采用国内外标准评估软导体载流量的对比分析

程壮 王乙斐 简巍

摘要：通过将《IEEE Standard for Calculating the Current-Temperature of Bare Overhead Conductors》（IEEE Std 738）、《Overhead electrical conductors – Calculation methods for stranded bare conductors》（IEC TR3 61597）和《Thermal Behaviour of Overhead Conductors》（CIGRE CB 207）等国际通用的导体载流量计算方法，与国内常规评估方法进行对比分析，理清各个标准、手册中关于导体载流量计算的差异，便于工程设计人员对IEEE、IEC等国际标准的理解和运用。

关键词：载流量;导体;国内外标准;比较

1、引言

近年来，随着我国提出的“一带一路”的倡议，许多国内的电力设计院和电力建设公司走出国门，参与到国外输变电工程的设计和建设中。了解和掌握外方普遍接受的国际标准，并认清与国内标准和常规计算方法的差异，对于取得外方业主及国际监理的理解和认可，推动涉外工程的顺利进展，具有重要的意义。

在输变电工程中，架空导线、设备连接线等软导体的允许载流量计算是一项基本的电气计算。由于国内外的评估方法有一定的差异，且不同国家采用的导体规格和标准不同，而国外监理工程师或业主工程师常常需要设计人员提供相关的计算报告，因此需要对国际通用的IEC、IEEE等载流量计算方法进行研究和分析。

2、国内软导体载流量的评估方法

国内对于输变电工程的软导体的载流量，在工程设计上一般采用查表法，然后根据特定的外部环境条件进行修正。文献[5]的附录D、文献[6]的附录B、附录C以及文献[7]P410～P413的表8-3～表8-5均提供了常规导体的长期允许载流量表，以及不同海拔高度、环境温度下的校正系数。

采用查表法简单快捷，其精确度满足国内工程的实际应用需要，得到了广泛的应用。此外，除了采用查表法，文献[7] P439～P442 “附录8-2”一章还提供了一种精确的计算方法，该算法与国际大电网组织（CIGRE）发布的技术手冊（Technical Brochure）207基本类似，详见下一章详细计算说明。

3、国外软导体载流量的计算方法

国外应用比较广泛的标准或技术手册有IEEE Std 738（IEEEE标准）、IEC TR3 61597（IEC3型技术报告）和CIGRE TB 207（国际大电网技术手册）这三种。

以上这三种标准或手册提供的计算方法，对于导载流量的总体计算思路基本相同，均采用热稳态平衡计算方法（Steady-state Thermal Rating Calculation），主要依据是热量守恒。三种标准或手册所列的热量平衡公式如下：

IEEE Std 738：

IEC TR3 61597：

CIGRE TB 207：

其中，，，均表示电流热效应（焦耳效应），，，均表示日照热效应;，，均表示对流散热，，，均表示辐射散热;而，，则分别表示电磁热效应、电晕热效应和蒸发散热，在计算载流量时都可不作考虑，取值为0。

因此通过对比分析可以看出，实质上这三项等式的含义都是吸热与散热平衡，即“辐射散热功率”+“对流散热功率”=“电流热效应”+“日照吸热功率”。

在已知等式其他项的条件下，可以推导出稳态电流：。

下面通过进一步研究，分别通过比较“辐射散热功率”、“对流散热功率”、和“日照吸热功率”，发现这三项计算方法（IEEE Std 738/ IEC TR3 61597/ CIGRE TB 207）的主要差别在于“对流散热功率”的计算公式有差异，而三者对于“辐射散热功率”、“日照吸热功率”以及“电流热效应”的计算公式基本相同。

3.1 辐射散热功率的計算

上述三种理论计算方法，对于辐射散热功率的公式完全相同，可以用下面的式子表示：

其中，

为斯特凡-包尔茨曼常数;

为导体外径;

、分别表示导体表面温度和环境温度;

为辐射散热系数，取值在0.23～0.95之间，一般计算时取0.5。

3.2 对流散热功率的计算

上述三种理论计算方法，对于对流散热功率的计算公式均不相同。

其中，IEEE Std 738和CIGRE TB 207都给出了强迫对流（即有风条件下对流）和自然对流（即无风条件下对流）的对流散热功率的公式，而IEC TR3 61597仅给出了强迫对流对流散热功率。

公式涉及的变量较多、较为复杂，这里便不再一一列出，详见文献[1]、文献[2]和文献[3]。通过比较可以看出，IEC TR3 61597和CIGRE TB 207的公式类似，均为平均温度、温差和雷诺数的指数幂的乘积形式，且与IEEE Std 738所列公式差异较大。

此外，需要特别注意的是，IEC TR3 61597并没有提供海拔高度的校正，也不适合计算无风时的载流量。

3.3 日照吸热功率的计算

上述三种计算方法对于日照吸热功率的公式基本相同，可以用下面的式子表示：

其中，

为日照吸热系数，取值在0.23～0.95之间，一般计算取0.5;

为日照强度;

为导体外径。

IEEE Std 738标准在该基本公式的基础上，还考虑了日照时刻、纬度、太阳光的方位角、海拔高度等因素。而作为初步的导体载流量计算选型，可以假定以给定的最大日照辐射强度计算。

3.4 电流热效应的计算

电流热效应的基本公式为：

其中，为給定导体温度下的交流电阻，计算方法有很多，基本原理在导体直流电阻的基础上，考虑集肤效应、邻近效应及钢芯的磁滞、涡流损耗等因素，对于不同结构的导体，所得到的交、直流电阻比k都不相同，其相关简化计算方法参考文献[4]有相关的分析。

4、对比分析

下面以国内某一种常规的钢芯铝绞线（LGJ-400/35型），分别采用以上这几项评估方法，得出其长期允许载流量，并将结果进行对比分析：

（1）假设外部环境条件为：环境温度25℃，导体最高温度80℃，海拔1000m，风速0.5m/s，日照0.1W/cm²，辐射和吸热系数均取0.5，计算结果如下：

（2）假设外部环境条件为：环境温度40℃，导体最高温度80℃，海拔3000m，风速0.5m/s，日照0.1W/cm²，辐射和吸热系数均取0.5，计算结果如下：

通过计算结果的比较分析，在不同的环境条件下，通过这几项不同的理论计算方法所得出的结果差异不大，都可以应用于工程实际。

5、结语

（1）采用国内、外标准评估软导体载流量的结果差异不大，在常规情况下，都可以作为工程应用的依据。

（2）采用国外IEEE、IEC或CIGRE等标准或手册得出的软导体载流量，计算过程稍显复杂，但可以针对非国内常规型号的导体，而且可以输入不同的日照强度、风速等环境因素，计算过程详细，有利于获得涉外工程外方监理或业主工程师的认可和审批。

（3）在目前涉外工程日益增多的背景下，通过对比分析国内外标准的异同，可以加深工程设计人员对专业基本理论的理解，有助于提高设计能力和设计水平。

6、参考文献

[1] IEEE Std 738-2012，《IEEE Standard for Calculating the Current - Temperature of Bare Overhead Conductors》[S]

[2] IEC TR3 61597-1995，  《Overhead electrical conductors – Calculation methods for stranded bare conductors》[S]

[3] CIGRE Technical Brochure 207， 《Thermal Behaviour of Overhead Conductors》[S]

[4] 刘士璋，《铝绞线钢芯铝绞线交直流电阻及载流量的计算》，《电线电缆》 1988年06期[J]

[5] DL/T 5222-2005，《导体和电器选择设计技术规定》[S]

[6] SL 311-2004，《水利水电工程高压配电装置设计规范》[S]

[7]《电力工程电气设计手册 电气一次部分》，中国电力出版社[M]

作者简介：

程壮（1988），男，本科，工程师，主要从事输变电工程的设计和研究工作。

王乙斐（1990），女，硕士，工程师，主要从事变电站的设计和研究工作。

简巍（1986），男，本科，工程师，主要从事架空输电线路的设计和研究工作。