架空輸電導線增容技術現狀及發展趨勢

蔡西川,黨 朋,曾 偉

(上海電纜研究所有限公司 特種電纜技術國家重點實驗室,上海 200093)

0 引 言

我國架空輸電線路經過近40 年的高速建設,已經形成了電壓等級至1 000 kV 以上龐大的交直流輸電網絡。隨著經濟的持續高速發展,區域經濟發展的不平衡問題越發突出,東部及沿海地區的用電量需求一直處于急劇增長狀態。在電網密度漸趨飽和,以及環境保護更加迫切的背景下,新建線路走廊日趨困難,電力輸送與能源需求之間的矛盾日益凸顯。

架空導線作為電能傳輸的載體,在不考慮連接及輸電系統終端等情形下,架空線路的輸電能力取決于導線本體。當電流經過導線時,導線電阻導致其產生熱效應,長期負載運行會使導線強度降低或形成永久變形,從而帶來安全問題。另外,組成導線的材料(一般為鋼線和鋁線)會產生膨脹現象,致使檔距內導線伸長,導線產生一定的垂度,導致導線離地或障礙物的距離變小,從而影響線路的安全運行。因此,提高架空線路的輸送容量,必須首先考慮架空導線的本體特性,同時滿足架空線路運行的安全條件。在新建線路、既有線路、改建線路中提高導線輸送容量,解決線路輸送能力和負載需求端的矛盾已成為當前電力輸送行業的熱點和難點問題。基于導線的增容技術已成為電力傳輸的重要解決方案,本文闡述了架空輸電導線增容技術的理論及研究現狀,介紹了當前國內外架空輸電導線增容技術的應用及問題,提出了架空輸電導線增容技術的發展趨勢。

1 輸電線路容量理論模型

輸電線路的容量以導線可承載的電流大小——載流量來表示。控制導線允許載流量的主要依據是導線的最高允許工作溫度,該溫度主要由導線長期運行后的強度損失和連接金具的可靠性決定。在實際運行過程中,導線的溫度與導線載流量、導線所處環境狀況,以及導線表面狀態等直接相關。

不同國家及研究機構提出了不同的輸電線路允許載流量模型,雖然在表達形式上有所區別,但本質上均采用熱平衡理論。導線在運行過程中,影響導線的發熱因素包括電流經過導線時導線自身電阻產生的熱量、導線吸收日照的熱量、導線的輻射散熱,以及導線的對流散熱等。

導線在穩態條件下的熱平衡公式為[1-3]

式中:I2RT為電流流經導線產生的熱效應;I為流經導線的電流,A;RT為溫度T時的單位長度導線電阻,Ω·m-1,與導線材料、結構及溫度有關;qs為導線表面的日照吸熱功率,W·m-1,與日照強度及導線直徑有關;qr為導線的輻射散熱功率,W·m-1,與相對黑體的發射系數、導線直徑、環境溫度及導線最終平衡溫度有關;qc為導線的對流散熱功率,W·m-1,與風速、導線直徑環境溫度及導線最終平衡溫度有關。

在最高允許溫度Tmax時,穩態條件下的線路容量Imax可由公式(2)計算。

由公式(1)和公式(2)可以看出,對于確定型號規格的導線,其載流量與環境參數及導線的最終允許狀態有關。不同國家及研究機構在確定導線載流量時,對公式(1)和公式(2)中相關參數qs、qr及qc的選取及計算不完全一致,各國及研究機構的載流量計算參數[1-4]見表1。其中,美國對日照強度的計算還考慮了太陽高度、太陽方位角、線路方位角、海拔高度等因素。

在按公式(1)和公式(2)計算的實例中,不同環境參數及導線允許運行溫度的規定取值對額定載容量結果有較大的影響。例如,常用規格為JL/G1A-400/35 的導線按允許溫度為70 ℃計算時,IEC 與我國的載流量計算結果分別為732 A 和583 A;更大規格為JL/G1A-1 000/45 的導線在溫度為80 ℃時,IEC 與我國的載流量計算結果分別為2 065 A和1 431 A[1,3]。可以看出,采用不同邊界條件和公式計算時,相同型號規格導線的輸電容量計算結果有明顯差異。

2 靜態增容技術

靜態增容技術是基于環境狀態的合理假設,根據導線容量模型再次計算載流量,亦稱為環境調整額定值。表1 中,英國將環境參數分為冬季、夏季及酷熱地區,通過容量模型計算出的穩態載流量也有所不同。對于規格為JL/G1A-630/45 的導線,在其他參數一致的條件下,按IEC 參數計算,環境溫度每降低1 ℃,載流量可提高10 A。對于規格為JL/G1A-400/50 的導線,按我國參數計算,環境溫度為40 ℃和 20 ℃時的載流量分別為 2 390 A 和3 360 A。另外,表1 中的風速對導線的對流散熱及熱平衡有著非常明顯的影響,在其他參數一致的條件下,當風速從1 m·s-1提高至2 m·s-1時,JL/G1A-30/45 的載流量提高約350 A[5]。由于風速的變化受地形、高度和氣候的影響較大,且線路走廊上風速的變化情況難以預估,所以大部分研究機構對風速的選取采用相對保守的方式。從計算實例可以看出,對于不同環境下的輸電線路,可以通過設定不同邊界條件進行計算,進一步提升導線的輸送容量。

從導線運行的熱平衡公式可以看出,當導線允許運行溫度提高時,導線的載流能力也相應提高。由于耐熱鋁合金和軟鋁類導線具有耐高溫運行特性,近年來,我國在改建線路中采用具有這類特征的導線來直接更換原線路導線,以此大幅度提高輸送容量,同時節約了大量線路建設成本。

從我國現有的輸電線路設計及運行來看,考慮到安全系數及線路環境的復雜性,在進行導線允許載流量校驗時,沒有區分季節氣候及地理環境的差異,基本采用統一的設定參數進行導線額定容量計算,導致很多輸電線路并未發揮其最佳運行能力。

3 動態增容技術

動態增容技術(DTLR)作為一種有效提高輸電線路容量的方式有了快速發展和廣泛應用。DTLR的顯著特征是輸電線路在保證安全運行條件下可即時動態調整輸送容量。實現線路動態增容的關鍵是能夠對導線所處的環境和其本體狀態進行實時監測,對導線的運行狀態進行精確評估和預測。DTLR 系統一般由三部分構成,分別為環境及導線狀態的監測裝置、數據通信傳輸及接收裝置、數據分析及容量評估系統。根據監測對象,DTLR 可分為間接法和直接法兩種。

3.1 間接法

DTLR 的間接方法是測量或預測氣象數據,主要包括環境溫度、風速、風向、日照和降雨等,將氣象變量作為載流量計算的條件,對導線輸送容量進行限額計算。在間接方法中,根據測得的氣象條件,假定一段時間內保持不變,利用公式(1)和公式(2)計算穩態條件下的導線載流量。然而,在實際運行中,環境始終在不斷變化,需要采用暫態熱平衡公式計算更短時間間隔內的導線載流量[2],如公式(3)。

式中:m為單位長度導線的質量,kg·m-1;Cp為導線的質量定壓熱容,J·(kg·K)-1。

在實際應用中,通常是沿著線路或在關鍵位置安裝微型氣象站來獲取氣象數據。除采用實時監測的氣象參數計算導線載流量外,還可使用大量數據建立氣象數值預報模型,預測線路走廊的環境參數變化。國內外已有眾多學者基于氣象歷史數據及氣象預測提出了導線的動態增容模型[6-9]。

3.2 直接法

DTLR 的直接方法是通過對導線本體狀態參數進行監測來實現的。導線運行狀態參數主要包括導線溫度、弧垂、離地間隙和應力等。在實際應用中,直接法一般也需要實時環境狀態參數,但在建立增容計算模型時需要采用導線本體狀態數據。相比于間接法,直接法更直觀地呈現了導線的運行狀態,其增容評估系統主要基于導線測量狀態而非理論計算值。下面分別簡單介紹基于直接法的增容技術及其研究和應用現狀。

3.2.1 基于導線溫度測量的增容技術

從導線容量理論模型可知,導線的載流量與導線的最高允許運行溫度直接相關,基于載流量與溫度之間的關系即可計算出給定溫度條件下的導線容量。在線路運行時,已知導線即時溫度及線路電流,可推算出給定允許溫度下的導線額定容量。基于導線溫度測量是一種較為便捷的增容技術。文獻[10-12]中均建立了基于熱平衡方程建立的導線增容計算方法及模型。

架空導線溫度在線測量有多種方式。傳統方式為點式接觸法測量溫度,由于該方法僅可代表線路上的某一具體位置溫度,在實際應用中一般是在線路的關鍵位置布置多個測量溫度點。采用紅外熱成像技術對整條線路進行非接觸式掃描測量溫度,該種方式易受到天氣的影響,測量溫度精度相對較低。近年來,分布式光纖測量溫度及光纖光柵測量溫度傳感技術在架空線路中也有了一定的應用,其原理是基于光纖中背向反射光的強度及光纖光柵中波長變化與溫度之間的關系計算線路中光纖敷設位置的溫度,該方式的顯著優點是無需對測量裝置提供外部電源。在上述測量方式中,目前應用廣泛且成熟度較高的方式仍然是傳統點式溫度傳感器或接觸式測量溫度。

3.2.2 基于弧垂或離地間隙測量的增容技術

導線運行時的熱膨脹效應會導致導線離地或建筑物之間的距離變小,從而影響線路的安全運行。架空導線離地面或建筑物的高度是輸電線路設計及運行人員所需考慮的安全問題。在GB 50545—2010 《110～750 kV 架空輸電線路設計規范》中[13],對導線弧垂的計算原則,以及不同電壓等級、不同環境條件下導線對地面的最小距離,進行了詳細的規定。導線的弧垂與其溫度及受力狀態直接相關,文獻[14]給出了導線弧垂的理論計算方法。在導線溫度及受力狀態已知的條件下,一定檔距內導線的弧垂理論值可以通過上述方法計算。

除理論計算外,架空導線弧垂的測量也有多種方法。傳統的方法為采用經緯儀進行弧垂測量,這一方法常用于線路敷設及緊線操作中,其原理示意圖見圖1。

圖1 經緯儀測量示意圖

通過經緯儀測量α角和β角,再結合懸掛點的已知高度即可計算導線弧垂(f)。該方法獲取的導線弧垂具有較高的精度,但需要在現場布置設備和人力。因此,在復雜地形條件下很難采用該方法對導線弧垂進行實時測量。

近年來,采用激光測距方法對導線弧垂的測量有了一定的應用。該方法的特點是安裝簡單,但需要事先確定線路安裝點,并建立對應地面水平面。隨著巡線機器人及無人機技術的發展,基于圖像識別的智能監測技術在輸電導線的弧垂測量方面也有了初步應用。通過機器人或無人機攜帶相機拍攝導線圖像,再通過圖像處理技術對線路進行重建,最終實現導線弧垂參數的計算。文獻[15-17]采用雙目視覺技術獲取了更為精確的導線圖像狀態參數,其計算模型進一步提高了弧垂測量精度。另外,隨著雷達探測及通信技術的快速發展,采用激光雷達[18]和調頻連續波雷達[19]通過對輸電線路的掃描,利用點云數據重建線路的三維空間模型,并實時計算導線的弧垂,也具有很高的精度。

以掘進機截割臂升降角度為例，驗證建立的基于油缸行程傳感器的截割頭姿態角檢測模型。試驗中，截割臂從0°到最大角度23°，將掘進機平臺參數L0=388 mm，L1=202 mm，L2=470 mm，θ=54.18°和油缸行程傳感器相對截割臂為0°時伸長量代入式(2)，得出的截割臂升降角度為測試值，以安裝在截割臂上的精度為0.01°的兩軸傾角傳感器SCA120T檢測的截割臂角度為理論參考值，結果見表2。

3.2.3 基于應力測量的增容技術

導線的受力狀態直接決定其安全運行。對于運行的線路,導線的應力與溫度及弧垂直接相關。通過實時監測導線的應力可以推算出導線的溫度和弧垂參數,以保證導線處于溫度及弧垂安全規程限制條件內。導線應力的測量主要采用應力傳感器,主要包括應變片式傳感器和光纖傳感器。美國Nexans 公司開發的CAT-I 輸電線路監測系統通過測量線路的應力及環境溫度等參數,對線路的可用容量進行實時估算,可在保證安全的條件下實現線路增容10%～30%。

由于應力傳感器裝置須經過導線端部與鐵塔連接,在線路實際運行中,考慮到安全原因,國內很少對導線的應力狀態參數進行直接監測。目前,我國輸電線路中的應力監測主要應用于導線覆冰狀態的測量。

4 輸電導線增容技術實施過程中的難點

輸電導線增容技術研究及應用已有20 多年的歷史。總體來看,該技術經歷了從靜態增容到動態增容,從單變量到多變量相互校驗的發展歷程。2005 年,我國華東電力試驗研究院對迎峰度夏期間的環境溫度、風速和日照強度進行了連續監測,依據實際環境參數核算輸送容量,提出了限額條件下的安全時間和限定時間內的安全限額兩種動態增容方法。2006 年,重慶電力公司在220 kV 線路上安裝了導線測溫系統,驗證了導線溫度上升在過渡時間內線路的實際載流能力。廣東電網公司基于當地運行線路氣象數據及實測弧垂數據,由增容系統進行驗算,確認特定線路可多輸送30%～50% 的檢修及應急負荷,實現了線路安全增容運行[20]。另外,隨著新能源的快速發展,DTLR 在風電場送出線路中有著廣泛的應用。利用風速、輸電線路最大載流量和風機發電容量之間的關系建立的增容技術,實現了風機總功率和導線最大容量的動態匹配[21];特別是,可再結合風電場儲能系統的容量和功率,實現了風電場的經濟運行和清潔能源的消納[22]。目前,我國已在該領域進行了示范性項目的建設。英國在風電場新能源送出中,使增容系統成為電網控制系統的一個組成部分,在電網安全運行的條件下,將線路輸送容量提高20%。

總的來看,世界各國在輸電線路的增容技術方面均已經開展了大量的研究工作,但我國在新能源領域中增容技術的應用相對于歐美國家較為滯后。從當前國內外應用的現狀來看,增容技術無論是采用間接方法還是直接方法,均存在許多問題。

4.1 測量設備的準確度及運行

除監測環境參數的設備可直接固定在鐵塔上外,其他輸電線路在線監測設備均需要與導線本體相連。溫度、弧垂和應力測量設備自身的精度直接決定了增容系統的精度及可靠性。雖然在GB/T 35697—2017 《架空輸電線路在線監測裝置通用技術規范》中[23],關于溫度及弧垂等在線測量設備的精度均有相應的規定,但在實際線路中,這些測量設備受其自身精度及安裝位置的限制,并不能準確反映導線實際運行的狀態,因此,易造成測量的偏差。

當前,大多數在線監測裝置均需要提供外部電源。若采用蓄電池方式,則需要考慮電池更換的周期和便捷性。近年來,隨著在線取電技術的發展,測量裝置的自身質量也在提高,還可能會產生其他安全問題。

4.2 增容系統的可靠性

輸電線路的增容技術除依賴測量設備外,還需要可靠的增容模型。目前,在溫升、弧垂及應力與導線容量關系方面已有許多理論研究,但這些經典公式中很多參數的取值與導線本體、地理位置及環境有關。為了獲得準確的參數,需要進行大量的試驗驗證工作;為了提高預測精度,也需要更為復雜精細的算法工具。

4.3 增容技術應用中的系統性和經濟性問題

增容技術在實際應用中需要考慮系統安全性問題。當線路容量增加時,導線運行溫度升高,其連接終端甚至變壓器等線路關鍵器件的溫度也會升高。因此,需要考慮整個線路系統中所有器件可承受的耐溫能力,這也是當前輸電部門對增容技術應用持保守觀點的原因之一。

對于既有線路的增容技術應用,需要增加監測裝置、通信和終端數據分析系統,而保持系統長期穩定運行又需要投入大量人力和物力。因此,增容系統的成本與其為線路增加輸送容量所獲得經濟效益的平衡也是電力企業關注的問題。

5 輸電導線增容技術發展趨勢

隨著架空導線材料性能的提高和監測,以及通信技術水平的進步,近年來,輸電線路增容技術有了快速發展。如何充分挖掘現有線路的輸送能力和通過線路改建提高線路容量,已成為當前輸電領域的熱點問題。

5.1 提高導線運行溫度

從線路容量理論模型可以看出,導線的允許運行溫度越高,其輸送容量越大。考慮到線路整體的安全及壽命,電力運行部門對于提高導線允許運行溫度往往是謹慎的。提高既有線路的導線允許運行溫度需要對導線材料及連接金具的耐熱性能進行全面評估,以保證線路在增容時的安全性。

對于傳統的鋼芯鋁絞線,雖然不同國家對其允許最高運行溫度有所差異,但均不大于100 ℃。近年來,具有耐高溫、低弧垂特種性能的架空導線(包括殷鋼芯耐熱鋁合金絞線、間隙型特強鋼芯耐熱鋁合金絞線和鋁基陶瓷纖維芯耐熱鋁合金絞線等)在一些特定場合中有了一定的應用,這些導線的允許運行溫度大于100 ℃,甚至可以達到200 ℃。采用這些導線直接替換原線路中的鋼芯鋁絞線,當提高導線允許運行溫度時,其輸送容量可大幅度提高。

5.2 應用動態增容技術

應用各種設備對線路所處的環境及導線狀態進行實時監測,并在遵循現有規程及保證線路運行安全的條件下,采用增容模型提高既有線路的輸送容量,已成為當前電力領域一種重要的增容手段。采用DTLR 可以評估線路短時過載能力,為線路超原負荷運行提供決策。特別是在風力場輸電線路中,結合風速變化、導線運行狀態和儲能系統,采用DTLR 可以大幅度地提高線路的輸送容量。

6 結束語

DTLR 是一項涉及線路設計、導線及金具特性、運行及安全管理、通信及軟件計算等多因素融合的新型技術。將DTLR 有效地接入現有電網系統中,并與儲能系統形成一個有機整體,將成為解決能源供求矛盾和新能源消納的重要手段。對于改建線路,可以采用新材料和新型結構型式導線,通過提高運行溫度的方式增加線路的輸送能力;對于既有線路,可以利用各種在線監測設備即時監測導線的運行狀態,并通過增容技術實時評估導線的容量限額,在保證安全的前提條件下,挖掘導線的輸送能力,提高線路的傳輸效率。