電線路，由于長(zhǎng)度較長(zhǎng)，其設(shè)計(jì)參數(shù)、導(dǎo)線參數(shù)、交叉跨越情況等沿線會(huì)發(fā)生變化，因而需要沿線逐桿塔進(jìn)行凈空距離計(jì)算。

2.3 線路短時(shí)通流能力的確定

輸電線路長(zhǎng)期在野外運(yùn)行，不同時(shí)期天氣條件變化較大，在線路載流量計(jì)算時(shí)通常會(huì)假設(shè)較為嚴(yán)苛的環(huán)境條件，但是線路的短時(shí)通流能力評(píng)估時(shí)需要考慮到如下因素：

（1）線路覆冰時(shí)環(huán)境溫度較低，導(dǎo)線溫度也較低，短時(shí)過(guò)負(fù)荷運(yùn)行難以達(dá)到溫度允許值，因此在凈空距離計(jì)算時(shí)可不考慮線路覆冰情況。

（2）在有風(fēng)的情況下，線路載荷會(huì)增大，表4所示為某典型線路（該線路參數(shù)見下節(jié)）在不同的風(fēng)速條件下，線路的短時(shí)允許溫度和短時(shí)輸送容量限額計(jì)算結(jié)果。該計(jì)算結(jié)果表明風(fēng)速增大對(duì)線路弧垂的影響幾乎可以忽略不計(jì)。但與之形成鮮明對(duì)比的是，風(fēng)速增大帶來(lái)的散熱效果非常明顯，風(fēng)速大時(shí)導(dǎo)線溫度較低。因而本文中線路短時(shí)通流能力評(píng)估時(shí)選取了較低的風(fēng)速，其值為0.5 m/s。

圖4所示為線路短時(shí)通流能力評(píng)估流程，主要是在不同的允許溫度下計(jì)算弧垂和短時(shí)載流量，取弧垂不超限時(shí)的最大載流量值為線路短時(shí)輸電容量限額。線路短時(shí)載流量計(jì)算中，選取起始溫度為導(dǎo)線長(zhǎng)期運(yùn)行允許溫度。

表4 不同風(fēng)速下的線路短時(shí)通流能力

圖4 線路短時(shí)通流能力評(píng)估流程

3 評(píng)估方法的應(yīng)用

基于以上提出的評(píng)估方法，對(duì)一條500 kV架空輸電線路的短時(shí)通流能力進(jìn)行評(píng)估。該線路全長(zhǎng)120 km，全線采用4×LGJ-630/45導(dǎo)線。如圖5所示，該線路所穿越地區(qū)為山區(qū)，桿塔所在位置最低海拔約50 m，最高海拔約850 m。全線共約270基桿塔，其中耐張塔90基，耐張塔分布如圖4中紅線所示。該線路包含3處大跨越，分別跨越了高速公路、河流和國(guó)道。線路交叉跨越500 kV線路1處、220 kV線路3處、110 kV線路3處。

圖5 500kV線路海拔與耐張段分布

該線路設(shè)計(jì)最大風(fēng)速30 m/s、最大覆冰厚度20 mm、最低溫度－10℃，設(shè)計(jì)時(shí)凈空距離校核溫度50℃（大跨越除外）。圖6所示為在無(wú)風(fēng)無(wú)冰天氣條件下，導(dǎo)線溫度分別為80℃，90℃和100℃時(shí)相對(duì)50℃時(shí)的弧垂增量情況。80℃，90℃和100℃時(shí)的線路最大弧垂增量分別為2.14 m，2.84 m，3.53 m，從圖6可見隨著導(dǎo)線溫度的升高，弧垂增量大于2 m的導(dǎo)線段數(shù)逐漸增多。

圖6 弧垂增量分布

根據(jù)本文提出的評(píng)估方法，最終計(jì)算得到該線路短時(shí)允許溫度為95℃，弧垂越限位置為與一條110 kV架空輸電線路的交叉跨越處。該線路的短時(shí)輸送容量限額為5 120 A。

4 結(jié)論

（1）線路短時(shí)允許溫度主要取決于弧垂增量，導(dǎo)線溫度短時(shí)升高對(duì)其機(jī)械強(qiáng)度影響不大。

（2）環(huán)境溫度和日照強(qiáng)度對(duì)導(dǎo)線短時(shí)通流能力影響較大，而電流階躍前的導(dǎo)線起始溫度對(duì)短時(shí)通流能力影響相對(duì)較小。

（3）風(fēng)力對(duì)線路弧垂影響可忽略不計(jì)，但增強(qiáng)導(dǎo)線散熱能力的效果較為顯著，因此線路短時(shí)輸電能力評(píng)估時(shí)應(yīng)采用較低的風(fēng)速值。

（4）不同的輸電線路通道環(huán)境差異較大，因此需要進(jìn)行沿線逐級(jí)桿塔凈空距離計(jì)算，以確定線路短時(shí)輸電能力。

[1]GB 50545－2010 110 kV～750 kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2010.

[2]DL/T 741－2010架空線路運(yùn)行規(guī)程[S].北京：中國(guó)電力出版社，2010.

[3]竇飛，喬黎偉.架空線路輸電能力綜述[J].江蘇電機(jī)工程，2011，30（1）∶81－84.

[4]葉自強(qiáng).提高220 kV試點(diǎn)線路輸送容量階段性研究報(bào)告[R].浙江省電力試驗(yàn)研究所，2004.

[5]彭向陽(yáng)，周華敏.架空輸電線路應(yīng)急狀態(tài)下短時(shí)過(guò)負(fù)荷運(yùn)行的可行性研究[J].廣東電力，2012，25（6）∶24－29.

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

[7]國(guó)家電力公司東北電力設(shè)計(jì)院.電力工程高壓送電線路設(shè)計(jì)手冊(cè)（第二版）[M].北京：中國(guó)電力出版社，2003∶179－185.

（本文編輯：楊勇）

Research on Assessment Method for Short-time Transmission Capability of HV Overhead Transmission Lines

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

It requires short-time overload capability for overhead transmission lines in emergency condition to guarantee operation safety and stability of power system.Therefore，the operation department of overhead transmission lines must determine the short-time transmission limits according to the actuality of overhead transmission lines.This paper discusses the various factors such as conductors，hardware fittings and corridor environment that influence the short-time transmission capability of overhead transmission lines；moreover，it presents the assessment method for short-time transmission capability in terms of conductor temperature rise calculation in current step and calculation of net distances of overhead transmission lines.In the final，the method is applied to short-time transmission capability assessment of a 500 kV overhead transmission line.

overhead transmission lines；transmission capability；overload；assessment

TM711.1

：B

：1007-1881（2016）04-0001-05

2015-12-14

周象賢（1987），男，工程師，研究方向?yàn)檩旊娋€路防雷、輸送容量與電暈。