架空线路输电能力计算

2010-03-28乔黎伟

电力建设 2010年12期

窦飞，乔黎伟

（江苏省电力公司，南京市，210024）

0 引言

架空线路的输电能力由网络能力和线路能力构成。网络能力取决于电网的运行结构、经济性、稳定性等因素；线路能力是由导线热稳定允许条件所决定的输电能力。随着电网主网架的加强，制约电网输送能力的主要因素已经不是网络能力，而是并列运行线路在N-1方式下运行时的线路能力。本文讨论的输电能力指线路能力。文章分析了影响220 kV及以上架空线路的输送能力的因素，提出了提高架空线路输电能力的措施。

1 导线的选型设计

目前，国内导线的选型主要根据年费用最小法进行综合技术、经济比较后确定。首先，依据正常输送容量和经济电流密度值初选总截面，在此基础上选择具有成熟制造经验的导线型号以及具有定型施工机具和定型金具的分裂数；其后，复核事故输送容量、电晕、无线电干扰和机械强度等；最后，计算各方案的年费用，选择年费用最低的方案作为推荐型式。随着大截面分裂导线的应用，导线截面主要由事故载流量和年费用控制。

1.1 事故载流量验算

220 kV及以上架空线路多采用钢芯铝绞线，其事故载流量与最高允许温度密切相关。导线的最高允许温度，一般按照线路在设计使用期限内导线强度损失情况、导线与配套金具间的接触传导情况来选择。

DL/T 5092—1999《110～500 kV架空送电线路设计技术规程》规定：一般线路的最高允许温度应不超过70℃，大跨越线路的最高允许温度应不超过90℃[1]。根据DL/T 5222—2005《导体与电器选择设计技术规定》中规定，一般线路的最高工作温度应不超过70℃，在计及日照影响时可按不超过80℃考虑[2]。根据Q/GDW 179—2008《110 kV～750 kV架空输电线路设计技术规定》与GB 50545—2010《110 kV～750 kV架空输电线路设计规范》规定，一般线路的最高允许温度应不超过70℃、必要时可按不超过80℃考虑，大跨越线路的最高允许温度应不超过90℃[3-4]。

国外一般按允许发热条件来选择导线截面，并考虑在事故短时过负荷情况下，适当提高温度限值，所得出的导线截面比按经济电流密度得出的小一些。以钢芯铝绞线为例，日本按照正常持续输送时导线温度不超过90℃、事故短时导线温度不超过120℃来选择截面；西欧和北美，按照正常持续输送时导线温度不超过90℃、事故短时导线温度不超过120℃来选择截面[5]。

国外校验对地和交叉跨越时，一般采用导线实际能够达到的最高温度下的弧垂；在导线短时过负温度下，一般取小于正常限距的必要限距（操作过电压间隙+适当裕度）校验对地和交叉跨越。

国内设计标准规定：采用最高气温（一般为40℃）校验对地及交叉跨越物的限距[1,3-4]。这是由于我国大多数地区常年平均温度为15℃，导线在正常持续输送时的实际温度为温升与气温之和，为29～42.3℃。因此，对于按照经济电流密度设计的一般线路，要求按最高气温40℃或覆冰无风（对轻冰地区为最高气温40℃弧垂控制）求得的最大弧垂校验交跨限距。但对大跨越和重要交叉跨越（如一级公路、高速公路、标准轨距铁路），则要求按照导线实际能达到的最高温度（70～90℃）校验交跨限距。

新建线路必要时可采取80℃作为允许温度；如导线允许温度为80℃，则根据50℃的弧垂按正常限距校验交跨距离。由于导线温度为40～50℃时的弧垂差大于70～80℃时的弧垂差，因此可在导线允许温度从70℃提高到80℃时，将定位弧垂的温度相应从40℃提高至50℃。

近期开展的500 kV已建线路的导线允许温升增容，将导线的允许温度由70℃提高至80℃。增容后，在导线短时过负温度80℃下，取小于正常限距的必要限距（雷电或操作过电压间隙+适当裕度）作为校验交跨的内控标准[5-6]。

1.2 年费用计算

架空线路的年费用为

式中：A为年费用，万元/km；I0为总投资，万元/km；i为基准收益率；n为线路工程经济使用期，年；C为年经营费，包括年维护费用和年电能损耗费用，万元/km。

如果导线总截面过小，由于导线用量小、荷载轻，初始建设投资较省，但年损耗费用很大，在较短的运行年份里，就已抵偿了初始建设投资的减少，所以是不合适的。反之，如果导线总截面过大，虽年损耗费用较少，但由于导线用量大、荷载重，补偿初始建设投资所需的运行时间较长，也不经济。

2 架空线路的载流量计算

2.1 载流量的计算方法

国际上载流量计算公式很多，如美国电气和电子工程师协会（institute of electrical and electronics engineers，IEEE）推荐公式、国际电工委员会（international electro technical commission，IEC）推荐公式、国际大电网组织（international council on large electric systems，CIGRE）推荐公式、英国摩尔根公式、法国方法等。但其计算原理都是由导线的发热、散热的热平衡推导而出，热平衡方程为

式中：Wj为单位长度导线电阻产生的发热功率，W/m；Ws为单位长度导线的日照吸热功率，W/m；WR为单位长度导线的辐射散热功率，W/m；WF为单位长度导线的对流散热功率，W/m。前述方法在计算过程中考虑的因素不同，因此各公式规定的系数有所不同；但如果计算所取的边界条件一致，则计算结果基本相等[6-8]。

2.2 决定导线输电能力的因素

环境温度、导线发热允许温度、风速、日照强度、表面吸热系数和表面散热系数这六个因素对导线输电能力的影响较大。计算一般线路的载流量时参数取值[1,3-4]如表1所示。

表1 一般线路载流量的计算参数Tab.1 Calculation parameters of current-carrying capacity of general overhead transmission lines

以LGJ-400/35钢芯铝绞线为例，将表1参数作为基准，逐个改变其中参数，分析其对载流量计算结果的影响，得到：垂直于导线的风速发生±0.4 m/s的变化时，载流量计算结果增减16%～36%；日照强度发生±50%的变化时，载流量计算结果增减14%～20%；环境温度发生±5℃的变化时，载流量计算结果增减10%～12%；较使用多年的旧线（吸热、散热系数均取0.9），新线的载流量（吸热系数取0.23～0.43，散热系数取0.35～0.46）增加3%～7%；较发热允许温度为70℃的导线，允许温度为80℃的导线载流量可提高20%、90℃时可提高36%、120℃时可提高75%。

2.3 热稳极限载流量推荐值

目前，江苏电网220、500 kV架空线路最常用的导线为LGJ-300/25、LGJ-400/35和LGJ-630/45型钢芯铝绞线，依据我国线路设计标准[1,3-4]计算出的导线热稳极限载流量如表2所示。

表2 常用导线热稳极限载流量推荐值Tab.2 Recommended ultimate thermotolerant current-carrying capacities of common conductors

3 提高架空线路输电能力的措施

3.1 提高导线允许温度

提高导线允许温度，可显著提高载流量。如将钢芯铝绞线的允许线温由70℃提高至80℃时，导线的机械强度、配套金具，对地及对交叉跨越物的距离基本不受影响或采取措施可以解决，但载流量可提高20%以上。国内目前架空输电线路多采用钢芯铝绞线，其事故短时允许线温为70～80℃；而国外，如日本、西欧、北美等国家和地区，其值为120℃。因此，就事故短时允许线温而言，国内导线尚有一定的增容空间。

3.2 应用增容导线

增容导线是在架空输电线路上使用的特种导线，在相同导体截面的情况下，增容导线能输送更多电能。增容导线特别适用于通道条件紧张地区的已建线路增容改造，利用原有线路杆塔、基础资源（或改造个别杆塔、基础），通过更换导线实现增容。

增容导线在江苏220 kV电网中的应用日趋广泛，目前使用较多的增容导线主要有铝包殷钢芯铝合金绞线、碳纤维合成芯铝绞线、间隙型钢芯铝合金绞线等。价格因素是增容导线推广应用的主要障碍，早期实施的增容工程，成品导线（或核心部件）多依赖进口，近年增容导线已陆续实现国产，价格呈下降趋势。

3.3 基于在线动态监测的增容

表2所列载流量计算值为静态值，是以严酷气象条件为基础而确定的保守静态极限容量。但事实上，这样的恶劣气象条件很少发生，这就造成了线路在绝大多数情况下，不能有效发挥其输送能力，浪费了部分资源。输电在线动态监测系统，对导线温度、气象条件等进行动态监测，在不违背现行技术标准的条件下，充分挖掘输电线路的隐性容量。

应用基于在线动态监测的增容系统，架空线路的输送容量，较静态输送容量可增加10%～30%[8-11]，华东电网500 kV瓶武5905线和山东电网220 kV罗彦线已开展有此方面的增容实践。