输电线路输送容量动态增容研究

2020-10-22姚文俊曹洪强邓鹤鸣王刚

中南民族大学学报（自然科学版） 2020年5期

姚文俊，曹洪强，邓鹤鸣，王刚

(1 中南民族大学电子信息工程学院，武汉 430074；2 国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，武汉 430074)

中国经济发展不平衡，各个地区对水电资源需求不一样.电能从电力资源丰富的中西部输送到贫乏的东南部需要架设高压线路，而电网线路的输送是有损耗的，所以输送能力直接影响沿海地区的经济发展.为提高输电线路的输送能力，目前主要有两种措施：静态增容与动态增容.动态增容是在输电线路上安装在线监测设备，对导线温度、电流、环境温度、日照、风速等系统内外因素进行实时监测，同时通过实时计算得到的结果，人工调节输电线路的容量，保障线路安全增容运行，使输送能力得到提高[1].

目前国内外有很多关于提高线路输送容量的研究，并建立了相关动态增容数学模型[2,3].其中气候模型是在不增加线路实时监测装置数量的情况下，对某地区的历史气象数据进行统计，构建基于粒子群优化的核极限学习机的气象预测模型.预测模型对环境温度和风速的预测效果较好，在确保输电线路安全可靠运行情况下，可提高线路输送容量[4]；大环流输电线路动态增容模型通过大量的计算筛选出大环流输电线路9条，找出日照强度、风速、环境温度等参数对输电线路承载能力的影响规律，选择在大环流输电线路上安装动态监测装置，实时采集环境参数送至SCADA服务器，提高线路输送容量[5]；导线弧垂模型是通过测量导线的悬挂倾角、风偏角、环境温度、日照强度和负荷电流，实时计算导线的最大容量，在保证线路安全运行的基础上，有效地提高了线路的实时输送容量[6]；导线温度模型利用OPGW上的BOTDR测温技术对架空线路周围环境温度进行分布式测量，通过牛顿迭代推导出导线温度，将导线实时温度瓶颈点代入新的热平衡公式，从而计算出实时载流量，实现增容[7].比较这些增容方式，存在的问题是需要监测的状态量很多，而其中的风速、风向、日照时间和数量等信息难于测量.所以建立监测量少、可靠性高的增容模型就具有重要意义.

监控导线温度提高现有运行线路载流量的方法是一种廉价、有效、安全的线路增容技术，通过此方法一般可增加线路输送容量约10%～30%，但运用时需要通过对导线温度和环境温度进行实时监测，可导线温度的实时在线测量到目前却没有一个较好的解决办法.本文采用光纤光栅系统测温，根据测得的输电线路和外部环境温度，建立导线载流量数学模型，计算导线能够承受的最大载流量，通过远程控制有载可调变压器、无功补偿装置，增加线路容量，从而实现对线路载流量的动态调节.

1 输电线路动态增容原理

1.1 导线吸热模型

导线吸热模型采用文献[8]中的测温模型，如图1所示.模型中计算输电导线稳态条件下最大允许电流可由(1)式计算，式中θc和θe分别为导线处于稳态的温度和外部环境的温度，单位为℃，Rx为两测温点间的环境热阻，R为输电线的热阻，单位为Ω.公式得到的最大允许电流Imax可用于对架空导线增容的可行性验证计算.

图1 架空导线暂态热路模型

(1)

1.2 准分布式光纤光栅测温原理

将光纤Bragg光栅的光栅区用作敏感区，当被传感物质的温度发生变化的时候，由于热膨胀效应和热光效应，光栅的周期和纤芯模的有效折射率将会发生相应的变化，从而改变Bragg中心波长[9].光纤Bragg光栅的波长变化ΔλB与温度变化ΔT可表示为：

(2)

将光纤Bragg光栅串接起来，构成准分布式光纤光栅，其测温原理如图2所示，由宽带光源发出的光经3dB耦合器，再经光开关照射到各光纤中.每根光纤上串联多个反射中心波长不同的光栅，宽带光照射到每个光栅后将变为峰值波长不同的窄带光反射回来，再经光开关和3dB耦合器进入F-P滤波器以及光电转换模块，将波长编码的传感信号转换为数字信号送入计算机进行运算处理.根据波长与温度、应力的关系，测出了波长变化量就能得到相应的温度和应力变化量，即达到温度、应力测量的目的.

图2 光纤光栅准分布式测温传感系统原理

1.3 碳纤维材料输电导线

改造老旧线路，在原有的输电网中只更换新型输电线，不改变原输电路径，也不必增强或改造铁塔，就可以增加线路输送容量并达到扩容的目的，这种方法是线路改造中最经济和最具吸引力的处理方法.使用碳纤维复合芯导线替代原有的普通钢芯铝绞线可线路损耗降低，而输电效率提高.图3所示为普通钢芯铝绞线与碳纤维复合芯导线对比图.

图3 普通钢芯铝绞线(左)和碳纤维复合芯导线(右)

1.4 自动调压

自动调压是保障电网安全运行的重要手段之一，输送线路中一般采用有载调压变压器对有载分接开关进行自动调节，这可使电压自动保持在规定范围内波动.但当分接头在带电的情况下进行自动切换时，需要在无功电源充足的条件下进行，所以目前普遍采用变压器有载调压与无功补偿相结合的方法来维持供电电压在规定的范围内波动.自动调压器原理如图4所示.

图4 自动调压器原理

2 试验结果

2.1 光纤测温试验

在国网电力科学研究院进行了温度测量的相关性试验，检测设备是美国MOI的SM-125型光纤光栅解调仪，图5是改变光栅传感器的环境温度进行试验得到的光纤光栅温度传感器的波长变化与导线的温度变化关系，图6是温度计的温度值和光纤光栅波长之间的关系，对比可以看出：温度的变化与光纤波长变化存在线性关系，利用公式(2)可以计算出导线表面温度.

图5 光纤光栅温度传感器波长漂移随温度变化关系

图6 温度计的温度值和光纤光栅波长之间的关系

2.2 碳纤维复合芯导线试验

碳纤维复合芯导线是一种新型架空输电导线，与传统的钢芯铝绞线相比较有强度高、密度小、膨胀系数小、耐腐蚀、表面光滑不易舞动，拉力质量比大，弧垂随温度的变化小等特点.

图7显示碳纤维导线ACCC/TW比钢芯铝绞线ACSR在相同的载流量时，允许工作温度高、载流量大，可承载更大的电流.图8是在不同初始张力下导线的弧垂随温度的变化曲线，从图中可以看出：碳纤维复合芯导线的弧垂要比钢芯铝绞线低的多，高温时碳纤维复合芯导线能承受更多的压应力，严重时不会导致导线局部扭曲.

图7 碳纤维导线与钢芯铝绞线载流量比较

图8 导线在不同初始张力下的弧垂与温度的关系

2.3 自动调压和无功补偿措施

电力系统运行时，电网中的各级电压幅值不能长时间超过额定值，过大的电压偏差都会给线路运行带来不利影响.自动调压在输电线路中被普遍使用.例如：某10 kV单向辐射型线路，覆盖的用户人数较多，每年夏季用户集中用电时，线路处于负荷高峰期，主干线末端用户380 V侧电压仅260 V左右.安装10 kV线路单向调压器一台，线路运行1月的输入及输出电压曲线如图9所示.图中显示线路负荷低时，调压器处于低档位，升高的线路电压较小；而负荷较重时，调压器运行在高档位，升高的线路电压较大；通过调压器的调节，使输出端电压基本维持在10 kV左右，因季节变化造成的负载波动出现的低电压问题得到解决.

图9 单相调压器输入与输出电压曲线

采用变压器调压，需要在无功电源充足的条件下进行才能确保安全有效.电压无功综合控制系统是通过调节变压器分接头和投切电容器，使输电线路功率损耗最小.例如设备运行时变电站10 kV智能投切无功补偿装置若正常运行，断路器闭合，智能投切装置代替断路器接受VQC或(AVC)命令，智能过零投退电容器做到在电压过零点投入电容器且在电容器切除时真空交流接触器不会拉弧，限制暂态过程，有效减少暂态冲击电压和电流，改善功率因数，减少频繁的电容器投切产生的暂态冲击，显著提高了电容器和投切开关的使用寿命.某供电公司110 kV 1#电容器间隔投入运行，实测最大涌流倍数1.83，平均涌流倍数1.77，投运至今未发生故障，图10所示为智能投切装置使用前后的对比电压波形图.

(a)应用前 (b)应用后

3 应用

3.1 线路增容量计算

取改造线路中的一段来计算线路容量，输电线路主干线的线型以LGJ250和LGJ235为主，选取线路长度约128 km，总负荷约为4380 kVA.当线路压降U%为16.8%，在1 a内以最大电流200 A运行在40%的时间内，由式(3)计算可得线路的末端电压Um为8.6 kV，这个电压与设计要求中的线路出口电压Ue为10.32 kV相比较是很低的.

Um=Ue(1-U%)=8.6 kV,

(3)

为保证线路安全运行，在线路的合适位置安装1台容量为2000 kVA调压器解决线路末端电压低的状况.由式(4)计算可得安装点的电压UA为9.1 kV，由式(5)计算可得通过安装调压器以后，安装点可达到的电压UTA为10.5 kV.

(4)

(5)

比较式(3)、(4)、(5)的计算结果，调压器安装可保证线路出口电压稳定输出10 kV，达到调压目的.由式(6)计算可得线路的损耗降低ΔP为54.6 kW，其中S为1640 kVA为调压器后端容量，电阻R为9.785 Ω，调压器输入电压U1为9.1 kV，调压器升压后可达到电压U2为10 kV.按调压器1a40 %的时候运行在升压状态，由式(7)可得每年节约电量ΔW为19.18万 kW·h，按按0.5元/(kW·h)来计算，年直接经济效益为9.5万元.

(6)

ΔW=ΔPT=19.18134 kW·h.

(7)

3.2 具体实施

图11中输电线路中光纤导线在线监测温度系统安装在杆塔上，调压系统放在塔基上.导线上的光纤传感器采集实时参数，通过光纤复合绝缘子把采集到的数据传送到横担的控制主机，控制主机负责存储发送数据，最后通过无线网络把数据传回后台分析软件，后台分析软件对采集来的数据进行分析处理及展示.根据相关的监测数据，对有载可调变压器、无功补偿器等设备进行调节，实现线路的动态增容.