采用國內外標準評估軟導體載流量的對比分析

程壯 王乙斐 簡巍

摘要：通過將《IEEE Standard for Calculating the Current-Temperature of Bare Overhead Conductors》（IEEE Std?738）、《Overhead electrical conductors – Calculation methods for stranded bare conductors》（IEC TR3 61597）和《Thermal Behaviour of Overhead Conductors》（CIGRE CB 207）等國際通用的導體載流量計算方法，與國內常規評估方法進行對比分析，理清各個標準、手冊中關于導體載流量計算的差異，便于工程設計人員對IEEE、IEC等國際標準的理解和運用。

關鍵詞：載流量;導體;國內外標準;比較

1、引言

近年來，隨著我國提出的“一帶一路”的倡議，許多國內的電力設計院和電力建設公司走出國門，參與到國外輸變電工程的設計和建設中。了解和掌握外方普遍接受的國際標準，并認清與國內標準和常規計算方法的差異，對于取得外方業主及國際監理的理解和認可，推動涉外工程的順利進展，具有重要的意義。

在輸變電工程中，架空導線、設備連接線等軟導體的允許載流量計算是一項基本的電氣計算。由于國內外的評估方法有一定的差異，且不同國家采用的導體規格和標準不同，而國外監理工程師或業主工程師常常需要設計人員提供相關的計算報告，因此需要對國際通用的IEC、IEEE等載流量計算方法進行研究和分析。

2、國內軟導體載流量的評估方法

國內對于輸變電工程的軟導體的載流量，在工程設計上一般采用查表法，然后根據特定的外部環境條件進行修正。文獻[5]的附錄D、文獻[6]的附錄B、附錄C以及文獻[7]P410～P413的表8-3～表8-5均提供了常規導體的長期允許載流量表，以及不同海拔高度、環境溫度下的校正系數。

采用查表法簡單快捷，其精確度滿足國內工程的實際應用需要，得到了廣泛的應用。此外，除了采用查表法，文獻[7]?P439～P442 “附錄8-2”一章還提供了一種精確的計算方法，該算法與國際大電網組織（CIGRE）發布的技術手冊（Technical Brochure）207基本類似，詳見下一章詳細計算說明。

3、國外軟導體載流量的計算方法

國外應用比較廣泛的標準或技術手冊有IEEE?Std 738（IEEEE標準）、IEC TR3 61597（IEC3型技術報告）和CIGRE TB 207（國際大電網技術手冊）這三種。

以上這三種標準或手冊提供的計算方法，對于導載流量的總體計算思路基本相同，均采用熱穩態平衡計算方法（Steady-state Thermal Rating Calculation），主要依據是熱量守恒。三種標準或手冊所列的熱量平衡公式如下：

IEEE Std 738：

IEC TR3 61597：

CIGRE TB 207：

其中，，，均表示電流熱效應（焦耳效應），，，均表示日照熱效應;，，均表示對流散熱，，，均表示輻射散熱;而，，則分別表示電磁熱效應、電暈熱效應和蒸發散熱，在計算載流量時都可不作考慮，取值為0。

因此通過對比分析可以看出，實質上這三項等式的含義都是吸熱與散熱平衡，即“輻射散熱功率”+“對流散熱功率”=“電流熱效應”+“日照吸熱功率”。

在已知等式其他項的條件下，可以推導出穩態電流：。

下面通過進一步研究，分別通過比較“輻射散熱功率”、“對流散熱功率”、和“日照吸熱功率”，發現這三項計算方法（IEEE Std 738/?IEC TR3 61597/ CIGRE TB 207）的主要差別在于“對流散熱功率”的計算公式有差異，而三者對于“輻射散熱功率”、“日照吸熱功率”以及“電流熱效應”的計算公式基本相同。

3.1?輻射散熱功率的計算

上述三種理論計算方法，對于輻射散熱功率的公式完全相同，可以用下面的式子表示：

其中，

為斯特凡-包爾茨曼常數;

為導體外徑;

、分別表示導體表面溫度和環境溫度;

為輻射散熱系數，取值在0.23～0.95之間，一般計算時取0.5。

3.2?對流散熱功率的計算

上述三種理論計算方法，對于對流散熱功率的計算公式均不相同。

其中，IEEE Std 738和CIGRE TB 207都給出了強迫對流（即有風條件下對流）和自然對流（即無風條件下對流）的對流散熱功率的公式，而IEC TR3 61597僅給出了強迫對流對流散熱功率。

公式涉及的變量較多、較為復雜，這里便不再一一列出，詳見文獻[1]、文獻[2]和文獻[3]。通過比較可以看出，IEC TR3 61597和CIGRE TB 207的公式類似，均為平均溫度、溫差和雷諾數的指數冪的乘積形式，且與IEEE Std?738所列公式差異較大。

此外，需要特別注意的是，IEC TR3 61597并沒有提供海拔高度的校正，也不適合計算無風時的載流量。

3.3 日照吸熱功率的計算

上述三種計算方法對于日照吸熱功率的公式基本相同，可以用下面的式子表示：

其中，

為日照吸熱系數，取值在0.23～0.95之間，一般計算取0.5;

為日照強度;

為導體外徑。

IEEE?Std?738標準在該基本公式的基礎上，還考慮了日照時刻、緯度、太陽光的方位角、海拔高度等因素。而作為初步的導體載流量計算選型，可以假定以給定的最大日照輻射強度計算。

3.4?電流熱效應的計算

電流熱效應的基本公式為：

其中，為給定導體溫度下的交流電阻，計算方法有很多，基本原理在導體直流電阻的基礎上，考慮集膚效應、鄰近效應及鋼芯的磁滯、渦流損耗等因素，對于不同結構的導體，所得到的交、直流電阻比k都不相同，其相關簡化計算方法參考文獻[4]有相關的分析。

4、對比分析

下面以國內某一種常規的鋼芯鋁絞線（LGJ-400/35型），分別采用以上這幾項評估方法，得出其長期允許載流量，并將結果進行對比分析：

（1）假設外部環境條件為：環境溫度25℃，導體最高溫度80℃，海拔1000m，風速0.5m/s，日照0.1W/cm²，輻射和吸熱系數均取0.5，計算結果如下：

（2）假設外部環境條件為：環境溫度40℃，導體最高溫度80℃，海拔3000m，風速0.5m/s，日照0.1W/cm²，輻射和吸熱系數均取0.5，計算結果如下：

通過計算結果的比較分析，在不同的環境條件下，通過這幾項不同的理論計算方法所得出的結果差異不大，都可以應用于工程實際。

5、結語

（1）采用國內、外標準評估軟導體載流量的結果差異不大，在常規情況下，都可以作為工程應用的依據。

（2）采用國外IEEE、IEC或CIGRE等標準或手冊得出的軟導體載流量，計算過程稍顯復雜，但可以針對非國內常規型號的導體，而且可以輸入不同的日照強度、風速等環境因素，計算過程詳細，有利于獲得涉外工程外方監理或業主工程師的認可和審批。

（3）在目前涉外工程日益增多的背景下，通過對比分析國內外標準的異同，可以加深工程設計人員對專業基本理論的理解，有助于提高設計能力和設計水平。

6、參考文獻

[1] IEEE Std 738-2012，《IEEE Standard for Calculating the Current - Temperature of Bare Overhead Conductors》[S]

[2] IEC TR3 61597-1995， ?《Overhead electrical conductors – Calculation methods for stranded bare conductors》[S]

[3] CIGRE Technical Brochure 207， 《Thermal Behaviour of Overhead Conductors》[S]

[4] 劉士璋，《鋁絞線鋼芯鋁絞線交直流電阻及載流量的計算》，《電線電纜》 1988年06期[J]

[5] DL/T 5222-2005，《導體和電器選擇設計技術規定》[S]

[6] SL 311-2004，《水利水電工程高壓配電裝置設計規范》[S]

[7]《電力工程電氣設計手冊 電氣一次部分》，中國電力出版社[M]

作者簡介：

程壯（1988），男，本科，工程師，主要從事輸變電工程的設計和研究工作。

王乙斐（1990），女，碩士，工程師，主要從事變電站的設計和研究工作。

簡巍（1986），男，本科，工程師，主要從事架空輸電線路的設計和研究工作。