關于架空輸電線路載流量計算方法的分析及改進

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(1. 國網黑龍江省電力有限公司電力科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150030； 2.國網黑龍江省電力有限公司管理培訓中心，黑龍江 哈爾濱 150030 )

0 引 言

隨著中國電力需求快速增長，電力短缺成為制約經濟發展的瓶頸。由于新建線路受到建設周期、資金和線路走廊及環境等因素制約，因此在原有線路基礎上提高正常輸送容量對解決輸電瓶頸具有重要的意義。目前，架空輸電線載流量的計算普遍基于Morgan公式[1]，該公式在計算載流量時，對某些因素考慮過于保守，與架空輸電線實際環境存在一定偏差，導致計算得到的載流量也過于保守。國內學者雖然對提高載流量的可行性方面[2-3]以及在載流量計算方法方面開展了大量研究[4-5]，修正了太陽入射輻射的計算[5]，但是對架空輸電線實際環境的計算方法研究很少。下面針對架空輸電線載流量計算方法中的輸電線表面輻射散熱的計算方法進行了修正，修正后的計算方法更加接近架空輸電線所處的實際環境，并在此基礎上，研究了環境溫度及風速對架空輸電線載流量的影響。

1 輸電線路載流量計算方法

中國輸電線路穩態載流量計算方法與國際電工委員會(International Electro-technical Commission，IEC)載流量計算方法相同，繼承了IEC 1597計算方法，采用以下Morgan公式進行穩態載流量計算[1]：

(1)

式中：I為導線穩態載流量；Wr為單位長度導線表面輻射散熱功率；Wf為單位長度導線表面對流散熱功率；Ws為單位長度導線表面日照吸熱功率；R為導體單位長度交流電阻。

輻射散熱功率計算公式[1]為

Wr=πDεσ[(θ+θa+273)4-(θa+273)4]

(2)

式中：D為導線外徑；ε為導線表面輻射系數，光亮新線取0.23～0.43，深色舊線取0.9～0.95；σ為斯忒藩-波爾茲曼常量，σ=5.67×10-8W/(m2·K4)；θ為導線表面溫升；θa為環境溫度。

對流散熱功率[1]為

Wf=0.57πλfθRe0.485

(3)

λf=0.024 2+7×10-5(θa+θ/2)

(4)

ν=1.32×10-5+9.6×10-8(θa+θ/2)

(5)

太陽照射吸熱功率[1]為

Ws=αJsD

(6)

式中：α為導線表面對太陽輻射的吸收率，光亮新線取0.35～0.46，深色舊線取0.9～0.95；Js為地球表面日照強度，晴天無云時取1000 W/m2。

將式(2)至式(6)代入式(1)得目前普遍采用的穩態載流量計算公式：

I=

(7)

2 載流量計算方法分析與改進

在上述穩態載流量計算中，式(2)是計算的導線表面對一個溫度為(θa+273)的黑體環境的輻射散熱量。實際上，架空輸電線是在一個半開放的空間中，該空間的一半是地面環境，另外一半邊界是空中的環境，因此，關于輸電線表面輻射散熱的計算公式(2)與實際輸電線所處環境不同。由于有一半表面對空氣輻射散熱，而空氣對熱輻射是不吸收的[6]，因此，式(2)給出的輸電線表面輻射散熱量的計算結果比實際輸電線表面輻射散熱量偏低。采用式(2)計算得到的輸電線載流量過于保守，浪費了輸電線路資源。

考慮到上述因素，對輸電線表面輻射散熱計算公式進行了修正：

(8)

即

(9)

修正后的穩態載流量計算公式為

I=

(10)

3 載流量及其影響因素分析

下面采用改進后的載流量計算公式對穩態載流量進行計算，并分析影響載流量的因素。

以常用的鋁絞線和鋼芯鋁絞線為例，其交流電阻與直流電阻之比為1.016 4 ～ 1.022 4，這里取平均值為1.02，則交流電阻[5]為

式中：R20為20 ℃時單位長度導線的直流電阻；θc為導線溫度，θc=θa+θ。

以300/25鋼芯鋁絞線為例，導體直徑為23.76 mm，直流電阻取0.094 33 Ω/km，垂直導線方向風速為0.5 m/s，對太陽輻射的吸收率取0.925，發射率取0.925，環境溫度取25 ℃，地球表面日照強度取1000 W/m2。

架空輸電線載流量與導線溫度的關系如圖1所示。在圖1中，實線代表采用修正后的載流量計算公式給出的結果，即式(10)給出的計算結果；虛線代表未修正的載流量式(7)計算給出的結果。從圖1中對比可見，修正了計算得到的載流量高于未修正的結果，可見目前采用的載流量計算公式過于保守，在維持輸電線允許溫度的情況下，實際輸電線的載流量是可以更高的。

圖1 架空輸電線載流量與導線溫度的關系

由于修正后的載流量計算公式(10)中關于導線表面輻射散熱的計算更加符合實際，因此，架空輸電線載流量仍可以進一步提高。

不同導線溫度下提高架空輸電線載流量的潛力如圖2所示。可以看到，隨著導線運行溫度的提高，提高載流量的潛力降低。如果導線最高運行溫度為70 ℃，載流量就可以提高14%，這一結果與文獻[5]記載的數據相符。

圖2 不同導線溫度下提高架空輸電線載流量潛力

圖3 架空輸電線載流量與環境溫度的關系

架空輸電線載流量與環境溫度的變化關系如圖3所示，可以看出，隨著環境溫度的降低，載流量明顯提高。

架空輸電線載流量隨風速的變化如圖4所示，可以看到，隨著風速的增大，載流量明顯提高。

圖4 架空輸電線載流量與風速的關系

4 結 論

通過對目前輸電線載流量計算方法的分析，建立了與輸電線所處實際環境一致的輻射散熱計算方法，并在此基礎上修正了架空輸電線載流量的計算公式。研究結果表明，目前基于Morgan公式的載流量計算公式在計算架空輸電線的載流量時過于保守，實際架空輸電線的載流量具有一定的提高潛力。環境溫度和風速對架空輸電線的載流量有顯著的影響。環境溫度的降低和風速的提高，可以使輸電線載流量顯著提高。