王 麗，李紀(jì)華

(國核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100095)

發(fā)電廠架空導(dǎo)線載流量計(jì)算，在國內(nèi)電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊第一冊(簡稱手冊)[1]中用簡化公式進(jìn)行核算；而在 IEC TR 61597—1995(簡稱IEC)[2]及 IEEE Std 738—2006[3](簡稱IEEE)標(biāo)準(zhǔn)中，是根據(jù)熱平衡方程，代入不同的環(huán)境條件參數(shù)后進(jìn)行核算；3個標(biāo)準(zhǔn)中的方法并不完全相同。

本文以某涉外發(fā)電廠工程設(shè)計(jì)為例，通過手冊、IEC和IEEE標(biāo)準(zhǔn)，對架空導(dǎo)線載流量的3種不同計(jì)算方法進(jìn)行定量計(jì)算和分析比較，確定了不同方法的適用范圍，為涉外工程設(shè)計(jì)提供一定參考。

1 架空導(dǎo)線載流量的3種計(jì)算方法

1.1 手冊中導(dǎo)體載流量的簡化計(jì)算法

手冊中導(dǎo)體載流量簡化計(jì)算公式為[1]

(1)

結(jié)合某涉外工程的環(huán)境條件和導(dǎo)線選型等因素，各參數(shù)取值見表1。

表1 手冊中各參數(shù)取值

這種簡化算法，是在特定的氣象條件(導(dǎo)線最高允許工作溫度80 ℃、環(huán)境溫度25 ℃、導(dǎo)體表面黑度為0.9等條件)下算出的實(shí)際載流量，受導(dǎo)線排列方式、分裂根數(shù)、分裂間距等因素的影響，裕度大，沒充分發(fā)揮導(dǎo)線的載流能力。

1.2 IEC標(biāo)準(zhǔn)中架空導(dǎo)線載流量計(jì)算方法

IEC法根據(jù)導(dǎo)體的發(fā)熱條件，以導(dǎo)線的熱平衡方程為依據(jù)，計(jì)算導(dǎo)體的穩(wěn)態(tài)工作電流[2]，即：

Pj+Psol=Prad+Pconv

(2)

=2×1 348.33=2 696.67(A)

(3)

結(jié)合某涉外工程，各參數(shù)取值見表2。

表2 IEC法中各參數(shù)取值

該計(jì)算方法考慮了環(huán)境溫度和風(fēng)速等參數(shù)對載流量的影響，較手冊法計(jì)算結(jié)果更貼近實(shí)際環(huán)境情況，適合手工計(jì)算。該計(jì)算結(jié)果能夠保證導(dǎo)線強(qiáng)度和運(yùn)行安全，但假設(shè)條件裕度仍很大，沒有考慮不同時刻、季節(jié)環(huán)境變化等因素，結(jié)果保守，沒有充分發(fā)揮線路載流能力。

1.3 IEEE標(biāo)準(zhǔn)中架空導(dǎo)線載流量計(jì)算方法

IEEE法也是基于熱平衡原理提出的，其基本公式為

(4)

結(jié)合某涉外工程，各參數(shù)取值見表3和表4。

表3 IEEE法中各參數(shù)取值

表4 單位面積的光照熱量QS中系數(shù)取值表

從表4中參數(shù)取值可以看出IEEE法，除考慮環(huán)境溫度、風(fēng)速的影響，還考慮導(dǎo)線所處緯度、季節(jié)、時間、環(huán)境、導(dǎo)線高度和走向等，所得結(jié)果隨時間變化，更貼近實(shí)際情況。

2 3種計(jì)算方法的定量比較和分析

結(jié)合某涉外工程選用的架空導(dǎo)線2為例，按照手冊法、IEC法和IEEE法進(jìn)行計(jì)算。80 ℃為導(dǎo)線允許溫度，導(dǎo)線海拔高度582 m，環(huán)境溫度取40 ℃，風(fēng)速1 m/s，80 ℃時導(dǎo)體的交流電阻為0.000 061 837 Ω/m。3種方法計(jì)算出的輻射散熱率、對流散熱量、日照吸收熱量對比，見表5。IEC法和IEEE法計(jì)算出的輻射散熱率差異不大；對于對流散熱量， IEC法隨環(huán)境溫度、風(fēng)速變化，而IEEE法算出的數(shù)值隨海拔高度、環(huán)境溫度、風(fēng)速等變化；對于日照吸收熱量，IEC法與時間無關(guān)，IEEE法隨時間變化。

表5 手冊法、IEC法和IEEE法計(jì)算結(jié)果比較 W/m

對表5中差別比較大的對流散熱量、日照吸收熱量分別進(jìn)行定量分析和比較。并對3種方法最后算出的導(dǎo)線實(shí)際載流量進(jìn)行對比。

2.1 對流散熱量與海拔高度的關(guān)系

IEC法與海拔高度無關(guān)，IEEE法與海拔高度有關(guān)，主要體現(xiàn)在空氣密度上，海拔高度越高，空氣密度越小，對流散熱量也越小。結(jié)合某涉外工程參數(shù)，分別用IEC法和IEEE法算出的對流散熱量結(jié)果如圖1所示。由圖1可見，隨溫度升高，對流散熱量下降。隨海拔高度升高，IEC法對流散熱量不變，而IEEE法對流散熱量下降。隨環(huán)境溫度下降，IEEE法由上到下的曲線分別為導(dǎo)線處在海拔高度0 m、500 m、1 000 m、1 500 m、2 000 m時的對流散熱量計(jì)算值。由圖1可知，在導(dǎo)線高度低于1 000 m時，海拔高度引起的對流散熱量誤差小于5.98%，而導(dǎo)線高度高于1 000 m時，海拔高度引起的對流散熱量誤差介于5.98%～11.96%。所以低海拔時，對流散熱量的誤差小。

圖1 IEEE法/IEC法中對流散熱量Pconv隨環(huán)境溫度及海拔高度的變化情況

2.2 對流散熱量與風(fēng)速的關(guān)系

IEC法、IEEE法都與風(fēng)速有關(guān)，風(fēng)速越大，對流散熱量也越大，但兩者受風(fēng)速的影響不同。結(jié)合某涉外工程參數(shù)，分別用IEC法和IEEE法對對流散熱量結(jié)果進(jìn)行對比，如圖2所示。由圖2可知，隨著風(fēng)速增加，對流散熱量上升。IEEE法算出的對流散熱量略高于IEC法。從圖1可知，當(dāng)風(fēng)速較低時，兩者的對流散熱量差別不大。對于無法獲得實(shí)時風(fēng)速的情況，要考慮到導(dǎo)線的熱穩(wěn)定，往往對風(fēng)速的估計(jì)值都偏小，以保證求出的載流量不致引起導(dǎo)線溫度越限，所以低風(fēng)速下兩種方法算出的對流散熱量差異小。

圖2 IEEE法/IEC法中對流散熱量Pconv隨風(fēng)速的變化

2.3 日照吸收熱量與時間的關(guān)系

日照吸收熱量的計(jì)算結(jié)果，IEEE法與IEC法差別極大。結(jié)合某涉外工程參數(shù)，分別對IEC法和IEEE法計(jì)算出的日照吸收熱量結(jié)果進(jìn)行對比，如圖3所示。2017年4月7日(N=97)導(dǎo)線2的日照吸收熱量，導(dǎo)線為北緯39°，海拔高度為582 m，導(dǎo)線表面吸熱系數(shù)取0.5，導(dǎo)線方向角為270°，算出的6：00—18：00日照吸收熱量。

圖3 IEEE法/IEC法中日照吸收熱量Psol與時刻的關(guān)系

從圖3可知，IEC法的計(jì)算結(jié)果為1條水平線，即日照吸收熱量不隨時間變化，為22.95 W/m。而IEEE法的計(jì)算結(jié)果為1條曲線，在12：00達(dá)到峰值，為67.34 W/m，顯然這更符合導(dǎo)線的實(shí)際情況。由此可知，IEC法計(jì)算出的日照吸收熱量在部分時候偏大，導(dǎo)致計(jì)算出的導(dǎo)線載流量偏小，所以按IEC法計(jì)算出的載流量偏保守。此外，在6：00前和18：00后，IEEE法計(jì)算出的日照吸收熱量迅速下降，這時候沒有陽光，求出的日照吸收熱量無意義。同理，在采用IEC法計(jì)算載流量時，夜晚也不應(yīng)該計(jì)及日照吸收熱量。

2.4 3種方法計(jì)算出的載流量結(jié)果對比

3種方法計(jì)算出的載流量結(jié)果對比，如圖4所示。其中手冊法計(jì)算出的載流量最低，為2 000.1 A，裕度過大；IEC法計(jì)算的載流量為2 696.67 A，考慮了環(huán)境因素，基本能保證導(dǎo)線長期運(yùn)行載流量，裕度大；而IEEE法計(jì)算的載流量與時間有關(guān)，最大值為3 241.517 A，最小值為2 588.676 A，波動較大，并隨時間變化。從IEEE法計(jì)算結(jié)果可以看出，架空導(dǎo)線的實(shí)際載流量存在極大的隱性容量，根據(jù)IEEE法精確計(jì)算結(jié)果，可以指導(dǎo)線路的動態(tài)增容，可增容10%～30%。

圖4 3種方法計(jì)算的載流量結(jié)果比較

由計(jì)算結(jié)果可見，用手冊法計(jì)算導(dǎo)線載流量能確保導(dǎo)線的熱穩(wěn)定，但裕度太大，沒有充分發(fā)揮導(dǎo)線的載流能力；用IEC中方法計(jì)算載流量，計(jì)算所需要的變量少，計(jì)算過程簡單，適合于計(jì)算導(dǎo)線的長期運(yùn)行載流量；用IEEE中方法計(jì)算載流量需要的變量多，計(jì)算過程較復(fù)雜，但在一些特殊情況下，能夠用于計(jì)算導(dǎo)線一段時間過負(fù)荷能力。

2.5 方案比較

手冊法考慮的環(huán)境因素最少，與IEC法和IEEE法計(jì)算原理不同。國外IEC法和IEEE法架空導(dǎo)線載流量計(jì)算方法是基于熱平衡公式提出的，考慮環(huán)境因素不同，所以計(jì)算復(fù)雜程度不同，現(xiàn)主要比較IEC法、IEEE法2種計(jì)算方法之間的區(qū)別。

a.經(jīng)IEC法、IEEE法計(jì)算輻射散熱量的變量和系數(shù)完全相同。

b.用IEC法公式計(jì)算對流散熱量，其變量是氣溫和風(fēng)速；而IEEE法涉及到的變量除了氣溫和風(fēng)速外，還有風(fēng)向、導(dǎo)線海拔高度等。低風(fēng)速時，對流散熱量公式采用Pconv1，高風(fēng)速時采用Pconv2。IEEE法中的導(dǎo)線海拔高度對對流散熱量的影響主要體現(xiàn)在空氣密度上，海拔高度越高，空氣密度越小，對流散熱量的值也越小。風(fēng)速越大，對流散熱量也越大。對于無法獲得實(shí)時風(fēng)向、風(fēng)速的情況，考慮到導(dǎo)線的熱穩(wěn)定，對風(fēng)速的估計(jì)值都偏小，以保證求出的載流量不致引起導(dǎo)線溫度越限，所以在低風(fēng)速下，IEC法、IEEE法計(jì)算出的對流散熱量差異小。在導(dǎo)線海拔高度小于1 000 m、風(fēng)速低的情況下，對流散熱量差異也不大。

c.經(jīng)IEC法、IEEE法計(jì)算出的日照吸收熱量差別巨大。IEC法采用簡單公式即可算出結(jié)果，而IEEE法考慮了所處的緯度、季節(jié)、時間、環(huán)境、導(dǎo)線高度和走向等因素，所得的結(jié)果隨時間變化。IEC法計(jì)算出的日照吸收熱量，部分情況偏大，導(dǎo)致計(jì)算出的導(dǎo)線載流量偏小，所以按IEC法計(jì)算出的載流量偏保守。

2.6 先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用和技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

a.靜態(tài)設(shè)計(jì)載流量：手冊法和IEC法算出的載流量是在特定的氣象條件和導(dǎo)體最高允許工作溫度下算出的載流量，屬于靜態(tài)設(shè)計(jì)載流量，該結(jié)果基本能夠保證導(dǎo)線強(qiáng)度和運(yùn)行安全，但由于假設(shè)條件裕度過大，未考慮不同時刻、季節(jié)環(huán)境變化，所以結(jié)果偏保守。

b.動態(tài)載流量：IEEE法的載流量算法，雖然也是假設(shè)在周圍氣象條件恒定不變的情況下導(dǎo)出的，但根據(jù)國外經(jīng)驗(yàn)，該方法也適用于采用實(shí)時氣象數(shù)據(jù)的動態(tài)載流量計(jì)算，計(jì)算方法涉及到更多的變量，計(jì)算過程相對復(fù)雜，計(jì)算出的線路動態(tài)載流量更為準(zhǔn)確。

c.設(shè)計(jì)技術(shù)經(jīng)濟(jì)對比分析：根據(jù)2013年版《電力建設(shè)工程裝置性材料預(yù)算價(jià)格》[5]，某涉外工程選取的2鋁鋼擴(kuò)徑空心導(dǎo)線的預(yù)算價(jià)格約為20 928元/t，總用量約為1.44 km，折合重量3.873 6 t ，按此計(jì)算，架空導(dǎo)線的工程造價(jià)約8.106 67萬元。雖然在發(fā)電廠各類電氣設(shè)備中，架空導(dǎo)線價(jià)格不占主要部分，但如果能合理計(jì)算導(dǎo)線載流量，選取更經(jīng)濟(jì)可靠的導(dǎo)線型號，可充分發(fā)揮導(dǎo)線的載流能力，尤其對長距離輸電線路，結(jié)合實(shí)時氣象指導(dǎo)動態(tài)增容后，將更為節(jié)省工程整體造價(jià)。

3 結(jié)論

建議今后涉外工程架空導(dǎo)線載流量計(jì)算時，不同計(jì)算方法的適用范圍如下。

工程條件在海拔1 000 m以下、風(fēng)速低于0.5 m/s時，3種方法計(jì)算結(jié)果接近，均可計(jì)算架空導(dǎo)線實(shí)際載流量。

工程條件在海拔1 000 m以上或風(fēng)速高于0.5 m/s時，三者差異較大。具體結(jié)論如下：

a.不建議采用手冊法，裕度過大，不能充分發(fā)揮導(dǎo)線載流能力；

b.IEC法計(jì)算長期運(yùn)行允許載流量，基本保證導(dǎo)線強(qiáng)度和運(yùn)行安全；

c.IEEE法計(jì)算一段時間內(nèi)導(dǎo)線載流量或短時過負(fù)荷情況。尤其對長距離線路，可指導(dǎo)線路動態(tài)增容，發(fā)揮導(dǎo)線實(shí)際載流能力。