架空導線允許短時過負荷時間和載流量計算模型研究

夏云峰， 鄭 秋， 黃國飛， 黨 朋， 劉 斌

（1.廣東電網公司東莞供電局，廣東東莞523008；2.上海電纜研究所，上海200093）

架空導線允許短時過負荷時間和載流量計算模型研究

夏云峰1， 鄭 秋2， 黃國飛2， 黨 朋2， 劉 斌2

（1.廣東電網公司東莞供電局，廣東東莞523008；2.上海電纜研究所，上海200093）

利用導線短時過負荷條件下的動態熱平衡方程，在對導線增加電流負荷后，計算導線最高允許溫度對應的允許過負荷時間，并以廣東地區夏季典型氣象條件為例，對比分析了不同規格的鋼芯鋁絞線（ACSR）最高允許溫度、允許過負荷時間、載流量增量之間的規律。

架空導線；短時過負荷；載流量；動態增容技術

0 引 言

目前，負荷高峰期結構性限電問題日益嚴重，且限電規模越來越大，使得架空線路設備利用率很低，在用電高峰及部分線路故障等情況下，問題更加突顯。按照電網穩定控制原則，架空線路的輸送容量按“N-1”或“N-2”進行控制，正常運行情況下，架空線路的電流遠小于其長期允許載流量，即便發生“N-1”或“N-2”情況，非故障架空線路仍可繼續在不超過其熱穩定極限（長期允許載流量）情況下，安全地承擔故障線路的輸電負荷。但在正常運行情況下，線路沒有充分發揮其輸送能力，預留裕度非常大，設備利用率很低。因此，如何在現有輸電線路的基礎上提高輸送能力成為迫切需要解決的問題。

國內普遍采用靜態增容技術［1］來提高輸電線路輸送能力：通過研究導線溫度提高后導線、配套金具的機械強度和壽命，以及引起導線弧垂的增量仍能滿足線路安全運行的前提下，提高導線的最高允許運行溫度，如在短距離線路上采用大截面耐熱導線；或者采用特高壓輸電技術、柔性交流輸電技術、動態無功補償技術等，或改進線路設計，如采用同桿多回和緊湊型輸電技術來提高輸電線路的載流能力［2-3］。另外，還可以通過實時監測導線溫度、環境溫度、風速等參量，計算在當前環境條件下導線實際允許的輸電能力，從而可以根據線路實際運行情況適時提高輸電載流量，即為動態增容技術。當前，國內動態增容技術已走向實用化階段，已有越來越多的動態增容系統在提高線路載流量方面起到了實際效果［4-8］。

事實上，通過分析電網每年的負荷特點，負荷高峰期一般出現在每年7～8月特定時間段，結合多年對線路發生永久故障的統計數據考慮，發現在夏季負荷高峰期內發生線路永久故障的概率極低。本文根據廣東地區夏季的環境狀態、風速、日照強度、環境溫度，選擇典型的導線型號，設定導線可達到的最高溫度（如運行溫度達到90～100℃），運用導線動態熱平衡方程，計算導線可能的過負荷時間，為實際線路的運行提供參考。

1 導線的運行狀態

1.1 導線長期運行狀態的靜態熱平衡

導線的載流量與導線的結構尺寸、表面狀況、直流電阻、最大允許溫升、日照強度、環境溫度和風速等因素有關。根據熱力學中熱平衡的原理，當導體在產生焦耳熱、日照吸熱與散熱最終達到平衡時，存在式（1）：

式中：Pj·t為焦耳效應產生的熱（J）；Psol·t為日照吸熱（J）；Prad·t為輻射散熱（J）；Pconv·t為對流散熱（J）。

（1）焦耳效應

功率損耗Pj·t（J）由焦耳效應產生，即為單位長度導體熱損耗，其中，Pj按式（2）計算：

式中：RT為在溫度T時的導體電阻（Ω）；I為導體電流（A）。

（2）日照吸熱

單位長度導體吸收太陽輻射熱Psol·t（J/m），其中Psol按式（3）計算：

式中：γ為導線表面的吸熱系數，光亮導線γ取0.23～0.46，發黑導線γ取0.9～0.95；D為導線直徑（mm）；Si為日照強度（W/m2）。

（3）輻射散熱

單位長度導線表面向周圍空間輻射的熱損耗Prad·t（J），其中Prad按式（4）計算：

式中：S為Stefan-Boltzmann常數，S=5.67×10-8（W·m-2·K-4）；Ke為導線表面的輻射系數；Tc為導線的最終平衡溫度（K）；T0為環境溫度（K）。

（4）對流散熱

單位長度導線因自然風強迫對流而向周圍空間散發的熱損耗Pconv·t（J），其中Pconv按式（5）計算：

式中：λ為與導體接觸的空氣膜的熱導率，取值0.02585［W/（m·K）］；Nu為Nusselt數，由式（6）計算：

式中，Re為雷諾（Reynolds）數，由式（7）給出：

式中，V為風速（m/s）。

（5）載流量

將式（2）～式（5）代入式（1）則可得到載流量公式為：

1.2 導線短時過負荷狀態的動態熱平衡

當系統處于N-1狀態時，非故障相電流會明顯增加，根據運行條件的要求和導線特性，線路可短時間超熱穩定極限運行。此時，可根據實際氣象條件和運行電流來預測導體溫度，計算導線溫度不超過限額的時間。當輸電線路增加輸送載流時，導線的電流從Ic0到Ict是瞬間的過程，電流的變化破壞了導線原本的熱平衡，導線溫度升高，相應的對流散熱和輻射散熱也隨之發生變化，而導線的溫度的升高則呈現慣性變化的特點［1］。導線在未達到最終溫度Tct前，其吸收的熱量大于耗損的熱量，剩余熱量用于導線升溫；到臨近最終溫度Tct時，導線耗損熱量越來越接近吸收的熱量，用于導線升溫的熱量也已很少，升溫也越來越慢。為了研究輸電線路在應急情況（如發生“N-1”或“N-2”情況）下導線的傳輸能力，建立導線在短時過負荷條件下的動態熱平衡。當對導線增加電流負荷時，根據熱平衡原理有［2-8］：

式中：I2RT為單位長度導線熱損耗（W/m）；C為導線熱容（J/（m·K））；αh為導線表面散熱系數（J/（m2·K））；Tct為增加電流負荷t時間的導線溫度（K）；Tc0為t=0時的導線溫度（K）；T0為環境溫度（K）；A=πD為單位長度導線表面散熱面積（m2）。求得動態熱平衡方程：

2 導線運行過負荷時間的計算

根據廣東地區夏季的典型氣象條件，取風速V=0.5 m/s、日照強度Si=1000 W/m2、環境溫度T0=40℃，導線表面的輻射系數Ke=0.9，導線表面的吸熱系數γ=0.9；選擇JL/G1A-240/30、JL/ G1A-400/35、JL/G1A-630/45三種典型規格的鋼芯鋁絞線（見表1），設定導線溫度從Tc0為60℃、70℃分別升溫到Tct為80℃、90℃、100℃，計算導線可能的過負荷時間，見表2和圖1。

表1 三種規格鋼芯鋁絞線的技術參數

表2 三種規格鋼芯鋁絞線允許的過負荷時間計算值

從表2可看出，對三種典型規格的鋼芯鋁絞線增加輸送電流，導線溫度從Tc0為60℃、70℃分別升溫到Tct為80℃、90℃、100℃，運用動態熱平衡方程計算導線允許的過負荷時間，以及加載電流負荷前后導線載流量增量，結合圖1可以看出：

（1）對于不同規格的導線，增加電流負荷前導線溫度Tc0與設定增加電流負荷后導線允許溫度Tct相差越大，對應的導線允許的過負荷時間越長，載流量增量也越大。

（2）對于不同規格的導線，增加電流負荷前導線溫度Tc0相同時，設定增加電流負荷后導線允許溫度Tct越高，對應的導線允許的過負荷時間不一定越長。如圖1a中鋼芯鋁絞線JL/G1A-240/30增加電流負荷后導線允許溫度Tct=90℃時，對應的允許過負荷時間最長；如圖1b、1c中鋼芯鋁絞線JL/ G1A-400/35和JL/G1A-630/45增加電流負荷后導線允許溫度Tct=100℃時，對應的允許過負荷時間最長。

（3）對于不同規格的導線，增加電流負荷前導線溫度Tc0和設定增加電流負荷后導線允許溫度Tct均相同時，導線截面越大，導線允許過負荷時間也越長，也越有利于輸電線路運維人員制定最佳的調度方案。

3 結束語

利用動態增容技術和動態熱平衡方程，根據氣象條件來選擇環境參數，設定增加的電流負荷，提高導線的運行溫度，建立導線允許過負荷時間計算模型，可為輸電線路運行維護人員提供更多直觀的、適時的運行數據，便于輸電線路的管理維護，系統的輸電負荷能力也可以得到有效利用。同時，還可以通過實時監測導線溫度、環境溫度、風速和日照強度等因素，調整輸送載流量，調度人員可隨時掌握線路運行情況，利用導線允許過負荷時間計算模型，為制定調度方案提供依據，最大限度發揮線路的輸送能力。然而，由于弧垂、導線強度、導線接頭溫度、導線配套金具等因素制約，線路不可能無限制增容。為保證線路的安全溫度運行，在提高線路運行電流的同時，除導線溫度外，有必要同時對導線弧垂和導線應力等關鍵參數進行監測，用來計算線路載流量，更加安全有效地實現線路的動態增容。

圖1 導線溫度Tct與允許過負荷時間t的關系

［1］ 張 輝，韓學山，王艷玲.架空輸電線路運行載流量分析［J］.電網技術，2008，32（14）：31-35.

［2］ 黃新波，孫欽東，程榮貴，等.輸電線路動態增容系統的設計［J］.微計算機信息，2008，24（2/3）：17-19.

［3］ 馬國棟.電線電纜輸送載流量［M］.北京：中國電力出版社，2003.

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［5］ 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，2005，33（7）：1-4.

［6］ 黃新波，孫欽東，張冠軍，等.輸電線路實時增容技術的理論計算與應用研究［J］.高電壓技術，2008，34（6）：1138-1144.

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The Calculation M odel of Allowable Short-Term Current Overload Time and Am pacity of Overhead Conductors

XIA Yun-feng1，ZHENG Qiu2，HUANG Guo-fei2，DANG Peng2，LIU Bin2
（1.Guangdong Power Grid Corporation Dongguan Power Supply Bureau，Dongguan 523008，China；2.Shanghai Electric Cable Research Institute，Shanghai200093，China）

The dynamic thermal equilibrium equation was applied in the condition of short-term current overload of overhead conductors.Themaximum allowable overload time corresponding to the maximum allowable temperature of conductors were computed，after increasing the current load.The laws between themaximum allowable temperature，maximum allowable overload time and ampacity incrementwere analyzed，comparing different specifications of ACSR in the summer typicalweather conditions of Guangdong Province as an example.

overhead conductor；short-term current overload；ampacity；dynamic ampacity augment technology

TM244.2

A

1672-6901（2014）05-0035-04

2013-12-04

夏云峰（1982-），男，博士，工程師.

作者地址：廣東東莞市東城路239號［523008］.