高壓架空輸電線路短時輸電能力評估方法研究

周象賢，王少華，蔣愉寬，李特

（國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州310014）

輸配電技術

高壓架空輸電線路短時輸電能力評估方法研究

周象賢，王少華，蔣愉寬，李特

（國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州310014）

為保證電力系統的安全穩定運行，架空輸電線路在應急狀態下應具備短時過負荷能力，線路運行部門必須根據線路的實際情況確定其短時輸電限額。討論了影響架空輸電線路短時輸電能力的導線、金具、通道環境等各因素，從電流階躍情況下導線溫升計算和線路凈空距離計算二個方面提出了線路短時輸電能力的評估方法，最后應用該方法對一條500 kV架空輸電線路的短時輸電能力進行了評估。

架空線路；輸電能力；過負荷；評估

0 引言

當電力系統運行出現故障時，為保證系統安全穩定運行，需要架空輸電線路具有短時過負荷能力。由于調度部門故障處理時限約為30 min，故通常要求架空輸電線路具備30 min的短時過負荷運行能力。浙江省電力系統運行中確定架空輸電線路長期輸送限額時均要對某線路N-1故障時其他線路輸送容量是否會超過30 min短時輸送限額進行校驗。因此，架空線路的短時過負荷能力對其長期載輸送限額的確定具有重要影響。

合理評估架空輸電線路的短時輸電能力是線路運行部門的一項重要工作，但目前線路設計規范[1]和運行規程[2]都沒有對架空輸電線路短時輸電能力評估方法做出詳細規定，導致該項工作缺乏可靠依據。目前，一般按照線路設計溫度加10℃考慮其短時輸電能力。

架空輸電線路短時過負荷運行會導致導線和金具溫度增高、線路弧垂增大等問題，為了建立較為科學的線路短時輸電能力評估方法，對影響線路短時輸電能力的各因素進行了分析，并以此為基礎建立了架空線路短時輸電能力評估方法。

1 影響因素

1.1 導線

當電流通過導線時，由于導線本身存在電阻，會持續產生熱量，太陽輻照在導線表面時，導線也會吸熱，這些熱量會導致導線升溫。但空氣對流、導線表面向外輻射熱量會導致導線降溫。因此，在線路短時過負荷運行時，導線溫度將隨通流時間、電流大小、環境條件等參數的變化而變化。導線溫度顯然不能夠無限制升高，否則將導致導線熔斷，因而評估線路短時輸電能力首先要確定導線的最高允許溫度。

線路設計規范中規定，鋼芯鋁絞線最高允許溫度通常選70℃，必要時可按80℃考慮[1]。該規程中的線路最高允許溫度是基于線路長期運行的角度考慮的，如果將此作為線路短時最高允許溫度，將導致線路不具備短時過負荷運行能力。

導線在高溫下運行時會緩慢退火、老化，可能使其機械強度發生損失。但導線的強度損失是有積累效應的，線路短時過負荷運行不常發生，因此對導線強度損失幾乎可忽略不計。有調研表明，日本、北美和西歐的鋼芯鋁絞線事故短時最高允許導線溫度均為120℃[3]。綜上所述，導線溫度短時超過設計溫度對其機械強度影響不大。

1.2 金具

在線路運行過程中，線夾因接觸傳導表面累積氧化導致接觸電阻增加，會使溫度進一步上升并落入惡性升溫循環，從而最終發生事故。這也是1979版設計規范把導線允許溫度從90℃下降到70℃的原因。需要指出的是，線夾表面積累氧化是針對長時間連續運行而言的，線路短時過負荷運行的情況并不會經常發生，且每次持續時間不超過30 min，因而對線夾積累氧化的影響不大。

原浙江省電力試驗研究所曾對運行多年的直線接續管和耐張線夾與舊導線組合體進行熱循環和握力試驗，結果表明，同等長度的連接金具溫度低于導線溫度，握力仍符合標準要求[4]。這是因為單位長度金具電阻相對較小，散熱面積相對大。這說明在導線的機械性能沒有嚴重受損的溫度范圍內，架空線路短時過負荷運行所造成的溫升對配套金具的機械性能影響有限。

1.3 通道環境

架空線路溫度升高后，導線張力會下降，導致線路弧垂增大。弧垂增加會引起線路對地及交叉跨越物的距離減小，影響線路的安全運行。因此，必須對線路的凈空距離進行校核。

我國的線路設計規范規定，線路凈空距離并不是按照導線可能達到的最高溫度進行計算，而是按照最高溫度減30℃進行計算，線路大跨越段，按照最高溫度計算凈空距離[1]。線路凈空距離控制值隨線路電壓等級、所處環境、被跨越物類型的變化而變化，詳情列于表1。

表1 高壓架空線路最小凈空距離m

架空線路的各類最小凈空距離的制定依據，是在操作過電壓最小間隙距離加上一定裕量，如果線路下方可能由人員活動或車輛等通過，還需要加上被跨越物的高度。對于架空線路短時過負荷的情況，線路設計規范并沒有明確規定。但是線路設計規范規定，驗算導線最高溫度情況下對被交叉跨越物的間隙距離，按操作過電壓間隙校驗[1]。有研究認為線路短時過負荷運行時的凈空距離校驗可以參照此項規定進行，也即對500 kV，220 kV和110 kV線路分別采用2.5 m，1.45 m和0.7 m加適當裕量（通常為0.5 m）校驗其短時過負荷運行時的凈空距離[5]。

線路通道環境對架空線路的短時過負荷運行能力有較大的影響，需要針對具體線路進行計算和分析。

2 評估方法

本文提出的架空線路短時30 min輸電能力評估方法包含了2個方面的內容，分別是導線在電流階躍情況下的升溫過程計算和導線升溫后的線路凈空距離計算。

2.1 導線動態熱平衡計算

架空線路在電流發生階躍后，導線原有的熱平衡被打破，導線溫度會有一個上升過程，直到達到新的熱平衡為止。導線的動態熱平衡可按下式進行計算[6]：

式中：T為導線溫度；t為時間；qc為導體對流散熱；qr為導體輻射散熱；qs為導體日照吸熱；I為線路載流量；R為考慮了集膚效應、溫度效應后的導線交流電阻值。

為了獲得常用導線的電流階躍溫升特性，選取了LGJ－800/55，LGJ－630/45，LGJ－400/35 3種導線，按照（1）式對給定溫升上限條件下的導線短時通流能力進行了計算，計算結果如表2所示。計算中環境條件分別取夏季和春秋季參數，環境溫度和日照強度見表2，輻照系數和吸收系數均取0.9。導線的短時允許溫度取90℃，電流階躍前導線溫度在40℃～70℃之間變化。

表2 常用導線短時30 min通流能力

從表2的計算結果可見，在相同的環境條件下，導線的起始溫度對導線短時通流能力的影響有限，起始溫度從40℃增大到70℃時，導線的短時通流能力變化不超過8%。與之形成鮮明對比的是環境溫度和日照強度對導線短時通流能力影響很大，同一導線在夏季和春秋季的短時通流能力差別可達到21%以上。

圖1所示為LGJ－630/45導線在夏季環境條件下起始溫度為40℃，當電流階躍至1 265 A時的溫升過程，此時的導線短時允許溫度為90℃。圖2所示為不同短時允許溫度下，LGJ－630/45導線在夏季環境條件下，起始溫度為40℃時的短時通流能力。導線短時通流能力與允許溫度間呈現近似線性變化關系，允許溫度每增加10℃，載流量約增加160 A。可見導線短時允許溫度對其通流能力影響較大，而正如前文的分析，導線短時允許溫度主要取決于通道情況。

圖1 LGJ-630/45導線電流階躍溫升特性

圖2 LGJ-630/45導線短時載流量與允許溫度關系

2.2 線路凈空距離計算

溫度上升之后，導線張力會下降，導致弧垂增加，線路凈空距離減小。導線的短時允許溫度取決于線路的凈空距離是否滿足要求。線路的凈空距離計算涉及到導線性能參數、線路設計參數和通道地形與植被數據。通道地形和植被數據的數據量較大，并且線路投運后其通道內植被情況可能會發生變化，直接使用這些數據進行計算工作量將較大并且也無必要。

圖3所示為2基桿塔間的導線凈空距離示意圖，其中d1和d2分別為線路設計校核溫度下和短時允許溫度下的凈空距離。由于直接求取d2需要用到地形數據和地面植被數據，本文改為計算d1－d2，即導線溫度從設計校核溫度上升到短時允許溫度時的弧垂增量，這一增量僅和導線性能參數和線路設計參數有關。獲得這一弧垂增量后，結合表1中所列的線路設計時的最小凈空距離，就可以判定線路短時過負荷運行時的凈空距離是否滿足操作過電壓間隙的要求。

表3所示為常用鋼芯鋁絞線在70℃，80℃，90℃，100℃下相對于40℃（設計校核溫度）時的弧垂增量最大值計算結果。計算條件：桿塔水平間距400 m；桿塔等高；設計最大風速30 m/s、最大覆冰厚度20 mm；最低溫度－10℃。

圖3 不同校核溫度下的線路最小凈空距離

表3 常用導線弧垂增量最大值 m

計算表明，對于每一特定的導線，溫度每增加10℃，其弧垂近似線性增加，并且導線越粗，弧垂增量越大。對于實際的高壓輸電線路，由于長度較長，其設計參數、導線參數、交叉跨越情況等沿線會發生變化，因而需要沿線逐桿塔進行凈空距離計算。

2.3 線路短時通流能力的確定

輸電線路長期在野外運行，不同時期天氣條件變化較大，在線路載流量計算時通常會假設較為嚴苛的環境條件，但是線路的短時通流能力評估時需要考慮到如下因素：

（1）線路覆冰時環境溫度較低，導線溫度也較低，短時過負荷運行難以達到溫度允許值，因此在凈空距離計算時可不考慮線路覆冰情況。

（2）在有風的情況下，線路載荷會增大，表4所示為某典型線路（該線路參數見下節）在不同的風速條件下，線路的短時允許溫度和短時輸送容量限額計算結果。該計算結果表明風速增大對線路弧垂的影響幾乎可以忽略不計。但與之形成鮮明對比的是，風速增大帶來的散熱效果非常明顯，風速大時導線溫度較低。因而本文中線路短時通流能力評估時選取了較低的風速，其值為0.5 m/s。

圖4所示為線路短時通流能力評估流程，主要是在不同的允許溫度下計算弧垂和短時載流量，取弧垂不超限時的最大載流量值為線路短時輸電容量限額。線路短時載流量計算中，選取起始溫度為導線長期運行允許溫度。

表4 不同風速下的線路短時通流能力

圖4 線路短時通流能力評估流程

3 評估方法的應用

基于以上提出的評估方法，對一條500 kV架空輸電線路的短時通流能力進行評估。該線路全長120 km，全線采用4×LGJ-630/45導線。如圖5所示，該線路所穿越地區為山區，桿塔所在位置最低海拔約50 m，最高海拔約850 m。全線共約270基桿塔，其中耐張塔90基，耐張塔分布如圖4中紅線所示。該線路包含3處大跨越，分別跨越了高速公路、河流和國道。線路交叉跨越500 kV線路1處、220 kV線路3處、110 kV線路3處。

圖5 500kV線路海拔與耐張段分布

該線路設計最大風速30 m/s、最大覆冰厚度20 mm、最低溫度－10℃，設計時凈空距離校核溫度50℃（大跨越除外）。圖6所示為在無風無冰天氣條件下，導線溫度分別為80℃，90℃和100℃時相對50℃時的弧垂增量情況。80℃，90℃和100℃時的線路最大弧垂增量分別為2.14 m，2.84 m，3.53 m，從圖6可見隨著導線溫度的升高，弧垂增量大于2 m的導線段數逐漸增多。

圖6 弧垂增量分布

根據本文提出的評估方法，最終計算得到該線路短時允許溫度為95℃，弧垂越限位置為與一條110 kV架空輸電線路的交叉跨越處。該線路的短時輸送容量限額為5 120 A。

4 結論

（1）線路短時允許溫度主要取決于弧垂增量，導線溫度短時升高對其機械強度影響不大。

（2）環境溫度和日照強度對導線短時通流能力影響較大，而電流階躍前的導線起始溫度對短時通流能力影響相對較小。

（3）風力對線路弧垂影響可忽略不計，但增強導線散熱能力的效果較為顯著，因此線路短時輸電能力評估時應采用較低的風速值。

（4）不同的輸電線路通道環境差異較大，因此需要進行沿線逐級桿塔凈空距離計算，以確定線路短時輸電能力。

[1]GB 50545－2010 110 kV～750 kV架空輸電線路設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2010.

[2]DL/T 741－2010架空線路運行規程[S].北京：中國電力出版社，2010.

[3]竇飛，喬黎偉.架空線路輸電能力綜述[J].江蘇電機工程，2011，30（1）∶81－84.

[4]葉自強.提高220 kV試點線路輸送容量階段性研究報告[R].浙江省電力試驗研究所，2004.

[5]彭向陽，周華敏.架空輸電線路應急狀態下短時過負荷運行的可行性研究[J].廣東電力，2012，25（6）∶24－29.

[6]IEEE Std 738－2006，IEEE standard for calculating the current－temperature of bare overhead conductors[S].2007，IEEE Power Engineering Society.

[7]國家電力公司東北電力設計院.電力工程高壓送電線路設計手冊（第二版）[M].北京：中國電力出版社，2003∶179－185.

（本文編輯：楊勇）

Research on Assessment Method for Short-time Transmission Capability of HV Overhead Transmission Lines

ZHOU Xiangxian，WANG Shaohua，JIANG Yukuan，LI Te
（State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China）

It requires short-time overload capability for overhead transmission lines in emergency condition to guarantee operation safety and stability of power system.Therefore，the operation department of overhead transmission lines must determine the short-time transmission limits according to the actuality of overhead transmission lines.This paper discusses the various factors such as conductors，hardware fittings and corridor environment that influence the short-time transmission capability of overhead transmission lines；moreover，it presents the assessment method for short-time transmission capability in terms of conductor temperature rise calculation in current step and calculation of net distances of overhead transmission lines.In the final，the method is applied to short-time transmission capability assessment of a 500 kV overhead transmission line.

overhead transmission lines；transmission capability；overload；assessment

TM711.1

：B

：1007-1881（2016）04-0001-05

2015-12-14

周象賢（1987），男，工程師，研究方向為輸電線路防雷、輸送容量與電暈。