高压架空输电线路短时输电能力评估方法研究

周象贤，王少华，蒋愉宽，李特

（国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州310014）

输配电技术

高压架空输电线路短时输电能力评估方法研究

周象贤，王少华，蒋愉宽，李特

（国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州310014）

为保证电力系统的安全稳定运行，架空输电线路在应急状态下应具备短时过负荷能力，线路运行部门必须根据线路的实际情况确定其短时输电限额。讨论了影响架空输电线路短时输电能力的导线、金具、通道环境等各因素，从电流阶跃情况下导线温升计算和线路净空距离计算二个方面提出了线路短时输电能力的评估方法，最后应用该方法对一条500 kV架空输电线路的短时输电能力进行了评估。

架空线路；输电能力；过负荷；评估

0 引言

当电力系统运行出现故障时，为保证系统安全稳定运行，需要架空输电线路具有短时过负荷能力。由于调度部门故障处理时限约为30 min，故通常要求架空输电线路具备30 min的短时过负荷运行能力。浙江省电力系统运行中确定架空输电线路长期输送限额时均要对某线路N-1故障时其他线路输送容量是否会超过30 min短时输送限额进行校验。因此，架空线路的短时过负荷能力对其长期载输送限额的确定具有重要影响。

合理评估架空输电线路的短时输电能力是线路运行部门的一项重要工作，但目前线路设计规范[1]和运行规程[2]都没有对架空输电线路短时输电能力评估方法做出详细规定，导致该项工作缺乏可靠依据。目前，一般按照线路设计温度加10℃考虑其短时输电能力。

架空输电线路短时过负荷运行会导致导线和金具温度增高、线路弧垂增大等问题，为了建立较为科学的线路短时输电能力评估方法，对影响线路短时输电能力的各因素进行了分析，并以此为基础建立了架空线路短时输电能力评估方法。

1 影响因素

1.1 导线

当电流通过导线时，由于导线本身存在电阻，会持续产生热量，太阳辐照在导线表面时，导线也会吸热，这些热量会导致导线升温。但空气对流、导线表面向外辐射热量会导致导线降温。因此，在线路短时过负荷运行时，导线温度将随通流时间、电流大小、环境条件等参数的变化而变化。导线温度显然不能够无限制升高，否则将导致导线熔断，因而评估线路短时输电能力首先要确定导线的最高允许温度。

线路设计规范中规定，钢芯铝绞线最高允许温度通常选70℃，必要时可按80℃考虑[1]。该规程中的线路最高允许温度是基于线路长期运行的角度考虑的，如果将此作为线路短时最高允许温度，将导致线路不具备短时过负荷运行能力。

导线在高温下运行时会缓慢退火、老化，可能使其机械强度发生损失。但导线的强度损失是有积累效应的，线路短时过负荷运行不常发生，因此对导线强度损失几乎可忽略不计。有调研表明，日本、北美和西欧的钢芯铝绞线事故短时最高允许导线温度均为120℃[3]。综上所述，导线温度短时超过设计温度对其机械强度影响不大。

1.2 金具

在线路运行过程中，线夹因接触传导表面累积氧化导致接触电阻增加，会使温度进一步上升并落入恶性升温循环，从而最终发生事故。这也是1979版设计规范把导线允许温度从90℃下降到70℃的原因。需要指出的是，线夹表面积累氧化是针对长时间连续运行而言的，线路短时过负荷运行的情况并不会经常发生，且每次持续时间不超过30 min，因而对线夹积累氧化的影响不大。

原浙江省电力试验研究所曾对运行多年的直线接续管和耐张线夹与旧导线组合体进行热循环和握力试验，结果表明，同等长度的连接金具温度低于导线温度，握力仍符合标准要求[4]。这是因为单位长度金具电阻相对较小，散热面积相对大。这说明在导线的机械性能没有严重受损的温度范围内，架空线路短时过负荷运行所造成的温升对配套金具的机械性能影响有限。

1.3 通道环境

架空线路温度升高后，导线张力会下降，导致线路弧垂增大。弧垂增加会引起线路对地及交叉跨越物的距离减小，影响线路的安全运行。因此，必须对线路的净空距离进行校核。

我国的线路设计规范规定，线路净空距离并不是按照导线可能达到的最高温度进行计算，而是按照最高温度减30℃进行计算，线路大跨越段，按照最高温度计算净空距离[1]。线路净空距离控制值随线路电压等级、所处环境、被跨越物类型的变化而变化，详情列于表1。

表1 高压架空线路最小净空距离m

架空线路的各类最小净空距离的制定依据，是在操作过电压最小间隙距离加上一定裕量，如果线路下方可能由人员活动或车辆等通过，还需要加上被跨越物的高度。对于架空线路短时过负荷的情况，线路设计规范并没有明确规定。但是线路设计规范规定，验算导线最高温度情况下对被交叉跨越物的间隙距离，按操作过电压间隙校验[1]。有研究认为线路短时过负荷运行时的净空距离校验可以参照此项规定进行，也即对500 kV，220 kV和110 kV线路分别采用2.5 m，1.45 m和0.7 m加适当裕量（通常为0.5 m）校验其短时过负荷运行时的净空距离[5]。

线路通道环境对架空线路的短时过负荷运行能力有较大的影响，需要针对具体线路进行计算和分析。

2 评估方法

本文提出的架空线路短时30 min输电能力评估方法包含了2个方面的内容，分别是导线在电流阶跃情况下的升温过程计算和导线升温后的线路净空距离计算。

2.1 导线动态热平衡计算

架空线路在电流发生阶跃后，导线原有的热平衡被打破，导线温度会有一个上升过程，直到达到新的热平衡为止。导线的动态热平衡可按下式进行计算[6]：

式中：T为导线温度；t为时间；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、温度效应后的导线交流电阻值。

为了获得常用导线的电流阶跃温升特性，选取了LGJ－800/55，LGJ－630/45，LGJ－400/35 3种导线，按照（1）式对给定温升上限条件下的导线短时通流能力进行了计算，计算结果如表2所示。计算中环境条件分别取夏季和春秋季参数，环境温度和日照强度见表2，辐照系数和吸收系数均取0.9。导线的短时允许温度取90℃，电流阶跃前导线温度在40℃～70℃之间变化。

表2 常用导线短时30 min通流能力

从表2的计算结果可见，在相同的环境条件下，导线的起始温度对导线短时通流能力的影响有限，起始温度从40℃增大到70℃时，导线的短时通流能力变化不超过8%。与之形成鲜明对比的是环境温度和日照强度对导线短时通流能力影响很大，同一导线在夏季和春秋季的短时通流能力差别可达到21%以上。

图1所示为LGJ－630/45导线在夏季环境条件下起始温度为40℃，当电流阶跃至1 265 A时的温升过程，此时的导线短时允许温度为90℃。图2所示为不同短时允许温度下，LGJ－630/45导线在夏季环境条件下，起始温度为40℃时的短时通流能力。导线短时通流能力与允许温度间呈现近似线性变化关系，允许温度每增加10℃，载流量约增加160 A。可见导线短时允许温度对其通流能力影响较大，而正如前文的分析，导线短时允许温度主要取决于通道情况。

图1 LGJ-630/45导线电流阶跃温升特性

图2 LGJ-630/45导线短时载流量与允许温度关系

2.2 线路净空距离计算

温度上升之后，导线张力会下降，导致弧垂增加，线路净空距离减小。导线的短时允许温度取决于线路的净空距离是否满足要求。线路的净空距离计算涉及到导线性能参数、线路设计参数和通道地形与植被数据。通道地形和植被数据的数据量较大，并且线路投运后其通道内植被情况可能会发生变化，直接使用这些数据进行计算工作量将较大并且也无必要。

图3所示为2基杆塔间的导线净空距离示意图，其中d1和d2分别为线路设计校核温度下和短时允许温度下的净空距离。由于直接求取d2需要用到地形数据和地面植被数据，本文改为计算d1－d2，即导线温度从设计校核温度上升到短时允许温度时的弧垂增量，这一增量仅和导线性能参数和线路设计参数有关。获得这一弧垂增量后，结合表1中所列的线路设计时的最小净空距离，就可以判定线路短时过负荷运行时的净空距离是否满足操作过电压间隙的要求。

表3所示为常用钢芯铝绞线在70℃，80℃，90℃，100℃下相对于40℃（设计校核温度）时的弧垂增量最大值计算结果。计算条件：杆塔水平间距400 m；杆塔等高；设计最大风速30 m/s、最大覆冰厚度20 mm；最低温度－10℃。

图3 不同校核温度下的线路最小净空距离

表3 常用导线弧垂增量最大值 m

计算表明，对于每一特定的导线，温度每增加10℃，其弧垂近似线性增加，并且导线越粗，弧垂增量越大。对于实际的高压输电线路，由于长度较长，其设计参数、导线参数、交叉跨越情况等沿线会发生变化，因而需要沿线逐杆塔进行净空距离计算。

2.3 线路短时通流能力的确定

输电线路长期在野外运行，不同时期天气条件变化较大，在线路载流量计算时通常会假设较为严苛的环境条件，但是线路的短时通流能力评估时需要考虑到如下因素：

（1）线路覆冰时环境温度较低，导线温度也较低，短时过负荷运行难以达到温度允许值，因此在净空距离计算时可不考虑线路覆冰情况。

（2）在有风的情况下，线路载荷会增大，表4所示为某典型线路（该线路参数见下节）在不同的风速条件下，线路的短时允许温度和短时输送容量限额计算结果。该计算结果表明风速增大对线路弧垂的影响几乎可以忽略不计。但与之形成鲜明对比的是，风速增大带来的散热效果非常明显，风速大时导线温度较低。因而本文中线路短时通流能力评估时选取了较低的风速，其值为0.5 m/s。

图4所示为线路短时通流能力评估流程，主要是在不同的允许温度下计算弧垂和短时载流量，取弧垂不超限时的最大载流量值为线路短时输电容量限额。线路短时载流量计算中，选取起始温度为导线长期运行允许温度。

表4 不同风速下的线路短时通流能力

图4 线路短时通流能力评估流程

3 评估方法的应用

基于以上提出的评估方法，对一条500 kV架空输电线路的短时通流能力进行评估。该线路全长120 km，全线采用4×LGJ-630/45导线。如图5所示，该线路所穿越地区为山区，杆塔所在位置最低海拔约50 m，最高海拔约850 m。全线共约270基杆塔，其中耐张塔90基，耐张塔分布如图4中红线所示。该线路包含3处大跨越，分别跨越了高速公路、河流和国道。线路交叉跨越500 kV线路1处、220 kV线路3处、110 kV线路3处。

图5 500kV线路海拔与耐张段分布

该线路设计最大风速30 m/s、最大覆冰厚度20 mm、最低温度－10℃，设计时净空距离校核温度50℃（大跨越除外）。图6所示为在无风无冰天气条件下，导线温度分别为80℃，90℃和100℃时相对50℃时的弧垂增量情况。80℃，90℃和100℃时的线路最大弧垂增量分别为2.14 m，2.84 m，3.53 m，从图6可见随着导线温度的升高，弧垂增量大于2 m的导线段数逐渐增多。

图6 弧垂增量分布

根据本文提出的评估方法，最终计算得到该线路短时允许温度为95℃，弧垂越限位置为与一条110 kV架空输电线路的交叉跨越处。该线路的短时输送容量限额为5 120 A。

4 结论

（1）线路短时允许温度主要取决于弧垂增量，导线温度短时升高对其机械强度影响不大。

（2）环境温度和日照强度对导线短时通流能力影响较大，而电流阶跃前的导线起始温度对短时通流能力影响相对较小。

（3）风力对线路弧垂影响可忽略不计，但增强导线散热能力的效果较为显著，因此线路短时输电能力评估时应采用较低的风速值。

（4）不同的输电线路通道环境差异较大，因此需要进行沿线逐级杆塔净空距离计算，以确定线路短时输电能力。

[1]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.

[2]DL/T 741－2010架空线路运行规程[S].北京：中国电力出版社，2010.

[3]窦飞，乔黎伟.架空线路输电能力综述[J].江苏电机工程，2011，30（1）∶81－84.

[4]叶自强.提高220 kV试点线路输送容量阶段性研究报告[R].浙江省电力试验研究所，2004.

[5]彭向阳，周华敏.架空输电线路应急状态下短时过负荷运行的可行性研究[J].广东电力，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]国家电力公司东北电力设计院.电力工程高压送电线路设计手册（第二版）[M].北京：中国电力出版社，2003∶179－185.

（本文编辑：杨勇）

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

周象贤（1987），男，工程师，研究方向为输电线路防雷、输送容量与电晕。