架空線路輸電能力計算

竇 飛，喬黎偉

（江蘇省電力公司，南京市，210024）

0 引言

架空線路的輸電能力由網絡能力和線路能力構成。網絡能力取決于電網的運行結構、經濟性、穩定性等因素；線路能力是由導線熱穩定允許條件所決定的輸電能力。隨著電網主網架的加強，制約電網輸送能力的主要因素已經不是網絡能力，而是并列運行線路在N-1方式下運行時的線路能力。本文討論的輸電能力指線路能力。文章分析了影響220 kV及以上架空線路的輸送能力的因素，提出了提高架空線路輸電能力的措施。

1 導線的選型設計

目前，國內導線的選型主要根據年費用最小法進行綜合技術、經濟比較后確定。首先，依據正常輸送容量和經濟電流密度值初選總截面，在此基礎上選擇具有成熟制造經驗的導線型號以及具有定型施工機具和定型金具的分裂數；其后，復核事故輸送容量、電暈、無線電干擾和機械強度等；最后，計算各方案的年費用，選擇年費用最低的方案作為推薦型式。隨著大截面分裂導線的應用，導線截面主要由事故載流量和年費用控制。

1.1 事故載流量驗算

220 kV及以上架空線路多采用鋼芯鋁絞線，其事故載流量與最高允許溫度密切相關。導線的最高允許溫度，一般按照線路在設計使用期限內導線強度損失情況、導線與配套金具間的接觸傳導情況來選擇。

DL/T 5092—1999《110～500 kV架空送電線路設計技術規程》規定：一般線路的最高允許溫度應不超過70℃，大跨越線路的最高允許溫度應不超過90℃[1]。根據DL/T 5222—2005《導體與電器選擇設計技術規定》中規定，一般線路的最高工作溫度應不超過70℃，在計及日照影響時可按不超過80℃考慮[2]。根據Q/GDW 179—2008《110 kV～750 kV架空輸電線路設計技術規定》與GB 50545—2010《110 kV～750 kV架空輸電線路設計規范》規定，一般線路的最高允許溫度應不超過70℃、必要時可按不超過80℃考慮，大跨越線路的最高允許溫度應不超過90℃[3-4]。

國外一般按允許發熱條件來選擇導線截面，并考慮在事故短時過負荷情況下，適當提高溫度限值，所得出的導線截面比按經濟電流密度得出的小一些。以鋼芯鋁絞線為例，日本按照正常持續輸送時導線溫度不超過90℃、事故短時導線溫度不超過120℃來選擇截面；西歐和北美，按照正常持續輸送時導線溫度不超過90℃、事故短時導線溫度不超過120℃來選擇截面[5]。

國外校驗對地和交叉跨越時，一般采用導線實際能夠達到的最高溫度下的弧垂；在導線短時過負溫度下，一般取小于正常限距的必要限距（操作過電壓間隙+適當裕度）校驗對地和交叉跨越。

國內設計標準規定：采用最高氣溫（一般為40℃）校驗對地及交叉跨越物的限距[1,3-4]。這是由于我國大多數地區常年平均溫度為15℃，導線在正常持續輸送時的實際溫度為溫升與氣溫之和，為29～42.3℃。因此，對于按照經濟電流密度設計的一般線路，要求按最高氣溫40℃或覆冰無風（對輕冰地區為最高氣溫40℃弧垂控制）求得的最大弧垂校驗交跨限距。但對大跨越和重要交叉跨越（如一級公路、高速公路、標準軌距鐵路），則要求按照導線實際能達到的最高溫度（70～90℃）校驗交跨限距。

新建線路必要時可采取80℃作為允許溫度；如導線允許溫度為80℃，則根據50℃的弧垂按正常限距校驗交跨距離。由于導線溫度為40～50℃時的弧垂差大于70～80℃時的弧垂差，因此可在導線允許溫度從70℃提高到80℃時，將定位弧垂的溫度相應從40℃提高至50℃。

近期開展的500 kV已建線路的導線允許溫升增容，將導線的允許溫度由70℃提高至80℃。增容后，在導線短時過負溫度80℃下，取小于正常限距的必要限距（雷電或操作過電壓間隙+適當裕度）作為校驗交跨的內控標準[5-6]。

1.2 年費用計算

架空線路的年費用為

式中：A為年費用，萬元/km；I0為總投資，萬元/km；i為基準收益率；n為線路工程經濟使用期，年；C為年經營費，包括年維護費用和年電能損耗費用，萬元/km。

如果導線總截面過小，由于導線用量小、荷載輕，初始建設投資較省，但年損耗費用很大，在較短的運行年份里，就已抵償了初始建設投資的減少，所以是不合適的。反之，如果導線總截面過大，雖年損耗費用較少，但由于導線用量大、荷載重，補償初始建設投資所需的運行時間較長，也不經濟。

2 架空線路的載流量計算

2.1 載流量的計算方法

國際上載流量計算公式很多，如美國電氣和電子工程師協會（institute of electrical and electronics engineers，IEEE）推薦公式、國際電工委員會（international electro technical commission，IEC）推薦公式、國際大電網組織（international council on large electric systems，CIGRE）推薦公式、英國摩爾根公式、法國方法等。但其計算原理都是由導線的發熱、散熱的熱平衡推導而出，熱平衡方程為

式中：Wj為單位長度導線電阻產生的發熱功率，W/m；Ws為單位長度導線的日照吸熱功率，W/m；WR為單位長度導線的輻射散熱功率，W/m；WF為單位長度導線的對流散熱功率，W/m。前述方法在計算過程中考慮的因素不同，因此各公式規定的系數有所不同；但如果計算所取的邊界條件一致，則計算結果基本相等[6-8]。

2.2 決定導線輸電能力的因素

環境溫度、導線發熱允許溫度、風速、日照強度、表面吸熱系數和表面散熱系數這六個因素對導線輸電能力的影響較大。計算一般線路的載流量時參數取值[1,3-4]如表1所示。

表1 一般線路載流量的計算參數Tab.1 Calculation parameters of current-carrying capacity of general overhead transmission lines

以LGJ-400/35鋼芯鋁絞線為例，將表1參數作為基準，逐個改變其中參數，分析其對載流量計算結果的影響，得到：垂直于導線的風速發生±0.4 m/s的變化時，載流量計算結果增減16%～36%；日照強度發生±50%的變化時，載流量計算結果增減14%～20%；環境溫度發生±5℃的變化時，載流量計算結果增減10%～12%；較使用多年的舊線（吸熱、散熱系數均取0.9），新線的載流量（吸熱系數取0.23～0.43，散熱系數取0.35～0.46）增加3%～7%；較發熱允許溫度為70℃的導線，允許溫度為80℃的導線載流量可提高20%、90℃時可提高36%、120℃時可提高75%。

2.3 熱穩極限載流量推薦值

目前，江蘇電網220、500 kV架空線路最常用的導線為LGJ-300/25、LGJ-400/35和LGJ-630/45型鋼芯鋁絞線，依據我國線路設計標準[1,3-4]計算出的導線熱穩極限載流量如表2所示。

表2 常用導線熱穩極限載流量推薦值Tab.2 Recommended ultimate thermotolerant current-carrying capacities of common conductors

3 提高架空線路輸電能力的措施

3.1 提高導線允許溫度

提高導線允許溫度，可顯著提高載流量。如將鋼芯鋁絞線的允許線溫由70℃提高至80℃時，導線的機械強度、配套金具，對地及對交叉跨越物的距離基本不受影響或采取措施可以解決，但載流量可提高20%以上。國內目前架空輸電線路多采用鋼芯鋁絞線，其事故短時允許線溫為70～80℃；而國外，如日本、西歐、北美等國家和地區，其值為120℃。因此，就事故短時允許線溫而言，國內導線尚有一定的增容空間。

3.2 應用增容導線

增容導線是在架空輸電線路上使用的特種導線，在相同導體截面的情況下，增容導線能輸送更多電能。增容導線特別適用于通道條件緊張地區的已建線路增容改造，利用原有線路桿塔、基礎資源（或改造個別桿塔、基礎），通過更換導線實現增容。

增容導線在江蘇220 kV電網中的應用日趨廣泛，目前使用較多的增容導線主要有鋁包殷鋼芯鋁合金絞線、碳纖維合成芯鋁絞線、間隙型鋼芯鋁合金絞線等。價格因素是增容導線推廣應用的主要障礙，早期實施的增容工程，成品導線（或核心部件）多依賴進口，近年增容導線已陸續實現國產，價格呈下降趨勢。

3.3 基于在線動態監測的增容

表2所列載流量計算值為靜態值，是以嚴酷氣象條件為基礎而確定的保守靜態極限容量。但事實上，這樣的惡劣氣象條件很少發生，這就造成了線路在絕大多數情況下，不能有效發揮其輸送能力，浪費了部分資源。輸電在線動態監測系統，對導線溫度、氣象條件等進行動態監測，在不違背現行技術標準的條件下，充分挖掘輸電線路的隱性容量。

應用基于在線動態監測的增容系統，架空線路的輸送容量，較靜態輸送容量可增加10%～30%[8-11]，華東電網500 kV瓶武5905線和山東電網220 kV羅彥線已開展有此方面的增容實踐。

4 結論

（1）國內架空輸電線路導線的截面主要由事故載流量和年費用控制；國外一般按允許發熱條件選擇導線截面，并考慮在事故短時過負荷情況下，適當提高溫度限值。

（2）環境溫度、導線發熱允許溫度、風速、日照強度、表面吸熱系數和表面散熱系數對導線輸電能力的影響較大。

（3）提高輸電能力可采取提高導線允許溫度、應用增容導線和應用在線動態監測等措施。

[1]DL/T 5092—1999 110～500 kV架空送電線路設計技術規程[S].北京：中國電力出版社，1999.

[2]DL/T 5222—2005導體和電器選擇設計技術規定[S].北京：中國電力出版社，2005.

[3]Q/GDW 179—2008 110 kV～750 kV架空輸電線路設計技術規定[S].北京：國家電網公司，2008.

[4]GB 50545—2010 110 kV～750 kV架空輸電線路設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2010.

[5]葉鴻聲，龔大衛，黃偉中.提高導線允許溫度增加線路輸送容量的研究及在500 kV線路上的應用[J].華東電力，2006，34（8）：43-46.

[6]錢之銀，張啟平.提高華東電網500 kV輸電線路輸送能力的措施[J].電力設備，2005，6（10）：8-13.

[7]葉鴻聲.高壓輸電線路導線載流量計算的探討[J].電力建設，2000，21（12）：23-26.

[8]韓 芳，徐青松，侯 煒，等.架空導線動態載流量計算方法的應用[J].電力建設，2008，29（1）：39-43.

[9]張啟平，錢之銀.輸電線路實時動態增容的可行性研究[J].電網技術，2005，29（19）：18-21.

[10]葉自強，朱和平.提高輸電線路輸送容量的研究[J].電網技術，2006，30（S）：258-263.

[11]張啟平，錢之銀.輸電線路增容技術[M].北京：中國電力出版社，2010.