高压输电线路载流量计算软件的开发

周象贤，蒋愉宽，李 特

（国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310014）

高压输电线路载流量计算软件的开发

周象贤，蒋愉宽，李 特

（国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310014）

载流量校核是输电线路运行部门的一项重要工作，但是随着新型导线的不断涌现，目前采用的查表法已经难以满足载流量校核工作的需要。为了提升载流量校核工作的效率和覆盖面，依据行业内广泛认可的线路载流量计算标准，并结合浙江省实际，开发了针对高压架空输电线路和高压电缆的载流量计算软件。

架空线路；电力电缆；载流量；计算软件；校核

0 引言

高压输电线路可分为架空线路和电力电缆2种，其允许载流量在设计阶段都进行过计算。但是，由于架空线路通道情况、电缆埋设的部分参数需要在施工完成后才能够确定，有些线路在长时间运行后通道条件也会发生变化，并且很多线路的运行允许温度低于设计允许温度，使得线路设计载流量无法直接应用于线路运行管理。因此，线路运行部门必须根据线路的实际情况和运行规程对线路允许载流量进行核算。

线路运行部门通常通过查询导线和电缆标准载流量表的方式进行线路载流量核算。但是，随着新型导线的不断涌现，线路标准载流量表的修订速度往往难以满足生产需求，这就要求线路运行部门必须具备对新型导线和不同敷设条件的电缆载流量进行计算的能力。

目前，可用于线路载流量计算的商业软件不多，并且在边界条件的设置方式上与浙江省的实际情况存在出入，不能直接用于线路载流量校核工作。为了提高线路载流量校核工作的效率和覆盖面，有必要开发适合浙江省实际情况的线路载流量计算软件。

1 计算理论

1.1 输电线路的载流量

输电线路载流量核算包括线路长期允许载流量计算和短时允许载流量计算。长期允许载流量是指在一定的环境条件下，线路发热和散热达到平衡状态、线路导线或电缆导体温度达到允许运行温度时的线路载流量。短时载流量是指在一定的时间内（通常为30 min），导线温度不超过允许值时的线路载流量。理论上，线路短时载流量计算要考虑线路发热与散热的时域动态过程，但是这类动态过程的计算结果通常与线路初始状态关系较大，不利于大规模的工程应用。工程实践中通常以稳态载流量计算方法来计算短时载流量，计算时采用的线路短时运行允许温度高于长期运行允许温度。

由以上分析可见，输电线路载流量核算只涉及线路的稳态热平衡模型，而架空线路和电缆的稳态热平衡模型及其计算标准则有所不同。

1.2 架空线路载流量计算

架空线路载流量计算的主要依据是 IEEE 738标准[1]、IEC 1597技术报告[2]和线路设计规范[3]，相对而言，按IEEE 738标准计算所需输入参数较少，更加符合工程实际，比较适合线路运行单位使用。因此本计算软件以IEEE 738标准为准。架空线路的稳态热平衡模型用下式表示[1]：

式中：qc为导体对流散热；qr为导体辐射散热；qs为导体日照吸热；I为线路载流量；R为考虑了集肤效应、温度效应之后的导线交流电阻值。

对于式（1）中各项的计算，IEEE 738标准中有详细规定，本文不再逐项介绍。应用IEEE 738标准计算架空线路载流量时需要注意如下问题：

（1）导线的集肤效应对交流电阻值有显著影响，IEEE 738标准推荐通过查询国外相关导线手册的方式对集肤效应的影响进行计算。这种计算方法依赖相关手册，因此适用范围有限。本文则应用文献[4]中规定的集肤效应系数来计算集肤效应对导线交流电阻的影响。

（2）对于导体日照吸热项的计算，IEEE 738标准的规定较为复杂，需要使用阳光照射角度等一系列参数。我国的线路载流量计算中通常直接给定了单位表面积导线所接受的日照功率，也即日照强度，因此可直接使用日照强度计算导体日照吸热项。

1.3 电缆载流量计算

相对于架空线路的载流量计算，电缆载流量的计算要复杂得多，这是因为电缆本体含有多种导电和绝缘材料，且敷设形式变化也较多，不同材料和敷设形式的电缆载流量计算需要使用不同的公式。本计算软件的载流量计算主要面向高压电力电缆，这类电缆多为单芯无铠装电缆结构。为避免过于复杂，计算软件的电缆载流量计算对象仅限于不受阳光直接照射的单芯无铠装电缆。

电缆载流量计算依据主要有IEEE 399标准[5]和IEC 60287标准（该标准包含多个部分，本文仅列出了第一部分）[6]，我国的10181标准[7]完全等同于IEC 60287标准。IEEE 399标准中的计算方法较为简单，其主要思路是在标准载流量表的基础上根据电缆的敷设方式和通道内的情况计算修正系数，最终得到电缆的载流量。这种计算方法受标准载流量表的限制，适用范围有限。IEC 60287标准的计算过程较为复杂，但是已成为公认的电力电缆载流量计算标准，因此本计算软件的电缆载流量计算均依据该标准进行。

电缆载流量的计算也是基于热平衡理论进行的，不同点在于电缆载流量的计算中引入了热阻的概念。我国电缆载流量计算中通常会直接给定电缆的接地电流，在此基础上单芯无铠装电缆的热平衡模型可以用下式表示：

式中：Δθ为电缆导体相对环境温度温升；I为电缆导体载流量；R为导体电阻；Wd为电缆介质损耗；Im为金属套电流；Rm为金属套电阻；T1为导体到金属套热阻；T3为外护套热阻；T4为电缆外部热阻。

如果要计及金属套涡流损耗，式（2）中还需要增加对应项。通过求解式（2）就可以得到电缆的允许载流量。

IEC 60287标准详细规定了式（2）中各项参数的计算方法，本文不再赘述。需要注意的问题如下：

（1）高压电力电缆的金属套连接方式通常为单点接地或交叉互联，其金属套电流通常较小，一般在20 A以内。通过计算发现，在该范围内金属套电流的大小对载流量的计算结果影响很小。

（2）对多回电缆集群敷设时的载流量计算，我国工程实践中通常采用单回电缆载流量计算结果并乘以降低因数，降低因数可通过查表获得[8]。因此，除排管敷设方式外，计算软件的电缆载流量计算只针对单回电缆线路。

2 计算软件的开发

2.1 架空线路载流量计算界面

利用C#语言编制的载流量计算软件架空线路载流量计算界面如图1所示。该界面主要包含以下模块：

（1）导线参数：包含了导线外径、分裂数、直流电阻、电阻温度系数、工作温度等。在该计算界面中设置了线路载流量校核工作中常用的耐热导线、站内引线和静态增容线路的工作温度边界条件，选中这些选项，程序会自动载入对应的边界条件。

（2）环境参数：包含了海拔、风速、日照、环境温度等。该模块内置了线路载流量校核中使用的夏季和春秋季2种环境边界条件，使用时可直接载入这些边界条件。

（3）导线结构：在计算界面右上角的绘图区直观展示导线结构，便于检查输入参数是否正确。

（4）计算结果：计算界面设置了导线长期和短时允许载流量显示，在软件输出的计算报告中还有更加全面的计算参数、过程和结果。

图1 架空线路载流量计算界面

2.2 电缆载流量计算界面

利用C#语言编制的载流量计算软件电缆载流量计算界面如图2所示。该界面主要包含如下模块：

图2 电缆载流量计算界面

（1）电缆材料信息：包含了导体材料、绝缘材料、金属套材料、外护层材料的信息。该模块内置了IEC 60287标准中给出的常用材料类型，另外考虑到出现特殊材料的情况，该模块允许使用者直接输入导体直流电阻值、绝缘材料电气参数和外护层热阻系数。

（2）电缆尺寸信息：包含了电缆从导体到外护层各层的尺寸信息，对于皱纹金属套，还包含了金属套的平均直径。

（3）电缆敷设信息：该模块针对土壤直埋、电缆沟、排管等不同敷设方式有不同的参数输入要求。主要包含电缆排列方式和间距、埋设深度、土壤和排管材料热阻系数等信息。

（4）结构展示：在界面右侧的绘图区能够根据输入参数绘制出电缆结构图和敷设方式图，便于直观检查输入参数是否正确。

（5）计算结果输出：计算界面可显示电缆长期允许载流量，计算软件还能够输出详细的电缆载流量计算报告。

3 计算结果验证

3.1 架空线路计算结果验证

为了验证架空线路载流量计算结果的正确性，本文与IEEE 738标准中的稳态载流量计算示例进行了对比。载流量计算所需要的导线和环境参数见表1[1]，与IEEE 738标准的计算结果对比见表2。由表2可见，计算软件与IEEE 738标准的各项计算结果非常接近，最终的载流量计算结果相对误差在0.4%以内，从而验证了计算软件中架空线路载流量计算结果的正确性。

表1 架空线路载流量计算输入参数

表2 架空线路载流量计算结果

3.2 电缆计算结果验证

为了验证电缆载流量计算结果的正确性，本文与文献[9]中NA2×S2Y1×150 RM/2型电缆的载流量计算示例进行了对比。载流量计算所需要的电缆参数和敷设信息见表3[9]，与文献[9]的计算结果对比见表4，可见两者各项计算结果都较为接近。计算软件与文献[9]计算得到的载流量相对误差为2.1%，考虑到文献[9]中的载流量计算方法与IEC 60287标准并不完全一致，这一计算误差是可以接受的，从而验证了计算软件中电缆载流量计算结果的正确性。

表3 电缆载流量计算输入参数

4 结语

（1）本文讨论和比较了架空线路和电缆载流量的各种计算标准，提出了应用这些计算标准时需要注意的问题。

（2）开发了架空线路和电缆的载流量计算软件，通过与其他文献的对比，验证了软件计算结果的正确性。该软件内置了载流量核算的常用边界条件，有利于提高载流量核算的工作效率。

（3）除了计算方法外，准确、详细的导线和电缆参数也是载流量核算的基础，线路运行部门必须及时掌握这些信息。

表4 电缆载流量计算结果

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

[2]IEC Technical Report 1597，Overhead electrical conductors-calculation methods for standard bare conductors[R]. IEC，1995.

[3]GB 50545-2010 110 kV～750 kV架空输电线路设计规范[S].北京：中国计划出版社，2010.

[4]水利电力部西北电力设计院.电力工程电气设计手册：电气一次部分[M].北京：中国电力出版社，1989.

[5]IEEE Std 399-1997，IEEE recommended practice for industrial and commercial power systems analysis[S].IEEE Industry Applications Society，1997.

[6]IEC 60287-1-1，Electric cables-calculation of the current rating Part 1-1∶current rating equations（100%load factor）and calculation of losses-general[S].IEC，2014.

[7]JB/T 10181.1-2000电缆载流量计算 第11部分：载流量公式（100%负荷因数）和损耗计算一般规定[S].北京：机械工业出版社，2014.

[8]马国栋.电线电缆载流量（第二版）[M].北京：中国电力出版社，2013.

[9]海因豪尔德，著.门汉文，崔国璋，王刚，译.电力电缆及电线[M].北京：中国电力出版社，2001.

（本文编辑：龚 皓）

Development of Software for Ampacity Calculation of High Voltage Transmission Lines

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

It is important for transmission line operation department to check the ampacity.However，with the increase of emerging conductor types，the existing table look-up method can no longer meet the requirement of ampacity check.To improve the efficiency and coverage of transmission line ampacity check，software for ampacity calculation of high voltage overhead transmission lines and high voltage cables is developed，which is based on the widely recognized ampacity calculation standards and practical situation of Zhejiang province.

overhead lines；power cable；ampacity；calculation software；check

TM744+.2+TP311.52

B

1007-1881（2015）08-0009-04

2015-03-18

周象贤（1987），男，工程师，研究方向为输电线路防雷与电晕。