2
1.2 導線允許載流量的計算
Wj+WS=WR+WF
式中,Wj為單位長度導線電阻產(chǎn)生的發(fā)熱功率,W/m;WS為單位長度導線的日照吸熱功率,W/m;WR為單位長度導線的輻射散熱功率,W/m;WF為單位長度導線的對流散熱功率,W/m。
各國在計算過程中考慮的各個因素有所不同,使其公式的系數(shù)不同,但計算結(jié)果相差不大。以英國摩爾根公式和法國的公式作比較,其計算值相差1%~2%。其中英國摩爾根公式考慮影響載流量的因素較多,并有實驗基礎(chǔ)。但摩爾根公式計算過程較為復雜。在一定條件下將其簡化,可縮短計算過程,適用于當雷諾系數(shù)為 100~3
000時,即環(huán)境溫度為40℃、風速為0.5m/s、導線溫度不超過120℃時,可用于直徑為4.2~100 mm的導線載流量的計算。載流量計算公式如下
式中,θ為導線的載流溫升,℃;v為風速,m/s;D為導線外徑,m;ε為導線表面的輻射系數(shù)(光亮新線為0.23~0.46,發(fā)黑舊線為0.90~0.95);S為斯蒂芬-包爾茨曼常數(shù)5.67×10-8W/m2;ta為環(huán)境溫度,℃;αs為導線吸熱系數(shù),光亮新線為0.23~0.46,發(fā)黑舊線為0.90~0.95;kt為t(t=θ+ta)℃時的交直流電阻比;Rdt為t℃時直流電阻;Is為日光對導線的日照強度,W/m2。我國現(xiàn)行標準導線載流量計算,采用的就是以上計算公式。
載流量公式確定后,所選取的參數(shù)對計算載流量的影響很大,表1為收集到的有關(guān)國家載流量的計算參數(shù)。
表1 有關(guān)國家載流量的計算參數(shù)
| 邊界條件 | 中 國 | 日 本 | 法 國 | 美 國 | IEC | 英國有關(guān)專家建議 | ||
| 冬 季 | 夏 季 | 酷熱地區(qū) | ||||||
| 環(huán)境溫度/℃ | 40 | 5 | 20 | 35 | ||||
| 風速/m·s-1 | 0.5 | 0.5 | 1.0 | 0.61 | 1.0 | 0.45 | 0.45 | 0.22 |
| 日照強度/W·m-2 | 1000 | 1000 | 900 | * | 900 | 850 | 850 | 1050 |
| 吸熱系數(shù) | 0.9 | 0.9 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.9 | 0.9 | 0.9 |
| 輻射系數(shù) | 0.9 | 0.9 | 0.6 | 0.5 | 0.6 | 0.9 | 0.9 | 0.9 |
| 導線溫度/℃ | 70 | 90 | 85 | 90 | 15~100 | 30~120 | 50~120 | |
注: 美國對日照強度的計算還考慮了太陽高度、太陽方位角、線路的方位角、海拔高度等因素。其他算式均以日照強度綜合概括了以上因素的影響。
現(xiàn)用摩爾根公式,環(huán)境溫度ta取40℃,采用中國和IEC 條件,進行載流量計算,計算結(jié)果如表2所示。
表2 用摩爾根公式計算的載流量
| 導線型號 | LGJ - 400/20 | LGJ - 400/25 | LGJ - 400/35 | LGJ - 400/50 | LGJ - 400/65 | LGJ - 400/95 | |
| 導線溫度+70℃ | 中國參數(shù)IEC參數(shù) 比 值 | 595 750 1.26 | 584 733 1.255 | 583 732 1.256 | 592 742 1.253 | 597 760 1.273 | 608 776 1.276 |
| 導線溫度+80℃ | 我國參數(shù)IEC參數(shù) 比 值 | 746 896 1.20 | 730 875 1.199 | 729 874 1.199 | 741 886 1.196 | 752 909 1.209 | 767 928 1.210 |
通過對導線載流量的各個邊界條件影響的分析,得出以下結(jié)論:
。1)邊界條件對導線載流量計算影響比較大,由于各國根據(jù)本國的條件(環(huán)境強度、日照強度、吸熱系數(shù)等)取值各有不同,因此計算出的載流量相差較大。以我國和 IEC的條件分別計算的載流量,相差在15%~20%左右。因此選擇適合于本地區(qū)的計算邊界條件是非常重要的,也是需要進行進一步研究的問題。
。2) 導線表面輻射系數(shù)和表面的吸熱系數(shù),主要是由導線的新舊決定,雖然它們各自對導線載流量有一定影響,而且影響是相反的,但它們對導線載流量的綜合影響要小得多,在導線使用溫度范圍內(nèi),大約為1%~2%。
。3) 風速對導線載流量影響很大:v=0.5m/s比v=0.1m/s時的載流量要大40%,而v=1.0m/s比v=0.5m/s時的載流量要增大15%~20%,所以風速的取值值得研究。據(jù)國外研究表明,風向與導線的夾角不同,對載流量的大小也有影響。
。4) 日照強度對載流量也有影響。日照強度為100W/m2較1000W/m2的載流量要提高15%~30%,但日照從1
000W/m2減少至900W/m2時,載流量僅提高1%~4%。
。5) 溫度對載流量的影響很大:從導線溫升θ與載流量的關(guān)系可以看出,在溫升的初始階段,載流量上升很快。環(huán)境溫度θ≤40℃時,導線溫升每升高5℃,載流量要增加10%;θ>40℃時,導線溫升每升高5℃,載流量要逐漸減少,從8%降至2%。
總之,影響導線載流量的邊界條件,一部分為外界環(huán)境條件,如風速、日照強度、環(huán)境溫度等,這是與輸電線路所處的自然條件有關(guān)。另一部分是與導線有關(guān)的,如導線的吸熱系數(shù)、輻射系數(shù)、導線允許溫度、導線直徑等。導線的吸熱、輻射系數(shù)綜合影響載流量是不大的,當導線直徑(截面)一定時,導線允許溫度的取值就成為影響載流量的主要因素。
根據(jù)以上的分析計算,提高華東電網(wǎng)現(xiàn)運行線路的載流量有2種方法:①導線允許運行溫度不變,根據(jù)運行環(huán)境實際情況,核算線路載流量,對受限線路載流量進行精細管理。如通過在線測量線路的實際風速、日照強度和實際環(huán)境溫度,計算確定線路的載流量。②環(huán)境溫度仍按+40℃考慮,線路風速和日照強度完全按規(guī)程要求,提高導線允許運行溫度。
方法一的優(yōu)點是現(xiàn)行運行標準不變,線路運行安全性不變,但需要研發(fā)在線風速、日照檢測和數(shù)據(jù)傳輸裝置,需要一定的研發(fā)周期;方法二適合迎峰度夏時期,但導線運行溫度將超過目前規(guī)程規(guī)定導線允許運行溫度+70℃,并由此帶來3個問題:①不符合現(xiàn)行設(shè)計標準(現(xiàn)行標準要求導線最高溫度為+70℃);②對導線、配套金具的機械強度和壽命有不同程度的影響;③由于溫度提高,導線弧垂的增加,對地及交叉跨越空氣間隙距離減小,影響線路對地及交跨的安全裕度,影響程度取決于線路走廊的實際情況。
本文重點介紹通過提高導線允許溫度(第二種方法),確定導線載流量的方法。
2 提高導線允許溫度有關(guān)問題的探討
2.1 對導線及配套金具機械強度的影響
表3 溫度對導線強度損失
| 工作溫度/℃ | 運行時間/h | |
| 1 000 | 10 000 | |
| 85 | -1% | 1.4% |
| 100 | -2% | -3.0% |
1980年國際大電網(wǎng)會議的報告中提出鋼芯鋁絞線的強度損失數(shù)據(jù)說明,鋼芯鋁絞線在短時間受熱90~150℃時,其強度并未遭受損失,反而有所提高,這可能是由于其線股在受熱后調(diào)整伸長和位移使受力條件得到改善,鋼芯強度能更好利用的結(jié)果。報告認為僅從導線耐熱的角度考慮。鋼芯鋁絞線可采用150℃,但為了避免接頭氧化而損壞,在連續(xù)運行時,它們的溫度必須不超過70℃。
2002年,電力建設(shè)研究所為提高導線發(fā)熱允許溫度進行了單絲和整線及其配套金具的發(fā)熱試驗,并結(jié)合我國實際情況選擇了LGJ-185/30、LGJ
-400/35、LHBGJ -400/50和ACSR -720/50等4種常用的導線為代表。試驗結(jié)果表明:絞前單絲80℃持續(xù)加溫時硬鋁或鋁鎂硅合金線強度損失率均小于5%;導線溫度由70℃提高至 80℃,對導線強度損失率的增大不超過1%。絞前線材在恒定溫度加熱下的強度損失率見圖1。

圖1 絞前線材在恒定溫度加熱下的強度損失率
絞后線材持續(xù)高溫后的強度損失率與絞前基本相同。硬鋁線在80℃條件下經(jīng)1000h加熱后,與常溫20℃相比強度損失率相差不到5
%;鋁鎂硅合金和鍍鋅鋼線強度損失率沒有變化。此外,Φ4.54、Φ3.22和Φ3.02硬鋁線持續(xù)加溫90℃、1000h后,強度損失率分別為3.91%、5.08%和6.58%;加溫100℃、1000h后,強度損失率分別為6%、6.76%
和9.4%。由此說明強度損失率與線徑有關(guān),越細損失越快。
結(jié)果表明,4種導線在80℃和90℃持續(xù)高溫下的綜合強度損失率分別小于4%和6%。試驗觀測的4種導線在高溫下溫度膨脹系數(shù)和彈性模量變化很小。
歸納以上情況,可以看出提高導線允許最高溫度到80℃,對導線本身來說并不影響其安全運行。
2.2 溫度受連接處接觸傳導面穩(wěn)定性的影響

圖2 導線溫度與金具平均溫度之差隨導線溫度變化關(guān)系
由上述情況可見,提高導線允許最高溫度,并不影響其配套金具的安全運行。
2.3 調(diào)整對地和交叉跨越間距
表4 4種氣象條件下40、70、80℃導線弧垂
| 導線類 | 代表檔距 | 氣象區(qū) | l=lp/m | l>lp/m | Δf1/m | Δf2/m | Δf3/m | |||||||
| lp/m | Ⅰ | Ⅱ | Δf1×3 | Δf2×3 | Δf3×3 | l1 | l2 | l=l1 | l=l2 | l=l1 | l=l2 | l=l1 | l=l2 | |
| 185~240 | 100 | 185/10 | 0.60 | 0.80 | 1.00 | 250 | 400 | 3.80 | 9.75 | 5.00 | 12.80 | 6.10 | 15.65 | |
| 200 | 0.95 | 1.25 | 1.50 | 350 | 500 | 2.85 | 5.85 | 3.75 | 7.70 | 4.65 | 9.45 | |||
| 300 | 240/30 | 1.15 | 1.50 | 1.85 | 450 | 600 | 2.60 | 4.60 | 3.40 | 6.05 | 4.20 | 7.50 | ||
| 400 | 1.30 | 1.75 | 2.15 | 550 | 700 | 2.50 | 4.05 | 3.30 | 5.35 | 4.10 | 6.60 | |||
| 500 | 1.45 | 1.90 | 2.35 | 650 | 800 | 2.45 | 3.70 | 3.25 | 4.90 | 4.00 | 6.05 | |||
| 600 | 1.50 | 2.00 | 2.50 | 750 | 900 | 2.40 | 3.45 | 3.15 | 4.55 | 3.90 | 5.65 | |||
| 300~800 &720 | 300 | 300/15 | 1.20 | 1.55 | 1.90 | 500 | 700 | 3.30 | 6.45 | 4.35 | 8.50 | 5.35 | 10.45 | |
| 400 | 300/25 | 1.35 | 1.75 | 2.20 | 600 | 800 | 3.05 | 5.40 | 4.00 | 7.10 | 4.95 | 8.80 | ||
| 500 | 1.45 | 1.95 | 2.40 | 700 | 900 | 2.85 | 4.75 | 3.80 | 6.30 | 4.70 | 7.80 | |||
| 600 | 1.55 | 2.05 | 2.55 | 800 | 1000 | 2.75 | 4.32 | 3.65 | 5.70 | 4.55 | 7.10 | |||
| 700 | 1.60 | 2.15 | 2.65 | 900 | 1100 | 2.65 | 4.00 | 3.55 | 5.30 | 4.40 | 6.55 | |||
| 800 | 300/25 | 1.65 | 2.20 | 2.75 | 1000 | 1200 | 2.60 | 3.70 | 3.45 | 4.95 | 4.25 | 6.15 | ||
| H - 720 | 300 | H-720 | 1.25 | 1.65 | 2.05 | 500 | 700 | 3.45 | 6.75 | 4.60 | 9.00 | 5.70 | 11.20 | |
| 400 | H-720 | 1.50 | 2.00 | 2.50 | 600 | 800 | 3.40 | 6.05 | 4.50 | 8.00 | 5.60 | 9.95 | ||
| 500 | 1.75 | 2.30 | 2.85 | 700 | 900 | 3.40 | 5.60 | 4.50 | 7.40 | 5.55 | 9.20 | |||
| 600 | 1.90 | 2.50 | 3.15 | 800 | 1000 | 3.40 | 5.30 | 4.50 | 7.00 | 5.55 | 8.70 | |||
| 700 | 2.05 | 2.70 | 3.35 | 900 | 1100 | 3.40 | 5.05 | 4.50 | 6.70 | 5.55 | 8.30 | |||
| 800 | 2.15 | 2.85 | 3.55 | 1000 | 1200 | 3.35 | 4.85 | 4.45 | 6.45 | 5.55 | 8.00 |
續(xù)表
| 代表檔距 | 氣象區(qū) | l=lp/m | l>lp/m | Δf1/m | Δf2/m | Δf3/m | |||||||
| 導線類 | lp/m | Ⅸ | Δf1×3 | Δf2×3 | Δf3×3 | l1 | l2 | l=l1 | l=l2 | l=l1 | l=l2 | l=l1 | l=l2 |
| J - (185~ 240)×2 | 100 | 240/40 | 0.55 | 0.70 | 0.90 | 250 | 400 | 3.40 | 8.70 | 4.50 | 11.50 | 5.55 | 14.20 |
| 200 | 240/55 | 0.75 | 1.00 | 1.25 | 350 | 500 | 2.35 | 4.85 | 3.10 | 6.35 | 3.85 | 7.85 | |
| 300 | 0.85 | 1.10 | 1.40 | 450 | 600 | 1.90 | 3.40 | 2.50 | 4.50 | 3.10 | 5.55 | ||
| 400 | 0.90 | 1.15 | 1.45 | 550 | 700 | 1.65 | 2.70 | 2.20 | 3.55 | 2.75 | 4.40 | ||
| 500 | 0.90 | 1.20 | 1.45 | 650 | 800 | 1.50 | 2.30 | 2.00 | 3.00 | 2.50 | 3.75 | ||
| 600 | 0.90 | 1.20 | 1.50 | 750 | 900 | 1.40 | 2.00 | 1.85 | 2.70 | 2.30 | 3.35 | ||
| J - (300) ×2 | 300 | 300/70 | 0.90 | 1.20 | 1.50 | 500 | 700 | 2.55 | 4.95 | 3.35 | 6.55 | 4.15 | 8.10 |
| 400 | 0.95 | 1.25 | 1.50 | 600 | 800 | 2.15 | 3.80 | 2.85 | 5.05 | 3.55 | 6.30 | ||
| 500 | 1.00 | 1.30 | 1.60 | 700 | 900 | 1.90 | 3.15 | 2.55 | 4.20 | 3.15 | 5.20 | ||
| 600 | 1.00 | 1.30 | 1.65 | 800 | 1000 | 1.75 | 2.75 | 2.35 | 3.65 | 2.90 | 4.55 | ||
| 700 | 1.00 | 1.35 | 1.65 | 900 | 1100 | 1.65 | 2.45 | 2.20 | 3.25 | 2.75 | 4.10 | ||
| 800 | 1.00 | 1.35 | 1.65 | 1000 | 1200 | 1.55 | 2.25 | 2.10 | 3.00 | 2.60 | 3.75 | ||
| J - (400) ×2 | 300 | 400/95 | 1.00 | 1.30 | 1.60 | 500 | 700 | 2.75 | 5.40 | 3.65 | 7.10 | 4.50 | 8.80 |
| 400 | 1.05 | 1.40 | 1.75 | 600 | 800 | 2.40 | 4.25 | 3.15 | 5.65 | 3.95 | 7.00 | ||
| 500 | 1.10 | 1.45 | 1.80 | 700 | 900 | 2.15 | 3.60 | 2.85 | 4.75 | 3.55 | 5.90 | ||
| 600 | 1.15 | 1.50 | 1.85 | 800 | 1000 | 2.00 | 3.10 | 2.65 | 4.15 | 3.30 | 5.15 | ||
| 700 | 1.15 | 1.50 | 1.90 | 900 | 1100 | 1.90 | 2.80 | 2.50 | 3.75 | 3.10 | 4.65 | ||
| 800 | 1.15 | 1.55 | 1.90 | 1000 | 1200 | 1.80 | 2.60 | 2.40 | 3.45 | 3.00 | 4.30 | ||
注: 表中的Δf1、Δf2、Δf3分別表示70、80、90℃弧垂與40℃弧垂之間的差值。
表5 +80℃下導線內(nèi)控距離
| 交 跨 物 | 內(nèi)控距離+80℃/m | 規(guī)程要求 +40℃/m | 規(guī)程要求 +70℃/m |
| 電力線 | 3.8(3.3+0.5) | 6 | 2.5 |
| 通信線 | 3.8(3.3+0.5) | 8.5 | 2.5 |
| 對桿頂(塔頂) | 5.5(2.5+2.5+0.5) | 8.5 | 2.5 |
| 對地 | 8.0(4.5+2.5+1) | 10.5/11 |
| 交 跨 物 | 內(nèi)控距離+80℃/m | 規(guī)程要求 +40℃/m | 規(guī)程要求 +70℃/m |
| 土公路 | 9.0(4.5+2.5+2) | 10.5/11 | |
| 等級公路 | 10.0(4.5+2.5+3) | 14 | |
| 樹木(+40℃) | 7.5 | 7 |
注: 括號中2.5m和3.3m分別為操作和帶電作業(yè)間隙,4.5m考慮農(nóng)器具和公路限高;其他為裕度:1、2、3m為安全裕度,0.5m為測量誤差。
3 提高線路輸送容量試點工作
3.1 工作重點
3.2 運行管理
4 結(jié)論
