架空导线短时过负荷能力理论及试验研究

2015-02-18赵文彬

电线电缆 2015年3期

党朋，赵文彬

(1.上海电缆研究所，上海200093;2.华东电网有限公司，上海200120)

0 引言

华东电网是全国范围内负荷水平较高的区域电网，早在2004年就开始着手提高导线允许温度和动态增容方面的研究［1，2］。时至今日，华东电网内大多数500 kV线路的最高允许温度已提升到80℃，动态增容系统也得到一定程度的应用。但是随着经济的发展，电力建设与经济建设的矛盾日益突出，土地价格的高涨也造成线路建设费用的攀升，新建线路的资金压力不断增大。这就对提升电网输送容量提出了更高的要求。架空导线的短时过负荷能力是限制输电线路输送能力的主要因素之一，为满足N-1的运行要求，输电线路的输送能力因架空导线的过负荷能力而受到了极大的限制［3］。

当架空导线的输送电流增加时，会导致导线的运行温度升高而发热，一方面引起导线及其金具的性能下降，另一方面引起线路的弧垂增加。但导线的温升是一个渐进的过程，由于导线在正常状态下均低于额定电流运行，温度升至最高允许温度有一定的延迟时间。而这一允许温升时间与架空导线电流变化大小、环境参数和导线本身初始温度等有关。输送电流可以由电力系统以调度的方式加以控制，这样导线本身的初始温度和允许温升时间成为可以控制决策的参数，进而可以对架空导线的过负荷量及时间进行控制。因而可获得不影响导线性能和导线弧垂的短时过负荷能力。充分利用导线的渐进温升这一特性对提高线路输送能力的作用是较为显著的。

本文提出一种架空导线过负荷计算模型，并对架空导线的过负荷能力进行模拟试验，通过试验结果验证计算模型，为导线过负荷运行控制提供参考。

1 计算模型

国内外对于架空导线短时过载能力的研究相对较少，国内线路设计、运行的标准中也没有对架空导线短时过载能力作出相关规定。国际上仅IEEE 738—2006［4］对于架空导线的短时过负荷问题有简要的描述，该描述基于一系列的假设和简化对导线温度上升的过程进行定性的分析，并给出了经验公式。该公式即为非稳态热平衡公式:

式中:m为导线单位长度的质量(kg/m);Cp为导体材料的比热容(J/(kg·℃));R(Tc)为交流电阻(Ω/m);I为电流(A);t为时间(s);qs为日照吸热(W/m);qc为对流散热(W/m);qr为辐射散热(W/m)。

由于其中一项为非线性，所以用式(1)来分析导线温度与温升时间的关系是非常复杂的。

本文从能量平衡的角度提出一种简化的计算模型，即在导线未达到终极平衡温度前，电流所引起的导线电阻发热能量和导线吸收太阳辐射能量多于导线辐射和对流耗散的能量。多余的能量使导线升温，到接近终极温度时，导线耗散的能量已经很接近输入的能量，可供升温的剩余能量很少，升温变得越来越慢。理论上到终极平衡的时间是无限长的，而实际环境不是绝对恒定的，终点是波动的。当温差小于环境扰动时，升温被认为终止。

假设导线的铝截面为S1(m2)，铝密度为ρ1(kg/m3)，铝比热为C1(kJ/(kg·℃));钢截面为S2(m2)，钢密度为ρ2(kg/m3)，钢比热为C2(kJ/(kg·℃))。单位长度(1 m)导线升高Δθ温度所吸收的能量是:

剩余能量=电阻发热能量+吸收太阳辐射能量－辐射散热能量－对流散热能量。

故当导线温度为θ时(θ＜θc)，剩余的能量Δp为:

式中:I为电流(A);R20为导线20℃时的直流电阻值(Ω/km);as为导线表面吸热系数;D为导线直径(mm);α为日光对地夹角;E为导线表面辐射系数;S为波尔兹曼常数;θa为环境温度(℃);λf为导线表面空气传热系数(W/(m·℃));Re为雷诺数。

式(1)中前两项是输入能量功率，后两项是耗散能量功率。而且式中原来的θc改为变化中的即时温度θ。

在Δt时间内剩余能量用作升温:

令Δt→0，于是有:

将式(5)积分，左边对时间积分，右边对温度积分;积分下限是导线起始温度，积分上限是导线0.98倍终极温度，即0.98θc。

由于Δp是很复杂的函数，无法运算成为解析代数式。在计算中以很小的Δθ替代dθ，对积分函数进行累加得:

对于钢芯铝绞线:C1=0.91 kJ/(kg·℃)，C2=0.44 kJ/(kg·℃)，ρ1=2 703 kg/m3，ρ2=7 780 kg/m3。

将以上参数代入式(7)，可得到:

式(8)中分子项×103，是将比热中的kJ化为J。

2 试验

2.1 样品及试验布置

试验在无风、无日照的试验室内进行。样品为JL/G1A-400/50导线，试验段包含耐张线夹一对、导线两段(2×10 m)、接续管一只，与外部供电电源形成回路。每段导线上布置三个测温点，每只耐张线夹和接续管上布置一个测温点。试验布置示意见图1。

图1 试验布置图

2.2 试验条件

根据导线运行时的温度控制原则，换算成相应的载流量。试验过程中施加某一负荷电流至样品热平衡态，再升至更高的负荷电流，并使样品达到热平衡状态。负荷电流加载如表1所示。

表1 试验条件

3 试验结果与分析

图2为工况1条件下导线温度随电流变化的曲线图。

图2 JL/G1A-400/50导线温度变化曲线(电流:446A→686A)

如图2所示，导线先加载电流值446A到达稳态，再加载686A到达稳态，此时环境温度28.9℃，导体温度78.3℃。从稳态时的446A再加载电流686A到稳态时，时间持续90 min左右。表2为在该电流条件下理论导线温升时间与实际测量温升时间的对比。

表2 导线温度理论与实测对比

由表2可以看出，试验室实测的导线温度和温升时间介于两种理论条件计算值之间。

图3为工况2条件下导线温度随电流变化的曲线图。

如图3所示，导线先加载电流值446A到达稳态，再加载751A到达稳态，此时环境温度29.3℃，导体温度87.1℃。从稳态时的446A再加载电流751A到稳态时，时间持续90min左右。表3为在该电流条件下理论导线温升时间与实际测量温升时间的对比。

图3 LGJ-400/50导线温度变化曲线(电流:446A→751A)

表3 导线温度理论与实测对比

由表3可以看出，试验室实测的导线温度和温升时间介于两种理论条件计算值之间。

图4为工况3条件下导线温度随电流变化的曲线图。

图4 JL/G1A-400/50导线温度变化曲线(电流:633A→712A)

如图4所示，导线先加载电流值633A到达稳态，再加载712A到达稳态，此时环境温度26.3℃，导体温度77.5℃。从稳态时的633A再加载电流712A到稳态时，时间持续90 min左右。表4为在该电流条件下理论导线温升时间与实际测量温升时间的对比。

表4 导线温度理论与实测对比

由表4可以看出，试验室实测的导线温度介于两种理论条件计算值之间，而温升时间大于两种理论计算值。图5为工况4条件下导线温度随电流变化的曲线图。

图5 JL/G1A-400/50导线温度变化曲线(电流:633A→787A)

如图5所示，导线先加载电流值633A到达稳态，再加载787A到达稳态，此时环境温度26.3℃，导体温度89.9℃。从稳态时的633A再加载电流787A到稳态时，时间持续90min左右。表5为在该电流条件下理论导线温升时间与实际测量温升时间的对比。

表5 导线温度理论与实测对比

由表5可以看出，试验室实测的导线温度介于两种理论条件计算值之间，而温升时间大于两种理论计算值。

图6为不同条件下的导线理论计算温度和试验室实测温度对比曲线，其中导线温度1为有风有日照条件下的计算值，导线温度2为无风无日照条件下的计算值，导线温度3为试验室实测温度值。

图6 不同试验条件下的导线理论计算温度和实测温度对比

如图6所示，对于LGJ-400/50导线，在所有试验条件下，其最终导线温度介于两种理论条件计算值之间。根据华东电力设计院关于《提高导线发热允许温度的实验研究》报告中的结论［5］，认为风速对导线载流量影响很大，风速0.5 m/s较风速0.1 m/s载流量要增大40%，而风速1.0 m/s较0.5 m/s载流量要增大15%～20%。日照强度对载流量也有影响。日照100 W/m2较1 000 W/m2载流量提高15%～30%，但日照从1 000 W/m2减少至900 W/m2时载流量仅提高1%～4%。由于试验室不可能做到完全的无风无日照，所以其温度接近于有风有日照时的计算值之间。

图7为不同条件下的导线理论温升时间和实测温升时间对比曲线，其中温升时间1为有风有日照条件下的计算值，温升时间2为无风无日照条件下的计算值，温升时间3为试验室实测温度值。

图7 不同试验条件下的导线理论温升时间和实测温升时间对比

对于负荷变化后导线的温升时间，如图7所示，试验室实测温升时间由于考虑到热稳定的关系，达到稳定温度时的时间至少在80 min以上，完全稳定还需更长时间。而有风有日照计算的温升时间一般在40 min以下，负荷变化量越大，其温升时间越长。无风无日照计算的温升时间变化范围很大，负荷增加50%以上时，负荷量增加越多，则计算温升时间越短。负荷增加50%以下时，负荷量增加越少，则计算温升时间越长。