发电厂架空导线载流量计算方法的研究

2018-12-19李纪华

东北电力技术 2018年9期

王丽，李纪华

(国核电力规划设计研究院有限公司，北京 100095)

发电厂架空导线载流量计算，在国内电力工程电气设计手册第一册(简称手册)[1]中用简化公式进行核算；而在 IEC TR 61597—1995(简称IEC)[2]及 IEEE Std 738—2006[3](简称IEEE)标准中，是根据热平衡方程，代入不同的环境条件参数后进行核算；3个标准中的方法并不完全相同。

本文以某涉外发电厂工程设计为例，通过手册、IEC和IEEE标准，对架空导线载流量的3种不同计算方法进行定量计算和分析比较，确定了不同方法的适用范围，为涉外工程设计提供一定参考。

1 架空导线载流量的3种计算方法

1.1 手册中导体载流量的简化计算法

手册中导体载流量简化计算公式为[1]

(1)

结合某涉外工程的环境条件和导线选型等因素，各参数取值见表1。

表1 手册中各参数取值

这种简化算法，是在特定的气象条件(导线最高允许工作温度80 ℃、环境温度25 ℃、导体表面黑度为0.9等条件)下算出的实际载流量，受导线排列方式、分裂根数、分裂间距等因素的影响，裕度大，没充分发挥导线的载流能力。

1.2 IEC标准中架空导线载流量计算方法

IEC法根据导体的发热条件，以导线的热平衡方程为依据，计算导体的稳态工作电流[2]，即：

Pj+Psol=Prad+Pconv

(2)

=2×1 348.33=2 696.67(A)

(3)

结合某涉外工程，各参数取值见表2。

表2 IEC法中各参数取值

该计算方法考虑了环境温度和风速等参数对载流量的影响，较手册法计算结果更贴近实际环境情况，适合手工计算。该计算结果能够保证导线强度和运行安全，但假设条件裕度仍很大，没有考虑不同时刻、季节环境变化等因素，结果保守，没有充分发挥线路载流能力。

1.3 IEEE标准中架空导线载流量计算方法

IEEE法也是基于热平衡原理提出的，其基本公式为

(4)

结合某涉外工程，各参数取值见表3和表4。

表3 IEEE法中各参数取值

表4 单位面积的光照热量QS中系数取值表

从表4中参数取值可以看出IEEE法，除考虑环境温度、风速的影响，还考虑导线所处纬度、季节、时间、环境、导线高度和走向等，所得结果随时间变化，更贴近实际情况。

2 3种计算方法的定量比较和分析

结合某涉外工程选用的架空导线2为例，按照手册法、IEC法和IEEE法进行计算。80 ℃为导线允许温度，导线海拔高度582 m，环境温度取40 ℃，风速1 m/s，80 ℃时导体的交流电阻为0.000 061 837 Ω/m。3种方法计算出的辐射散热率、对流散热量、日照吸收热量对比，见表5。IEC法和IEEE法计算出的辐射散热率差异不大；对于对流散热量， IEC法随环境温度、风速变化，而IEEE法算出的数值随海拔高度、环境温度、风速等变化；对于日照吸收热量，IEC法与时间无关，IEEE法随时间变化。

表5 手册法、IEC法和IEEE法计算结果比较 W/m

对表5中差别比较大的对流散热量、日照吸收热量分别进行定量分析和比较。并对3种方法最后算出的导线实际载流量进行对比。

2.1 对流散热量与海拔高度的关系

IEC法与海拔高度无关，IEEE法与海拔高度有关，主要体现在空气密度上，海拔高度越高，空气密度越小，对流散热量也越小。结合某涉外工程参数，分别用IEC法和IEEE法算出的对流散热量结果如图1所示。由图1可见，随温度升高，对流散热量下降。随海拔高度升高，IEC法对流散热量不变，而IEEE法对流散热量下降。随环境温度下降，IEEE法由上到下的曲线分别为导线处在海拔高度0 m、500 m、1 000 m、1 500 m、2 000 m时的对流散热量计算值。由图1可知，在导线高度低于1 000 m时，海拔高度引起的对流散热量误差小于5.98%，而导线高度高于1 000 m时，海拔高度引起的对流散热量误差介于5.98%～11.96%。所以低海拔时，对流散热量的误差小。

图1 IEEE法/IEC法中对流散热量Pconv随环境温度及海拔高度的变化情况

2.2 对流散热量与风速的关系

IEC法、IEEE法都与风速有关，风速越大，对流散热量也越大，但两者受风速的影响不同。结合某涉外工程参数，分别用IEC法和IEEE法对对流散热量结果进行对比，如图2所示。由图2可知，随着风速增加，对流散热量上升。IEEE法算出的对流散热量略高于IEC法。从图1可知，当风速较低时，两者的对流散热量差别不大。对于无法获得实时风速的情况，要考虑到导线的热稳定，往往对风速的估计值都偏小，以保证求出的载流量不致引起导线温度越限，所以低风速下两种方法算出的对流散热量差异小。

图2 IEEE法/IEC法中对流散热量Pconv随风速的变化

2.3 日照吸收热量与时间的关系

日照吸收热量的计算结果，IEEE法与IEC法差别极大。结合某涉外工程参数，分别对IEC法和IEEE法计算出的日照吸收热量结果进行对比，如图3所示。2017年4月7日(N=97)导线2的日照吸收热量，导线为北纬39°，海拔高度为582 m，导线表面吸热系数取0.5，导线方向角为270°，算出的6：00—18：00日照吸收热量。

图3 IEEE法/IEC法中日照吸收热量Psol与时刻的关系

从图3可知，IEC法的计算结果为1条水平线，即日照吸收热量不随时间变化，为22.95 W/m。而IEEE法的计算结果为1条曲线，在12：00达到峰值，为67.34 W/m，显然这更符合导线的实际情况。由此可知，IEC法计算出的日照吸收热量在部分时候偏大，导致计算出的导线载流量偏小，所以按IEC法计算出的载流量偏保守。此外，在6：00前和18：00后，IEEE法计算出的日照吸收热量迅速下降，这时候没有阳光，求出的日照吸收热量无意义。同理，在采用IEC法计算载流量时，夜晚也不应该计及日照吸收热量。

2.4 3种方法计算出的载流量结果对比

3种方法计算出的载流量结果对比，如图4所示。其中手册法计算出的载流量最低，为2 000.1 A，裕度过大；IEC法计算的载流量为2 696.67 A，考虑了环境因素，基本能保证导线长期运行载流量，裕度大；而IEEE法计算的载流量与时间有关，最大值为3 241.517 A，最小值为2 588.676 A，波动较大，并随时间变化。从IEEE法计算结果可以看出，架空导线的实际载流量存在极大的隐性容量，根据IEEE法精确计算结果，可以指导线路的动态增容，可增容10%～30%。

图4 3种方法计算的载流量结果比较

由计算结果可见，用手册法计算导线载流量能确保导线的热稳定，但裕度太大，没有充分发挥导线的载流能力；用IEC中方法计算载流量，计算所需要的变量少，计算过程简单，适合于计算导线的长期运行载流量；用IEEE中方法计算载流量需要的变量多，计算过程较复杂，但在一些特殊情况下，能够用于计算导线一段时间过负荷能力。

2.5 方案比较

手册法考虑的环境因素最少，与IEC法和IEEE法计算原理不同。国外IEC法和IEEE法架空导线载流量计算方法是基于热平衡公式提出的，考虑环境因素不同，所以计算复杂程度不同，现主要比较IEC法、IEEE法2种计算方法之间的区别。

a.经IEC法、IEEE法计算辐射散热量的变量和系数完全相同。

b.用IEC法公式计算对流散热量，其变量是气温和风速；而IEEE法涉及到的变量除了气温和风速外，还有风向、导线海拔高度等。低风速时，对流散热量公式采用Pconv1，高风速时采用Pconv2。IEEE法中的导线海拔高度对对流散热量的影响主要体现在空气密度上，海拔高度越高，空气密度越小，对流散热量的值也越小。风速越大，对流散热量也越大。对于无法获得实时风向、风速的情况，考虑到导线的热稳定，对风速的估计值都偏小，以保证求出的载流量不致引起导线温度越限，所以在低风速下，IEC法、IEEE法计算出的对流散热量差异小。在导线海拔高度小于1 000 m、风速低的情况下，对流散热量差异也不大。

c.经IEC法、IEEE法计算出的日照吸收热量差别巨大。IEC法采用简单公式即可算出结果，而IEEE法考虑了所处的纬度、季节、时间、环境、导线高度和走向等因素，所得的结果随时间变化。IEC法计算出的日照吸收热量，部分情况偏大，导致计算出的导线载流量偏小，所以按IEC法计算出的载流量偏保守。

2.6 先进技术应用和技术经济分析

a.静态设计载流量：手册法和IEC法算出的载流量是在特定的气象条件和导体最高允许工作温度下算出的载流量，属于静态设计载流量，该结果基本能够保证导线强度和运行安全，但由于假设条件裕度过大，未考虑不同时刻、季节环境变化，所以结果偏保守。

b.动态载流量：IEEE法的载流量算法，虽然也是假设在周围气象条件恒定不变的情况下导出的，但根据国外经验，该方法也适用于采用实时气象数据的动态载流量计算，计算方法涉及到更多的变量，计算过程相对复杂，计算出的线路动态载流量更为准确。

c.设计技术经济对比分析：根据2013年版《电力建设工程装置性材料预算价格》[5]，某涉外工程选取的2铝钢扩径空心导线的预算价格约为20 928元/t，总用量约为1.44 km，折合重量3.873 6 t ，按此计算，架空导线的工程造价约8.106 67万元。虽然在发电厂各类电气设备中，架空导线价格不占主要部分，但如果能合理计算导线载流量，选取更经济可靠的导线型号，可充分发挥导线的载流能力，尤其对长距离输电线路，结合实时气象指导动态增容后，将更为节省工程整体造价。