采用國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估軟導(dǎo)體載流量的對(duì)比分析

程壯 王乙斐 簡(jiǎn)巍

摘要：通過(guò)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(guó)際通用的導(dǎo)體載流量計(jì)算方法，與國(guó)內(nèi)常規(guī)評(píng)估方法進(jìn)行對(duì)比分析，理清各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)、手冊(cè)中關(guān)于導(dǎo)體載流量計(jì)算的差異，便于工程設(shè)計(jì)人員對(duì)IEEE、IEC等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的理解和運(yùn)用。

關(guān)鍵詞：載流量;導(dǎo)體;國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn);比較

1、引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)提出的“一帶一路”的倡議，許多國(guó)內(nèi)的電力設(shè)計(jì)院和電力建設(shè)公司走出國(guó)門(mén)，參與到國(guó)外輸變電工程的設(shè)計(jì)和建設(shè)中。了解和掌握外方普遍接受的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，并認(rèn)清與國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)和常規(guī)計(jì)算方法的差異，對(duì)于取得外方業(yè)主及國(guó)際監(jiān)理的理解和認(rèn)可，推動(dòng)涉外工程的順利進(jìn)展，具有重要的意義。

在輸變電工程中，架空導(dǎo)線、設(shè)備連接線等軟導(dǎo)體的允許載流量計(jì)算是一項(xiàng)基本的電氣計(jì)算。由于國(guó)內(nèi)外的評(píng)估方法有一定的差異，且不同國(guó)家采用的導(dǎo)體規(guī)格和標(biāo)準(zhǔn)不同，而國(guó)外監(jiān)理工程師或業(yè)主工程師常常需要設(shè)計(jì)人員提供相關(guān)的計(jì)算報(bào)告，因此需要對(duì)國(guó)際通用的IEC、IEEE等載流量計(jì)算方法進(jìn)行研究和分析。

2、國(guó)內(nèi)軟導(dǎo)體載流量的評(píng)估方法

國(guó)內(nèi)對(duì)于輸變電工程的軟導(dǎo)體的載流量，在工程設(shè)計(jì)上一般采用查表法，然后根據(jù)特定的外部環(huán)境條件進(jìn)行修正。文獻(xiàn)[5]的附錄D、文獻(xiàn)[6]的附錄B、附錄C以及文獻(xiàn)[7]P410～P413的表8-3～表8-5均提供了常規(guī)導(dǎo)體的長(zhǎng)期允許載流量表，以及不同海拔高度、環(huán)境溫度下的校正系數(shù)。

采用查表法簡(jiǎn)單快捷，其精確度滿足國(guó)內(nèi)工程的實(shí)際應(yīng)用需要，得到了廣泛的應(yīng)用。此外，除了采用查表法，文獻(xiàn)[7]?P439～P442 “附錄8-2”一章還提供了一種精確的計(jì)算方法，該算法與國(guó)際大電網(wǎng)組織（CIGRE）發(fā)布的技術(shù)手冊(cè)（Technical Brochure）207基本類似，詳見(jiàn)下一章詳細(xì)計(jì)算說(shuō)明。

3、國(guó)外軟導(dǎo)體載流量的計(jì)算方法

國(guó)外應(yīng)用比較廣泛的標(biāo)準(zhǔn)或技術(shù)手冊(cè)有IEEE?Std 738（IEEEE標(biāo)準(zhǔn)）、IEC TR3 61597（IEC3型技術(shù)報(bào)告）和CIGRE TB 207（國(guó)際大電網(wǎng)技術(shù)手冊(cè)）這三種。

以上這三種標(biāo)準(zhǔn)或手冊(cè)提供的計(jì)算方法，對(duì)于導(dǎo)載流量的總體計(jì)算思路基本相同，均采用熱穩(wěn)態(tài)平衡計(jì)算方法（Steady-state Thermal Rating Calculation），主要依據(jù)是熱量守恒。三種標(biāo)準(zhǔn)或手冊(cè)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(yīng)（焦耳效應(yīng)），，，均表示日照熱效應(yīng);，，均表示對(duì)流散熱，，，均表示輻射散熱;而，，則分別表示電磁熱效應(yīng)、電暈熱效應(yīng)和蒸發(fā)散熱，在計(jì)算載流量時(shí)都可不作考慮，取值為0。

因此通過(guò)對(duì)比分析可以看出，實(shí)質(zhì)上這三項(xiàng)等式的含義都是吸熱與散熱平衡，即“輻射散熱功率”+“對(duì)流散熱功率”=“電流熱效應(yīng)”+“日照吸熱功率”。

在已知等式其他項(xiàng)的條件下，可以推導(dǎo)出穩(wěn)態(tài)電流：。

下面通過(guò)進(jìn)一步研究，分別通過(guò)比較“輻射散熱功率”、“對(duì)流散熱功率”、和“日照吸熱功率”，發(fā)現(xiàn)這三項(xiàng)計(jì)算方法（IEEE Std 738/?IEC TR3 61597/ CIGRE TB 207）的主要差別在于“對(duì)流散熱功率”的計(jì)算公式有差異，而三者對(duì)于“輻射散熱功率”、“日照吸熱功率”以及“電流熱效應(yīng)”的計(jì)算公式基本相同。

3.1?輻射散熱功率的計(jì)算

上述三種理論計(jì)算方法，對(duì)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(shù);

為導(dǎo)體外徑;

、分別表示導(dǎo)體表面溫度和環(huán)境溫度;

為輻射散熱系數(shù)，取值在0.23～0.95之間，一般計(jì)算時(shí)取0.5。

3.2?對(duì)流散熱功率的計(jì)算

上述三種理論計(jì)算方法，對(duì)于對(duì)流散熱功率的計(jì)算公式均不相同。

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

公式涉及的變量較多、較為復(fù)雜，這里便不再一一列出，詳見(jiàn)文獻(xiàn)[1]、文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]。通過(guò)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(shù)的指數(shù)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(méi)有提供海拔高度的校正，也不適合計(jì)算無(wú)風(fēng)時(shí)的載流量。

3.3 日照吸熱功率的計(jì)算

上述三種計(jì)算方法對(duì)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(shù)，取值在0.23～0.95之間，一般計(jì)算取0.5;

為日照強(qiáng)度;

為導(dǎo)體外徑。

IEEE?Std?738標(biāo)準(zhǔn)在該基本公式的基礎(chǔ)上，還考慮了日照時(shí)刻、緯度、太陽(yáng)光的方位角、海拔高度等因素。而作為初步的導(dǎo)體載流量計(jì)算選型，可以假定以給定的最大日照輻射強(qiáng)度計(jì)算。

3.4?電流熱效應(yīng)的計(jì)算

電流熱效應(yīng)的基本公式為：

其中，為給定導(dǎo)體溫度下的交流電阻，計(jì)算方法有很多，基本原理在導(dǎo)體直流電阻的基礎(chǔ)上，考慮集膚效應(yīng)、鄰近效應(yīng)及鋼芯的磁滯、渦流損耗等因素，對(duì)于不同結(jié)構(gòu)的導(dǎo)體，所得到的交、直流電阻比k都不相同，其相關(guān)簡(jiǎn)化計(jì)算方法參考文獻(xiàn)[4]有相關(guān)的分析。

4、對(duì)比分析

下面以國(guó)內(nèi)某一種常規(guī)的鋼芯鋁絞線（LGJ-400/35型），分別采用以上這幾項(xiàng)評(píng)估方法，得出其長(zhǎng)期允許載流量，并將結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析：

（1）假設(shè)外部環(huán)境條件為：環(huán)境溫度25℃，導(dǎo)體最高溫度80℃，海拔1000m，風(fēng)速0.5m/s，日照0.1W/cm²，輻射和吸熱系數(shù)均取0.5，計(jì)算結(jié)果如下：

（2）假設(shè)外部環(huán)境條件為：環(huán)境溫度40℃，導(dǎo)體最高溫度80℃，海拔3000m，風(fēng)速0.5m/s，日照0.1W/cm²，輻射和吸熱系數(shù)均取0.5，計(jì)算結(jié)果如下：

通過(guò)計(jì)算結(jié)果的比較分析，在不同的環(huán)境條件下，通過(guò)這幾項(xiàng)不同的理論計(jì)算方法所得出的結(jié)果差異不大，都可以應(yīng)用于工程實(shí)際。

5、結(jié)語(yǔ)

（1）采用國(guó)內(nèi)、外標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估軟導(dǎo)體載流量的結(jié)果差異不大，在常規(guī)情況下，都可以作為工程應(yīng)用的依據(jù)。

（2）采用國(guó)外IEEE、IEC或CIGRE等標(biāo)準(zhǔn)或手冊(cè)得出的軟導(dǎo)體載流量，計(jì)算過(guò)程稍顯復(fù)雜，但可以針對(duì)非國(guó)內(nèi)常規(guī)型號(hào)的導(dǎo)體，而且可以輸入不同的日照強(qiáng)度、風(fēng)速等環(huán)境因素，計(jì)算過(guò)程詳細(xì)，有利于獲得涉外工程外方監(jiān)理或業(yè)主工程師的認(rèn)可和審批。

（3）在目前涉外工程日益增多的背景下，通過(guò)對(duì)比分析國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)的異同，可以加深工程設(shè)計(jì)人員對(duì)專業(yè)基本理論的理解，有助于提高設(shè)計(jì)能力和設(shè)計(jì)水平。

6、參考文獻(xiàn)

[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(jì)算》，《電線電纜》 1988年06期[J]

[5] DL/T 5222-2005，《導(dǎo)體和電器選擇設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》[S]

[6] SL 311-2004，《水利水電工程高壓配電裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》[S]

[7]《電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊(cè) 電氣一次部分》，中國(guó)電力出版社[M]

作者簡(jiǎn)介：

程壯（1988），男，本科，工程師，主要從事輸變電工程的設(shè)計(jì)和研究工作。

王乙斐（1990），女，碩士，工程師，主要從事變電站的設(shè)計(jì)和研究工作。

簡(jiǎn)巍（1986），男，本科，工程師，主要從事架空輸電線路的設(shè)計(jì)和研究工作。