關(guān)于架空輸電線路載流量計(jì)算方法的分析及改進(jìn)

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

0 引 言

隨著中國電力需求快速增長(zhǎng)，電力短缺成為制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸。由于新建線路受到建設(shè)周期、資金和線路走廊及環(huán)境等因素制約，因此在原有線路基礎(chǔ)上提高正常輸送容量對(duì)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(jì)算普遍基于Morgan公式[1]，該公式在計(jì)算載流量時(shí)，對(duì)某些因素考慮過于保守，與架空輸電線實(shí)際環(huán)境存在一定偏差，導(dǎo)致計(jì)算得到的載流量也過于保守。國內(nèi)學(xué)者雖然對(duì)提高載流量的可行性方面[2-3]以及在載流量計(jì)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(jì)算[5]，但是對(duì)架空輸電線實(shí)際環(huán)境的計(jì)算方法研究很少。下面針對(duì)架空輸電線載流量計(jì)算方法中的輸電線表面輻射散熱的計(jì)算方法進(jìn)行了修正，修正后的計(jì)算方法更加接近架空輸電線所處的實(shí)際環(huán)境，并在此基礎(chǔ)上，研究了環(huán)境溫度及風(fēng)速對(duì)架空輸電線載流量的影響。

1 輸電線路載流量計(jì)算方法

中國輸電線路穩(wěn)態(tài)載流量計(jì)算方法與國際電工委員會(huì)(International Electro-technical Commission，IEC)載流量計(jì)算方法相同，繼承了IEC 1597計(jì)算方法，采用以下Morgan公式進(jìn)行穩(wěn)態(tài)載流量計(jì)算[1]：

(1)

式中：I為導(dǎo)線穩(wěn)態(tài)載流量；Wr為單位長(zhǎng)度導(dǎo)線表面輻射散熱功率；Wf為單位長(zhǎng)度導(dǎo)線表面對(duì)流散熱功率；Ws為單位長(zhǎng)度導(dǎo)線表面日照吸熱功率；R為導(dǎo)體單位長(zhǎng)度交流電阻。

輻射散熱功率計(jì)算公式[1]為

Wr=πDεσ[(θ+θa+273)4-(θa+273)4]

(2)

式中：D為導(dǎo)線外徑；ε為導(dǎo)線表面輻射系數(shù)，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(dǎo)線表面溫升；θa為環(huán)境溫度。

對(duì)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(dǎo)線表面對(duì)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(qiáng)度，晴天無云時(shí)取1000 W/m2。

將式(2)至式(6)代入式(1)得目前普遍采用的穩(wěn)態(tài)載流量計(jì)算公式：

I=

(7)

2 載流量計(jì)算方法分析與改進(jìn)

在上述穩(wěn)態(tài)載流量計(jì)算中，式(2)是計(jì)算的導(dǎo)線表面對(duì)一個(gè)溫度為(θa+273)的黑體環(huán)境的輻射散熱量。實(shí)際上，架空輸電線是在一個(gè)半開放的空間中，該空間的一半是地面環(huán)境，另外一半邊界是空中的環(huán)境，因此，關(guān)于輸電線表面輻射散熱的計(jì)算公式(2)與實(shí)際輸電線所處環(huán)境不同。由于有一半表面對(duì)空氣輻射散熱，而空氣對(duì)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(jì)算結(jié)果比實(shí)際輸電線表面輻射散熱量偏低。采用式(2)計(jì)算得到的輸電線載流量過于保守，浪費(fèi)了輸電線路資源。

考慮到上述因素，對(duì)輸電線表面輻射散熱計(jì)算公式進(jìn)行了修正：

(8)

即

(9)

修正后的穩(wěn)態(tài)載流量計(jì)算公式為

I=

(10)

3 載流量及其影響因素分析

下面采用改進(jìn)后的載流量計(jì)算公式對(duì)穩(wěn)態(tài)載流量進(jìn)行計(jì)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(shí)單位長(zhǎng)度導(dǎo)線的直流電阻；θc為導(dǎo)線溫度，θc=θa+θ。

以300/25鋼芯鋁絞線為例，導(dǎo)體直徑為23.76 mm，直流電阻取0.094 33 Ω/km，垂直導(dǎo)線方向風(fēng)速為0.5 m/s，對(duì)太陽輻射的吸收率取0.925，發(fā)射率取0.925，環(huán)境溫度取25 ℃，地球表面日照強(qiáng)度取1000 W/m2。

架空輸電線載流量與導(dǎo)線溫度的關(guān)系如圖1所示。在圖1中，實(shí)線代表采用修正后的載流量計(jì)算公式給出的結(jié)果，即式(10)給出的計(jì)算結(jié)果；虛線代表未修正的載流量式(7)計(jì)算給出的結(jié)果。從圖1中對(duì)比可見，修正了計(jì)算得到的載流量高于未修正的結(jié)果，可見目前采用的載流量計(jì)算公式過于保守，在維持輸電線允許溫度的情況下，實(shí)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(dǎo)線溫度的關(guān)系

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

不同導(dǎo)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(dǎo)線運(yùn)行溫度的提高，提高載流量的潛力降低。如果導(dǎo)線最高運(yùn)行溫度為70 ℃，載流量就可以提高14%，這一結(jié)果與文獻(xiàn)[5]記載的數(shù)據(jù)相符。

圖2 不同導(dǎo)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(huán)境溫度的關(guān)系

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

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

圖4 架空輸電線載流量與風(fēng)速的關(guān)系

4 結(jié) 論

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