架空导线允许短时过负荷时间和载流量计算模型研究

夏云峰， 郑 秋， 黄国飞， 党 朋， 刘 斌

（1.广东电网公司东莞供电局，广东东莞523008；2.上海电缆研究所，上海200093）

架空导线允许短时过负荷时间和载流量计算模型研究

夏云峰1， 郑 秋2， 黄国飞2， 党 朋2， 刘 斌2

（1.广东电网公司东莞供电局，广东东莞523008；2.上海电缆研究所，上海200093）

利用导线短时过负荷条件下的动态热平衡方程，在对导线增加电流负荷后，计算导线最高允许温度对应的允许过负荷时间，并以广东地区夏季典型气象条件为例，对比分析了不同规格的钢芯铝绞线（ACSR）最高允许温度、允许过负荷时间、载流量增量之间的规律。

架空导线；短时过负荷；载流量；动态增容技术

0 引 言

目前，负荷高峰期结构性限电问题日益严重，且限电规模越来越大，使得架空线路设备利用率很低，在用电高峰及部分线路故障等情况下，问题更加突显。按照电网稳定控制原则，架空线路的输送容量按“N-1”或“N-2”进行控制，正常运行情况下，架空线路的电流远小于其长期允许载流量，即便发生“N-1”或“N-2”情况，非故障架空线路仍可继续在不超过其热稳定极限（长期允许载流量）情况下，安全地承担故障线路的输电负荷。但在正常运行情况下，线路没有充分发挥其输送能力，预留裕度非常大，设备利用率很低。因此，如何在现有输电线路的基础上提高输送能力成为迫切需要解决的问题。

国内普遍采用静态增容技术［1］来提高输电线路输送能力：通过研究导线温度提高后导线、配套金具的机械强度和寿命，以及引起导线弧垂的增量仍能满足线路安全运行的前提下，提高导线的最高允许运行温度，如在短距离线路上采用大截面耐热导线；或者采用特高压输电技术、柔性交流输电技术、动态无功补偿技术等，或改进线路设计，如采用同杆多回和紧凑型输电技术来提高输电线路的载流能力［2-3］。另外，还可以通过实时监测导线温度、环境温度、风速等参量，计算在当前环境条件下导线实际允许的输电能力，从而可以根据线路实际运行情况适时提高输电载流量，即为动态增容技术。当前，国内动态增容技术已走向实用化阶段，已有越来越多的动态增容系统在提高线路载流量方面起到了实际效果［4-8］。

事实上，通过分析电网每年的负荷特点，负荷高峰期一般出现在每年7～8月特定时间段，结合多年对线路发生永久故障的统计数据考虑，发现在夏季负荷高峰期内发生线路永久故障的概率极低。本文根据广东地区夏季的环境状态、风速、日照强度、环境温度，选择典型的导线型号，设定导线可达到的最高温度（如运行温度达到90～100℃），运用导线动态热平衡方程，计算导线可能的过负荷时间，为实际线路的运行提供参考。

1 导线的运行状态

1.1 导线长期运行状态的静态热平衡

导线的载流量与导线的结构尺寸、表面状况、直流电阻、最大允许温升、日照强度、环境温度和风速等因素有关。根据热力学中热平衡的原理，当导体在产生焦耳热、日照吸热与散热最终达到平衡时，存在式（1）：

式中：Pj·t为焦耳效应产生的热（J）；Psol·t为日照吸热（J）；Prad·t为辐射散热（J）；Pconv·t为对流散热（J）。

（1）焦耳效应

功率损耗Pj·t（J）由焦耳效应产生，即为单位长度导体热损耗，其中，Pj按式（2）计算：

式中：RT为在温度T时的导体电阻（Ω）；I为导体电流（A）。

（2）日照吸热

单位长度导体吸收太阳辐射热Psol·t（J/m），其中Psol按式（3）计算：

式中：γ为导线表面的吸热系数，光亮导线γ取0.23～0.46，发黑导线γ取0.9～0.95；D为导线直径（mm）；Si为日照强度（W/m2）。

（3）辐射散热

单位长度导线表面向周围空间辐射的热损耗Prad·t（J），其中Prad按式（4）计算：

式中：S为Stefan-Boltzmann常数，S=5.67×10-8（W·m-2·K-4）；Ke为导线表面的辐射系数；Tc为导线的最终平衡温度（K）；T0为环境温度（K）。

（4）对流散热

单位长度导线因自然风强迫对流而向周围空间散发的热损耗Pconv·t（J），其中Pconv按式（5）计算：

式中：λ为与导体接触的空气膜的热导率，取值0.02585［W/（m·K）］；Nu为Nusselt数，由式（6）计算：

式中，Re为雷诺（Reynolds）数，由式（7）给出：

式中，V为风速（m/s）。

（5）载流量

将式（2）～式（5）代入式（1）则可得到载流量公式为：

1.2 导线短时过负荷状态的动态热平衡

当系统处于N-1状态时，非故障相电流会明显增加，根据运行条件的要求和导线特性，线路可短时间超热稳定极限运行。此时，可根据实际气象条件和运行电流来预测导体温度，计算导线温度不超过限额的时间。当输电线路增加输送载流时，导线的电流从Ic0到Ict是瞬间的过程，电流的变化破坏了导线原本的热平衡，导线温度升高，相应的对流散热和辐射散热也随之发生变化，而导线的温度的升高则呈现惯性变化的特点［1］。导线在未达到最终温度Tct前，其吸收的热量大于耗损的热量，剩余热量用于导线升温；到临近最终温度Tct时，导线耗损热量越来越接近吸收的热量，用于导线升温的热量也已很少，升温也越来越慢。为了研究输电线路在应急情况（如发生“N-1”或“N-2”情况）下导线的传输能力，建立导线在短时过负荷条件下的动态热平衡。当对导线增加电流负荷时，根据热平衡原理有［2-8］：

式中：I2RT为单位长度导线热损耗（W/m）；C为导线热容（J/（m·K））；αh为导线表面散热系数（J/（m2·K））；Tct为增加电流负荷t时间的导线温度（K）；Tc0为t=0时的导线温度（K）；T0为环境温度（K）；A=πD为单位长度导线表面散热面积（m2）。求得动态热平衡方程：

2 导线运行过负荷时间的计算

根据广东地区夏季的典型气象条件，取风速V=0.5 m/s、日照强度Si=1000 W/m2、环境温度T0=40℃，导线表面的辐射系数Ke=0.9，导线表面的吸热系数γ=0.9；选择JL/G1A-240/30、JL/ G1A-400/35、JL/G1A-630/45三种典型规格的钢芯铝绞线（见表1），设定导线温度从Tc0为60℃、70℃分别升温到Tct为80℃、90℃、100℃，计算导线可能的过负荷时间，见表2和图1。

表1 三种规格钢芯铝绞线的技术参数

表2 三种规格钢芯铝绞线允许的过负荷时间计算值

从表2可看出，对三种典型规格的钢芯铝绞线增加输送电流，导线温度从Tc0为60℃、70℃分别升温到Tct为80℃、90℃、100℃，运用动态热平衡方程计算导线允许的过负荷时间，以及加载电流负荷前后导线载流量增量，结合图1可以看出：

（1）对于不同规格的导线，增加电流负荷前导线温度Tc0与设定增加电流负荷后导线允许温度Tct相差越大，对应的导线允许的过负荷时间越长，载流量增量也越大。

（2）对于不同规格的导线，增加电流负荷前导线温度Tc0相同时，设定增加电流负荷后导线允许温度Tct越高，对应的导线允许的过负荷时间不一定越长。如图1a中钢芯铝绞线JL/G1A-240/30增加电流负荷后导线允许温度Tct=90℃时，对应的允许过负荷时间最长；如图1b、1c中钢芯铝绞线JL/ G1A-400/35和JL/G1A-630/45增加电流负荷后导线允许温度Tct=100℃时，对应的允许过负荷时间最长。

（3）对于不同规格的导线，增加电流负荷前导线温度Tc0和设定增加电流负荷后导线允许温度Tct均相同时，导线截面越大，导线允许过负荷时间也越长，也越有利于输电线路运维人员制定最佳的调度方案。

3 结束语

利用动态增容技术和动态热平衡方程，根据气象条件来选择环境参数，设定增加的电流负荷，提高导线的运行温度，建立导线允许过负荷时间计算模型，可为输电线路运行维护人员提供更多直观的、适时的运行数据，便于输电线路的管理维护，系统的输电负荷能力也可以得到有效利用。同时，还可以通过实时监测导线温度、环境温度、风速和日照强度等因素，调整输送载流量，调度人员可随时掌握线路运行情况，利用导线允许过负荷时间计算模型，为制定调度方案提供依据，最大限度发挥线路的输送能力。然而，由于弧垂、导线强度、导线接头温度、导线配套金具等因素制约，线路不可能无限制增容。为保证线路的安全温度运行，在提高线路运行电流的同时，除导线温度外，有必要同时对导线弧垂和导线应力等关键参数进行监测，用来计算线路载流量，更加安全有效地实现线路的动态增容。

图1 导线温度Tct与允许过负荷时间t的关系

［1］ 张 辉，韩学山，王艳玲.架空输电线路运行载流量分析［J］.电网技术，2008，32（14）：31-35.

［2］ 黄新波，孙钦东，程荣贵，等.输电线路动态增容系统的设计［J］.微计算机信息，2008，24（2/3）：17-19.

［3］ 马国栋.电线电缆输送载流量［M］.北京：中国电力出版社，2003.

［4］ 张启平，钱之银.输电线路增容技术［M］.北京：中国电力出版社，2009.

［5］ 张启平，钱之银.输电线路实时动态增容的可行性研究［J］.电网技术，2005，33（7）：1-4.

［6］ 黄新波，孙钦东，张冠军，等.输电线路实时增容技术的理论计算与应用研究［J］.高电压技术，2008，34（6）：1138-1144.

［7］ STEPHEN D F，LIN Sheng-hui.Dynamic thermal line ratings partⅠdynamic ampacity rating algorithm［J］.IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems，1983，102（6）：1858-1864.

［8］ BLACKW Z，BYRD W R.Real-time ampacity model for overhead lines［J］.IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems，1983，102（7）：2289-2293.

The Calculation M odel of Allowable Short-Term Current Overload Time and Am pacity of Overhead Conductors

XIA Yun-feng1，ZHENG Qiu2，HUANG Guo-fei2，DANG Peng2，LIU Bin2
（1.Guangdong Power Grid Corporation Dongguan Power Supply Bureau，Dongguan 523008，China；2.Shanghai Electric Cable Research Institute，Shanghai200093，China）

The dynamic thermal equilibrium equation was applied in the condition of short-term current overload of overhead conductors.Themaximum allowable overload time corresponding to the maximum allowable temperature of conductors were computed，after increasing the current load.The laws between themaximum allowable temperature，maximum allowable overload time and ampacity incrementwere analyzed，comparing different specifications of ACSR in the summer typicalweather conditions of Guangdong Province as an example.

overhead conductor；short-term current overload；ampacity；dynamic ampacity augment technology

TM244.2

A

1672-6901（2014）05-0035-04

2013-12-04

夏云峰（1982-），男，博士，工程师.

作者地址：广东东莞市东城路239号［523008］.