采用增容導線時的定位弧垂計算

周魁，徐維毅，高選，胡漢基

(中南電力設計院，武漢市 430071)

0 引言

隨著國民經濟的飛速發展，用電負荷不斷攀升。目前部分線路的輸送容量受到熱穩定水平的限制，嚴重制約了電能的輸送，而新建線路不僅投資大、周期長，還受到地區規劃、環境保護等因素的影響。因此，如何科學、安全地提高現有輸電線路的輸送容量，成為亟待解決的問題。

目前，提高輸電線路載流量的常用方法有3種:(1)根據運行環境的實際情況核算線路載流量，對受限線路載流量進行精細管理。如采用監測線路的實際風速、日照強度、環境溫度來計算線路的載流量［1-2］，但這種方法實時監測、計算麻煩，并且夏季用電高峰時受環境的影響較大，增容量很小。(2)提高現有線路的最高允許運行溫度［3］，將鋼芯鋁絞線的最高允許運行溫度由70℃提高到80℃。這種方法的增容量為20%～25%，增容量也較小。(3)不改變現有線路桿塔、基礎，將原導線更換為增容導線來提高載流量。采用這種方法可增容50%以上，甚至達到倍容［4］。

采用增容導線增加輸送容量后，導線溫度大幅上升，已不能采用與鋼芯鋁絞線相同的40/50℃定位弧垂來校驗對地及交叉跨越距離的方法。

1 增容導線介紹

目前國際上使用較為廣泛的增容導線有2類［4］。

第1類是以日本為代表采用的耐熱鋁合金導線系列。耐熱鋁合金為在金屬鋁中添加鋯等元素，抗拉強度為153～183 MPa，允許連續使用溫度為150℃，短時使用溫度達180℃［5］;在230℃、加熱1 h后，強度殘存率≥90%。具有代表性的該類導線有鋼芯耐熱鋁合金絞線、殷鋼芯耐熱鋁合金絞線、鋁基陶瓷纖維芯耐熱鋁合金絞線、間隙型鋼芯耐熱鋁合金絞線。耐熱鋁合金導電率較鋁線低，損耗較大。

第2類是以美國、加拿大為代表采用的軟鋁導線系列。軟鋁絞線采用經處理的軟鋁線為導體，導電率達63%IACS，其強度較低，為59～76 MPa，但其延伸率可達20～30%［6］。當工作溫度到達軟鋁導線的遷移點溫度時，導線的機械荷載將全部轉移到芯線(鋼芯或碳纖維芯)，由芯線承擔導線的全部張力。由于芯線具有較好的軟化特性，能在較高的溫度下工作，而不降低其機械強度。芯線的線膨脹系數比鋼芯鋁絞線的低，當導線工作溫度提高時，軟鋁導線的弛度變化很小，因此相同截面軟鋁導線的載流量比鋼芯鋁絞線高。

軟鋁導線的最高使用溫度可達150℃以上，具有代表性的該類導線有鋼芯軟鋁絞線、特強鋼芯軟鋁絞線、碳纖維芯軟鋁絞線。

在不更換原有桿塔、基礎條件下實現增容，要求更換導線對桿塔的荷載不超過原導線。LGJ-300/40鋼芯鋁絞線、JNRLH60/LB14-300/40鋁包鋼芯耐熱鋁合金絞線、AF(SZ)+S4A-300/40應力轉移型特強鋼芯軟鋁型線絞線的參數見表1，計算載流量見表2。

表1 導線參數Tab.1 Conductor parameters

注:載流量采用摩根公式計算，計算條件如下:環境溫度為40℃;太陽輻射功率為1000 W/m2;風速為0.5 m/s［7］。

從表1、2可以看出，鋼芯鋁絞線的最高允許溫度由70℃提高到80℃時可增容約25%，在導電截面相近時各導線載流量基本相同，增容由允許運行溫度升高實現。雖然耐熱鋁合金和軟鋁導線的最高運行溫度可達150℃，實際使用時還需考慮對地及交叉跨越距離。與普通鋼芯鋁絞線相比，要實現50%以上的增容，導線的最高運行溫度應達到90℃以上，不能采用40/50℃或覆冰無風最大弧垂定位來校驗限距。

2 定位弧垂計算

2.1 我國現行規程對定位弧垂的規定

我國大多數地區的常年平均氣溫為15℃，導線實際溫度為29～42.3℃。文獻［8］中規定，鋼芯鋁絞線的最高線溫取70℃時，按導線溫度40℃或覆冰無風工況計算最大弧垂定位。計算表明，導線溫度為40～50℃的弧垂差值大于70～80℃時的，最高線溫為80℃時，可按導線溫度為50℃或覆冰無風工況計算最大弧垂定位［8］。文獻［8］同時規定，對特殊交叉跨越，應按最高線溫弧垂校驗跨越距離。

2.2 采用增容導線后的定位弧垂計算

采用增容導線后定位弧垂的計算可分為2步:先確定定位弧垂相應的導線溫度，再計算該溫度下的弧垂與覆冰無風工況下的弧垂，取兩者的較大值。覆冰無風工況下，確定定位弧垂相應的導線溫度是計算采用增容導線后定位弧垂的關鍵。

根據文獻［8］對定位弧垂的說明可以看出，定位弧垂相應的導線溫度可根據環境氣溫及輸電線路輸送正常潮流時的溫升計算得到，并且導線最大弧垂可以在一定范圍內(定位弧垂和最高線溫弧垂之間)浮動。由此得到采用增容導線對老舊線路進行改造時，計算定位弧垂相應導線溫度的2種方法［9-10］:

(1)以線路輸送正常潮流時的導線溫度作為定位弧垂相應的導線溫度。

(2)以原線路導線的定位弧垂溫度與最高線溫的弧垂差值作為基準值，以與改造后導線最高線溫時的弧垂相差值相同的導線溫度作為定位弧垂相應的導線溫度。采用該方法的前提是導線最高溫度弧垂不超過原導線在70℃時的弧垂。

若在新建線路中采用增容導線且導線最高允許溫度超過80℃，則采用第1種方法計算定位弧垂相應的導線溫度。計算正常潮流導線溫度時，環境溫度為最高氣溫月的平均最高氣溫。

3 工程實踐

以某500kV輸電線路為例，設計覆冰為10 mm，設計風速為30 m/s(對地20 m高)，導線采用4×LGJ-300/40鋼芯鋁絞線。增容后，相導線電流達4 kA，正常潮流為2000MW。經荷載、弧垂、經濟性等多方面比較，該工程最終采用4×AF(SZ)+S4A-300/40應力轉移型特強鋼芯軟鋁絞線。

根據相關氣象資料，該工程線路所經地區最高氣溫月的平均最高氣溫為30℃。經計算發現，最大載流量和正常潮流時導線溫度分別為125、70℃，定位弧垂計算結果見表3，其中檔距為400 m，代表檔距為300～900 m。

從表2可以看出，原導線40℃時的弧垂比覆冰無風工況時大，新導線70℃時的弧垂比覆冰無風工況時大，即原導線采用線溫40℃弧垂定位，新導線根據第1種方法計算得到的定位弧垂相應導線溫度為70℃。

以代表檔距為400 m、檔距為300～900 m、使用第2種方法計算定位弧垂相應的導線溫度，原導線弧垂計算參數見表4，更換導線后定位弧垂相應的導線溫度計算結果見表5。

根據該工程的重要性，最終選取70℃的弧垂作為定位弧垂校驗限距。

4 結論

(1)采用增容導線后定位弧垂計算可分為2步:先確定定位弧垂相應的導線溫度，再計算該溫度下的弧垂與覆冰無風工況下的弧垂，取兩者較大值。

(2)定位弧垂相應的導線溫度可通過計算輸送正常潮流時的導線溫度得到。

(3)采用增容導線時，以輸送正常潮流時導線溫度下的弧垂作為定位弧垂校驗限距的方法方便、安全，在實際工程中推薦采用此方法計算定位弧垂。

［1］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.

［2］錢之銀，朱峰.提高華東電網500kV輸電線路輸送容量的研究［J］.華東電力，2003，31(6):4-7.

［3］單周平，陳春.架空輸電線路增容過程中導線弧垂的計算方法［J］.湖南電力，2012，32(1):5-8.

［4］黃豪士.輸電線路節能型增擴容導線的特性［J］.電力建設，2010，31(2):29-34.

［5］尤傳永.耐熱鋁合金導線的耐熱機理及其在輸電線路中的應用［J］.電力建設，2003，24(8):4-8.

［6］尤傳永.架空輸電線路鋼芯軟鋁絞線的應用研究［J］.電力建設，2006，27(5):1-4.

［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］GB 5045—2010110 kV～750 kV架空輸電線路設計規范［S］.北京:中國計劃出版社，2010.

［9］葉鴻聲，龔大衛，黃偉中，等.提高導線允許溫度的可行性研究和工程實踐［J］.電力建設，2004，25(9):1-7.

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