竇飛，喬黎偉

（江蘇省電力公司電網(wǎng)規(guī)劃研究中心，江蘇南京210024）

架空線路的輸電能力，由網(wǎng)絡(luò)能力和線路能力構(gòu)成。網(wǎng)絡(luò)能力取決于電網(wǎng)的運(yùn)行結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性等因素；線路能力系指線路元件導(dǎo)體本身，由導(dǎo)線熱穩(wěn)定允許條件所決定的輸電能力。隨著江蘇電網(wǎng)主網(wǎng)架的加強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)能力已不是制約輸送能力的主要因素，目前制約電網(wǎng)輸送能力的主要因素是并列運(yùn)行線路在“N-1”方式下運(yùn)行時(shí)的線路能力；文中所述范圍為220kV及以上輸電網(wǎng)的線路能力。

1 輸送容量的定義

1.1 正常輸送容量（P1）

P1為系統(tǒng)正常運(yùn)行方式下的最大輸電容量。P1一般與經(jīng)濟(jì)電流密度相結(jié)合，用于導(dǎo)線截面初選。

1.2 事故輸送容量（P2）

P2為在系統(tǒng)“N-1”情況下，由導(dǎo)線的熱穩(wěn)定水平所決定的最大輸電容量。P2為短時(shí)輸送容量，一般每次為20～30 min；全年累計(jì)時(shí)間很短，如華東電網(wǎng)500kV線路一般不會(huì)超過(guò)10 d[1]。

2 導(dǎo)線的選型設(shè)計(jì)

2.1 國(guó)內(nèi)一般線路導(dǎo)線選擇選型設(shè)計(jì)

國(guó)內(nèi)以往一般按照經(jīng)濟(jì)電流密度選擇導(dǎo)線截面。經(jīng)濟(jì)電流密度應(yīng)根據(jù)各個(gè)時(shí)期的電線價(jià)格、電能成本及線路工程特點(diǎn)等因素分析決定，因此各地區(qū)的經(jīng)濟(jì)電流密度亦應(yīng)有所不同，但目前我國(guó)尚未制訂出合適的數(shù)值，沿用的仍是表1所列的1956年水電部頒發(fā)的經(jīng)濟(jì)電流密度值。

表1 1956年水電部頒發(fā)的經(jīng)濟(jì)電流密度值

目前國(guó)內(nèi)導(dǎo)線選型，主要采用年費(fèi)用最小法進(jìn)行綜合技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比較后確定。一般首先依據(jù)正常輸送容量，參照表1規(guī)定的經(jīng)濟(jì)電流密度初選總截面，在此基礎(chǔ)上選擇具有成熟制造經(jīng)驗(yàn)的導(dǎo)線型號(hào)以及具有定型施工機(jī)具和定型金具的分裂數(shù)；其后進(jìn)行事故輸送容量、電暈、無(wú)線電干擾和機(jī)械強(qiáng)度等的復(fù)核；最后計(jì)算各方案的年費(fèi)用，選擇年費(fèi)用最低的方案作為推薦型式。隨著大截面分裂導(dǎo)線的應(yīng)用，經(jīng)濟(jì)電流密度、正常輸送容量、電暈和無(wú)線電干擾等對(duì)導(dǎo)線截面的選擇已不起控制作用，導(dǎo)線截面主要由事故載流量和年費(fèi)用控制。

（1）事故載流量驗(yàn)算。鋼芯鋁絞線事故載流量與最高允許溫度密切相關(guān)。導(dǎo)線的最高允許溫度，一般按照線路在設(shè)計(jì)使用期限內(nèi)導(dǎo)線強(qiáng)度損失情況和導(dǎo)線與配套金具間的接觸傳導(dǎo)情況來(lái)選擇。

電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T5092—1999，110～500kV架空送電線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程[2]（以下簡(jiǎn)稱(chēng)線路規(guī)程）規(guī)定：一般線路不超過(guò)70℃，大跨越可采用90℃。國(guó)內(nèi)以往設(shè)計(jì)的采用鋼芯鋁絞線作為導(dǎo)線的一般線路，最高允許溫度均取70℃。

國(guó)內(nèi)近期部分標(biāo)準(zhǔn)提高了導(dǎo)線的允許溫度，電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T5222—2005，導(dǎo)體與電器選擇設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定[3]（以下簡(jiǎn)稱(chēng)導(dǎo)體規(guī)定）規(guī)定：最高工作溫度不應(yīng)超過(guò)70℃，在計(jì)及日照影響時(shí)可按不超過(guò)80℃考慮；國(guó)家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/GDW 179—2008，110～500kV架空線路設(shè)計(jì)規(guī)程[4]（以下簡(jiǎn)稱(chēng)國(guó)網(wǎng)線路企標(biāo)）規(guī)定：一般采用70℃、必要時(shí)可采用80℃，大跨越采用90℃。近期設(shè)計(jì)的部分500kV一般線路，導(dǎo)線最高允許溫度取80℃。

（2）年費(fèi)用計(jì)算。架空線路導(dǎo)線年費(fèi)用采用以下簡(jiǎn)化公式計(jì)算。式中：AC為年費(fèi)用，萬(wàn)元/km；I0為工程總投資，萬(wàn)元/km；i為基準(zhǔn)收益率；n為線路工程經(jīng)濟(jì)使用期，年；C'為年經(jīng)營(yíng)費(fèi)，包括年維護(hù)費(fèi)用和年電能損耗費(fèi)用，萬(wàn)元/km。

如果導(dǎo)線總截面選擇過(guò)小，由于導(dǎo)線耗量小、荷載輕，初始建設(shè)投資較省，但是年損耗費(fèi)用很大，在較短的運(yùn)行年份里，就已抵償了初始建設(shè)投資的減少，所以是不合適的。反之，如果導(dǎo)線總截面選擇過(guò)大，年損耗費(fèi)用雖較省，但由于導(dǎo)線耗量大、荷載重，補(bǔ)償初始建設(shè)投資所需的運(yùn)行年時(shí)間較長(zhǎng)，也不經(jīng)濟(jì)。

2.2 國(guó)外導(dǎo)線選擇方法及其與國(guó)內(nèi)方法的對(duì)比

國(guó)外一般按允許發(fā)熱條件選擇導(dǎo)線截面，并考慮在事故短時(shí)過(guò)負(fù)荷情況下適當(dāng)提高溫度限值，所以導(dǎo)線截面比按經(jīng)濟(jì)電流密度選擇小一些。以鋼芯鋁絞線為例，日本按照正常持續(xù)輸送時(shí)線溫≤90℃，事故短時(shí)容許線溫≤120℃來(lái)選擇截面；西歐和北美，按照正常持續(xù)輸送時(shí)線溫≤80～90℃，事故短時(shí)容許線溫≤120℃來(lái)選擇截面[1]。

而我國(guó)相關(guān)規(guī)程系按照在系統(tǒng)“N-1”事故短時(shí)輸送容量下，一般線路容許線溫≤70～80℃、大跨越線路容許線溫≤90℃來(lái)選擇截面。因此線路在正常持續(xù)輸送時(shí)，其線溫遠(yuǎn)低于70℃。

國(guó)外校驗(yàn)對(duì)地和交叉跨越時(shí)，采用導(dǎo)線實(shí)際能夠達(dá)到的最高溫度下的弧垂；在導(dǎo)線短時(shí)過(guò)負(fù)溫度下，一般取小于正常限距的必要限距（操作過(guò)電壓間隙+適當(dāng)裕度）校驗(yàn)對(duì)地和交叉跨越。

我國(guó)線路規(guī)程規(guī)定：校驗(yàn)對(duì)地和交叉跨越時(shí)，采用最高氣溫，一般為40℃校驗(yàn)對(duì)地及交叉跨越物的限距。其原因系我國(guó)大多數(shù)地區(qū)常年平均溫度為15℃，正常持續(xù)輸送時(shí)，導(dǎo)線的實(shí)際溫度為溫升與氣溫之和，約為29～42.3℃。因此對(duì)于按照經(jīng)濟(jì)電流密度設(shè)計(jì)的一般線路，要求按最高氣溫40℃或覆冰無(wú)風(fēng)（對(duì)輕冰地區(qū)為最高氣溫40℃弧垂控制）求得的最大弧垂校驗(yàn)交跨限距。但對(duì)大跨越和重要交叉跨越（如一級(jí)公路、高速公路、標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路），則要求按照導(dǎo)線實(shí)際能達(dá)到的最高溫度70℃，校驗(yàn)交跨限距。

我國(guó)國(guó)網(wǎng)線路企標(biāo)規(guī)定：新建線路必要時(shí)可采取80℃作為允許溫度；如導(dǎo)線允許溫度80℃，則根據(jù)50℃的弧垂按正常限距校驗(yàn)交跨距離。其主要原因系考慮導(dǎo)線40～50℃的弧垂差大于70～80℃的弧垂差，因此可在導(dǎo)線允許溫度從70℃提高到80℃時(shí)，將定位弧垂的溫度相應(yīng)從40℃提高至50℃；如此，對(duì)于一般的平地檔距，可以獲得與現(xiàn)行規(guī)范間的良好配和。

近期開(kāi)展的500kV已建線路的導(dǎo)線允許溫升增容，系參照國(guó)外導(dǎo)線選型經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合國(guó)內(nèi)相關(guān)的試驗(yàn)成果，將導(dǎo)線的允許溫度由70℃提高至80℃。增容后，在導(dǎo)線短時(shí)過(guò)負(fù)溫度80℃下，取小于正常限距的必要限距（操作過(guò)電壓間隙+適當(dāng)裕度）作為校驗(yàn)交跨的內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)[1，5]。

3 載流量的計(jì)算

3.1 載流量計(jì)算方法

國(guó)際上載流量計(jì)算公式很多，如IEEE，IEC，CIGRE，英國(guó)摩爾根和法國(guó)方法等。但其計(jì)算原理都是由導(dǎo)線的發(fā)熱、散熱的熱平衡推導(dǎo)而出，熱平衡方程如下：

式中：Wj為單位長(zhǎng)度導(dǎo)線電阻產(chǎn)生的發(fā)熱功率，W/m；Ws為單位長(zhǎng)度導(dǎo)線的日照吸熱功率，W/m；WR為單位長(zhǎng)度導(dǎo)線的輻射散熱功率，W/m；WF為單位長(zhǎng)度導(dǎo)線的對(duì)流散熱功率，W/m。

前述方法在計(jì)算過(guò)程中考慮的因素不同，因此各公式規(guī)定的系數(shù)有所不同；但如果計(jì)算所取的邊界條件一致，則計(jì)算結(jié)果基本相當(dāng)[5-7]。

目前，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的載流量計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，通常采用線路規(guī)程、文獻(xiàn)[8]中提供的方法，即英國(guó)摩爾根公式。

3.2 決定導(dǎo)線輸電能力的因素

環(huán)境溫度、導(dǎo)線發(fā)熱允許溫度、風(fēng)速、日照強(qiáng)度、表面吸熱系數(shù)、表面散熱系數(shù)等因素對(duì)導(dǎo)線輸電能力的影響較大。線路規(guī)程計(jì)算一般線路載流量時(shí)，參數(shù)的選取如表2所示。

表2 線路規(guī)程采取的計(jì)算參數(shù)

以LGJ-400/35鋼芯鋁絞線為例，將表2所列的參數(shù)作為基準(zhǔn)，逐個(gè)改變其中某一參數(shù)，對(duì)載流量計(jì)算結(jié)果的影響敏感性分析如下：垂直于導(dǎo)線的風(fēng)速±0.4m/s，影響載流量計(jì)算結(jié)果16%～36%；日照強(qiáng)度±50%，影響載流量計(jì)算結(jié)果14%～20%；環(huán)境溫度±5℃，影響載流量計(jì)算結(jié)果10%～12%；新線的載流量（吸熱系數(shù)取0.23～0.43，散熱系數(shù)取0.35～0.46），較使用多年的舊線（吸熱、散熱系數(shù)均取0.9）要增加3%～7%；較發(fā)熱允許溫度70℃時(shí)的載流量，允許溫度80℃時(shí)可提高20%，90℃時(shí)可提高36%，120℃時(shí)可提高75%。

4 手冊(cè)和標(biāo)準(zhǔn)間載流量限值的比較

線路規(guī)程僅列出了載流量計(jì)算公式，未就具體導(dǎo)線型號(hào)列出限值；文獻(xiàn)[9]、導(dǎo)體規(guī)定列出了部分導(dǎo)線載流量限值，但未列出計(jì)算公式；文獻(xiàn)[8]列出了計(jì)算公式和部分導(dǎo)線的載流量限值。

文獻(xiàn)[8]、文獻(xiàn)[9]和導(dǎo)體規(guī)定的限值，與線路規(guī)程相比，400～630mm2標(biāo)稱(chēng)截面的鋼芯鋁絞線，當(dāng)允許溫度為70℃時(shí)，高出3%～19%；當(dāng)導(dǎo)線允許溫度為80℃時(shí)，低1%～6%。其原因主要系邊界條件與線路規(guī)程不一致，如70℃允許溫度時(shí)，不計(jì)入日照；80℃允許溫度時(shí)，導(dǎo)線表面散熱、輻射系數(shù)取0.5等；此外，文獻(xiàn)[8]、文獻(xiàn)[9]和導(dǎo)體規(guī)定均系按照環(huán)境溫度25℃計(jì)算出基準(zhǔn)值后，其余環(huán)境溫度則按照一定的系數(shù)進(jìn)行修正，這也是限值差異的原因。確定架空線路熱穩(wěn)極限載流量，適合于采用線路規(guī)程計(jì)算值。

5 熱穩(wěn)極限載流量、輸送容量推薦值

江蘇省220kV，500kV架空線路目前最常用的3種導(dǎo)線為L(zhǎng)GJ-300/25，LGJ-400/35和LGJ-630/45型鋼芯鋁絞線，依據(jù)線路規(guī)程計(jì)算出的導(dǎo)線熱穩(wěn)極限載流量、輸送容量推薦值如表3和表4所示。

表3 常用導(dǎo)線熱穩(wěn)極限載流量推薦值

表4 線路熱穩(wěn)極限輸送容量

6 提高輸電能力的措施

6.1 總結(jié)江蘇電網(wǎng)運(yùn)行和氣象記錄統(tǒng)計(jì)規(guī)律

我國(guó)的計(jì)算邊界條件規(guī)定較為嚴(yán)格，如采用IEC的參數(shù)，計(jì)算載流量將增加20%左右[6]。建議今后在總結(jié)江蘇電網(wǎng)運(yùn)行和氣象記錄統(tǒng)計(jì)規(guī)律的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究氣溫、風(fēng)速、日照等環(huán)境因素對(duì)取值的影響，確立符合江蘇省省情的計(jì)算邊界條件。

6.2 提高導(dǎo)線允許溫度

提高導(dǎo)線允許溫度，可顯著提高載流量。如將鋼芯鋁絞線的允許線溫由70℃提高至80℃時(shí)，導(dǎo)線的機(jī)械強(qiáng)度、配套金具，對(duì)地及對(duì)交叉跨越物的距離基本沒(méi)影響或采取措施可以解決，但載流量可提高20%以上。

國(guó)內(nèi)目前架空輸電線路多采用鋼芯鋁絞線，其事故短時(shí)允許線溫為70～80℃；而日本、西歐、北美等，其值為120℃。因此就事故短時(shí)允許線溫而言，國(guó)內(nèi)導(dǎo)線尚有一定的增容空間。

6.3 應(yīng)用增容導(dǎo)線

增容導(dǎo)線是在架空輸電線路上使用的特種導(dǎo)線，它是對(duì)在相同導(dǎo)體截面的情況下，相對(duì)于傳統(tǒng)鋼芯鋁絞線能輸送更多電能的若干種類(lèi)導(dǎo)線的總稱(chēng)。增容導(dǎo)線特別適用于通道條件緊張地區(qū)的已建線路增容改造，利用原有線路桿塔、基礎(chǔ)資源（或改造個(gè)別桿塔、基礎(chǔ)），通過(guò)更換導(dǎo)線實(shí)現(xiàn)增容。

目前，江蘇省500kV電網(wǎng)未應(yīng)用增容導(dǎo)線，但220kV電網(wǎng)已有多條線路應(yīng)用。220kV線路常用的增容導(dǎo)線按使用的關(guān)鍵材料、技術(shù)差異劃分，主要有鋁包殷鋼芯鋁合金絞線、碳纖維合成芯鋁絞線、間隙型鋼芯鋁合金絞線等3種。價(jià)格因素是增容導(dǎo)線推廣應(yīng)用的主要障礙，早期實(shí)施的增容工程，成品導(dǎo)線（或核心部件）多依賴(lài)進(jìn)口，近年國(guó)內(nèi)已基本實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)，價(jià)格呈下降趨勢(shì)。

6.4 基于在線動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的增容

前述線路載流量的計(jì)算值系靜態(tài)值，它是以嚴(yán)酷氣象條件為基礎(chǔ)而確定的保守靜態(tài)極限容量。但事實(shí)上，這樣的惡劣氣象條件很少發(fā)生，這就造成了線路在絕大多數(shù)情況下，不能有效發(fā)揮其輸送能力，浪費(fèi)了部分資源。

輸電在線動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)導(dǎo)線溫度、氣象條件等進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，在不違背現(xiàn)行技術(shù)規(guī)程的條件下，充分挖掘輸電線路的隱性容量。

應(yīng)用基于在線動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的增容系統(tǒng)，架空線路輸送容量較靜態(tài)輸送容量可增加10%～30%[7，10-11]，華東電網(wǎng)500kV瓶武5905線和山東電網(wǎng)220kV羅彥線已開(kāi)展該方面的增容實(shí)踐。

7 結(jié)束語(yǔ)

（1）國(guó)內(nèi)架空線路導(dǎo)線截面目前主要由事故載流量和年費(fèi)用控制。

（2）國(guó)外一般按允許發(fā)熱條件選擇導(dǎo)線截面，并考慮在事故短時(shí)過(guò)負(fù)荷情況下，適當(dāng)提高溫度限值，所以導(dǎo)線截面比按經(jīng)濟(jì)電流密度選擇小一些。

（3）環(huán)境溫度、導(dǎo)線發(fā)熱允許溫度、風(fēng)速、日照強(qiáng)度、表面吸熱系數(shù)、表面散熱系數(shù)等因素對(duì)導(dǎo)線輸電能力的影響較大。

（4）確定架空線路輸送容量，不宜直接采用文獻(xiàn)[8]、文獻(xiàn)[9]和導(dǎo)體規(guī)定中所列數(shù)值，而應(yīng)根據(jù)線路規(guī)程進(jìn)行計(jì)算后得出。

（5）江蘇省220kV以上輸電網(wǎng)常用的LGJ-300/25，LGJ-400/35和LGJ-630/453 種導(dǎo)線，允許線溫70℃時(shí)，熱穩(wěn)極限輸送電流分別為570 A，662 A和795 A；允許線溫80℃時(shí)，熱穩(wěn)極限輸送電流分別為682 A，795 A和1065 A。

（6）提高輸電能力可采取總結(jié)電網(wǎng)運(yùn)行和氣象記錄統(tǒng)計(jì)規(guī)律、提高導(dǎo)線允許溫度、應(yīng)用增容導(dǎo)線和應(yīng)用在線動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等措施。

[1] 葉鴻聲，龔大衛(wèi)，黃偉中.提高導(dǎo)線允許溫度增加線路輸送容量的研究及在500kV線路上的應(yīng)用[J].華東電力，2006，34(8)：43-46.

[2] DL/T5092—1999，110～500kV架空送電線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程[S].

[3] DL/T5222—2005,導(dǎo)體和電器選擇設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定[S].

[4] Q/GDW 179—2008，110kV～750kV架空輸電線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定[Z].

[5] 錢(qián)之銀，張啟平.提高華東電網(wǎng)500kV輸電線路輸送能力的措施[J].電力設(shè)備，2005，6(10)：8-13.

[6] 葉鴻聲.高壓輸電線路導(dǎo)線載流量計(jì)算的探討[J].電力建設(shè)，2000，21(12)：23-26.

[7] 韓芳，徐青松，侯煒，等.架空導(dǎo)線動(dòng)態(tài)載流量計(jì)算方法的應(yīng)用[J].電力建設(shè)，2008，29(1)：39-43.

[8] 水利電力部西北電力設(shè)計(jì)院.電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊(cè)（第一冊(cè)）[M].北京：中國(guó)電力出版社，1989.

[9] 電力工業(yè)部電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院.電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)電力出版社，1998.

[10] 張啟平，錢(qián)之銀.輸電線路實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)增容的可行性研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2005，29(19)：18-21.

[11] 葉自強(qiáng)，朱和平.提高輸電線路輸送容量的研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2006，30(S)：258-263.