黃俊杰，周學(xué)明，盧 萍，胡丹暉，雷成華

（1.國網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢430077；2.國家電網(wǎng)有限公司高壓電器設(shè)備現(xiàn)場實驗技術(shù)重點(diǎn)實驗室，湖北 武漢430077；3.國網(wǎng)湖北省電力有限公司，湖北 武漢430077）

0 引言

架空輸電線路的允許載流量是線路設(shè)計和運(yùn)行的重要數(shù)據(jù)。在不改變現(xiàn)有輸電線路結(jié)構(gòu)和確保電網(wǎng)安全運(yùn)行的前提下，挖掘現(xiàn)有線路輸電潛力，增加現(xiàn)有輸電線路輸送容量，提高線路利用效率，解決用電高峰及部分線路故障等條件下的輸電“瓶頸”問題，緩解電力供需矛盾［1-7］。冬季環(huán)境溫度低，對于易覆冰的架空輸電線路，適當(dāng)提高其載流量，還有利于抑制導(dǎo)線覆冰過程［8-10］。

輸電線路最大允許載流量主要由變電設(shè)備的容量和輸電線路特性兩方面因素決定［11］，其中輸電線路特性包括導(dǎo)線耐受溫度、應(yīng)力和對地安全距離等。在湖北電網(wǎng)開展關(guān)鍵斷面輸電線路允許輸送載流量校核工作中，線路本身允許的最大載流量核算是基礎(chǔ)和關(guān)鍵步驟。

本文以某220 kV 架空輸電線路允許載流量計算為例，闡述查表法、國標(biāo)法和IEEE 法的計算過程及相關(guān)參數(shù)求解方法。

1 計算邊界條件

相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)《GB 50545-2010 110 kV～750 kV架空輸電線路設(shè)計規(guī)范》和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《DL/T 5222-2005導(dǎo)體和電器選擇設(shè)計技術(shù)規(guī)定》中明確規(guī)定了校核架空輸電線路最大允許載流量時，導(dǎo)線允許溫度和邊界條件取值要求，如表1所示［12-13］。

表1 導(dǎo)線允許溫度和邊界條件取值要求Table 1 Requirements of allowable temperature and boundary condition

待計算載流量輸電線路導(dǎo)線型號為2×JL/G1A-400/35-48/7 鋼芯鋁絞線，考慮到湖北氣象地理特征，按實際工況，計算邊界條件為：環(huán)境溫度40 ℃，導(dǎo)線最高允許溫度80 ℃，計算風(fēng)速0.5 m/s，導(dǎo)線表面黑度0.9，導(dǎo)線海拔高度50 m，運(yùn)行于干凈環(huán)境。

對于分裂導(dǎo)線，由于子導(dǎo)線溫度場相互影響會一定程度不利于散熱，導(dǎo)致允許載流量有所下降，但在工程實踐中這種影響可以忽略［14］。因此，對于分裂導(dǎo)線架空輸電線路允許載流量采用單根導(dǎo)線載流量乘以分裂數(shù)的方式求取。

2 查表法

在各種計算架空輸電線路載流量的方法中，圖表法是最簡單的。該方法規(guī)定導(dǎo)線允許的最高運(yùn)行溫度為70 ℃，以25 ℃時的導(dǎo)線載流量為基準(zhǔn)，不同的環(huán)境溫度下的載流量按表2 的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。查閱《架空導(dǎo)線載流量及輸送容量速查表》2×JL/G1A-400/35-48/7 鋼芯鋁絞線對應(yīng)基準(zhǔn)載流量為1 690 A，按環(huán)境溫度40 ℃，導(dǎo)線最高允許溫度80 ℃查得校正系數(shù)為0.858，允許載流量為1 450 A。

3 Morgan公式法

3.1 計算過程

架空輸電線路允許載流量計算方法較多，其中英國Morgan 公式應(yīng)用較廣［15-19］，也是GB50545-2010 推薦的計算方法。該方法是基于熱平衡原理提出的，即在導(dǎo)線允許的最高運(yùn)行溫度時，導(dǎo)線產(chǎn)生的熱量與損失的熱量平衡，這時導(dǎo)線上流過的電流即為允許載流量。運(yùn)行中導(dǎo)線產(chǎn)生熱量的來源是電流流過線路電阻發(fā)熱和日照，而熱量損失的途徑是輻射和對流。所以，導(dǎo)線載流量為：

表2 導(dǎo)線載流量的校正系數(shù)（導(dǎo)線額定溫度70 ℃）Table 2 Correction factor of wire current carrying capacity(Conductor rated temperature 70 ℃)

式（1）中，WR為輻射散熱功率（W/m），其值為

式（2）中，D為導(dǎo)線直徑（m）；ε為導(dǎo)線表面輻射散熱系數(shù)，光亮新線取0.23～0.43，舊線或涂黑色防腐劑線取0.9～0.95；S為Stefan-Boltzmann常數(shù)，5.67×10-8W/m2；tp為導(dǎo)線表面允許溫度（℃）；ta為環(huán)境溫度（℃）。

WF為對流散熱功率（W/m），其值為

式（3）中，v為垂直于導(dǎo)線的風(fēng)速（m/s）。

WS為日照吸熱功率（W/m），其值為WS= αJD，其中α為導(dǎo)線表面吸熱系數(shù)，光亮新線取0.35～0.46，舊線或涂黑色防腐劑線取0.9～0.95；J為日光對導(dǎo)線的日照強(qiáng)度，在晴天日光直射導(dǎo)線時取1 000 W/m2。

Rt為允許溫度時的交流電阻（Ω/m）。

3.2 交流電阻計算

已知導(dǎo)線型號查閱相關(guān)手冊可以得到20 ℃直流電阻，需要將該值換算為允許溫度時的交流電阻。計算公式為：

式（4）中，R20為導(dǎo)線20 ℃直流電阻，α為導(dǎo)線20 ℃時的電阻溫度系數(shù)，對鋼芯鋁絞線取值在0.004 15/℃～0.004 67/℃之間，LGJ-400/35的實驗數(shù)據(jù)為0.004 29/℃［20］。

由于鋁線在空氣中氧化而形成具有絕緣性的氧化膜，鋼芯鋁絞線通電載流后，電流是沿鋁股線作螺旋形方向流動的，因而形成軸向磁場。雖然導(dǎo)線中相鄰層鋁線的絞向相反，可使一部分磁化力抵消，但仍足以構(gòu)成交變的剩余磁場強(qiáng)度，使鋼芯中產(chǎn)生磁滯和渦流，導(dǎo)致?lián)p耗。同時，由于集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)的影響，使導(dǎo)線中電流分布發(fā)生變化，導(dǎo)致導(dǎo)線電阻的增大［21］。k為交直流電阻比，反映了渦流、磁滯、集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)引起的電阻變化，計算過程復(fù)雜。一般對單層結(jié)構(gòu)的鋼芯鋁絞線，可取1.20；三層結(jié)構(gòu)可取1.03；二層或四層結(jié)構(gòu)可取1.005［22］。

3.3 計算結(jié)果

對于JL/G1A-400/35-48/7 鋼芯鋁絞線，20 ℃直流電阻為7.389×10-5Ω/m，計算得到80 ℃交流電阻為9.570×10-5Ω/m。由相關(guān)導(dǎo)線參數(shù)和邊界條件計算可得3 個功率分別為：WR= 25.495 W/m，WF= 49.029 W/m，WS= 24.138 W/m，其中導(dǎo)線表面輻射散熱系數(shù)和吸熱系數(shù)均取0.9，帶入式（1）得允許載流量為725.6 A。采用2×JL/G1A-400/35-48/7鋼芯鋁絞線輸電線路允許載流量為1 451.2 A。

4 IEEE的載流量計算方法

《IEEE 738-2012 架空輸電線路載流量計算IEEE標(biāo)準(zhǔn)》提出的載流量的計算方法也是基于熱平衡原理提出的，其基本公式仍為式（1）。

輻射散熱功率WR計算方法與Morgan公式一致。

IEEE標(biāo)準(zhǔn)中，對流散熱分為強(qiáng)制對流散熱和自然對流散熱兩種情況，風(fēng)速為0時發(fā)生自然對流；風(fēng)吹過導(dǎo)線將熱空氣帶走時會發(fā)生強(qiáng)制對流，對應(yīng)公式如式（5）、式（6）所示，實際工程中，對流散熱功率WF為兩個公式中值較大的一個［15］。

式（5）、式（6）中，kangle為風(fēng)向因子，μ為空氣動態(tài)粘度，ρ為空氣密度，kf為空氣熱傳導(dǎo)率，vw為風(fēng)速，參數(shù)計算方法可參考文獻(xiàn)［15］。

IEEE 標(biāo)準(zhǔn)中，導(dǎo)線對日照的吸熱量與日照強(qiáng)度、太陽方位和高度角、導(dǎo)體外徑、走向及其表面情況有關(guān)，還受空氣質(zhì)量和天氣情況影響，日照吸熱功率WS為

式（7）中，QS為單位面積的光照熱量，Hc為太陽高度角，θ 為太陽光入射有效角，KS為熱量高度修正因子，參數(shù)計算方法可參考文獻(xiàn)［15］。

待計算線路走向為正北方向，導(dǎo)線海拔高度取50 m，緯度30.56°，日期為2020年9月1日（一年中的第245天），計算得到WF1= 48.17 W/m，WF2= 44.17 W/m，對流散熱功率取WF1。日照吸熱功率和允許載流量計算結(jié)果如表3所示。

表3 日照吸熱功率和允許載流量計算結(jié)果Table 3 Results of solar heat absorption power and allowable currentcarrying capacity

在6：00之前和18：00之后，IEEE計算出的日照吸熱功率迅速下降為很大的負(fù)值，此時沒有陽光，求出的日照吸熱功率沒有意義，同理在采用Morgan公式法計算載流量時，夜晚也不應(yīng)記及日照吸熱功率。

IEEE計算結(jié)果與Morgan公式法相比，輻射散熱功率相同，對流散熱功率計算差異很小，而日照吸熱功率考慮了不同季節(jié)、時刻太陽照射強(qiáng)度不同，結(jié)果為動態(tài)變化值。查表法、Morgan公式法和IEEE公式法計算的允許載流量依次為1 450 A、1 451.2 A、1 459.2 A（12：00 時）。IEEE 公式法考慮的因素最多，計算結(jié)果最準(zhǔn)確。Morgan 公式法在日照強(qiáng)度等方面作了簡化處理，大幅降低了計算復(fù)雜程度，計算得到的允許載流量小于IEEE 公式法的最小值，確保了結(jié)果的熱穩(wěn)定安全性，符合工程實際應(yīng)用需求。查表法僅從導(dǎo)線本身考慮允許載流量，計算過程最簡單，但熱穩(wěn)定的裕度也最大。

Morgan公式法適合于雷諾系數(shù)100～3 000，即環(huán)境溫度40 ℃，風(fēng)速0.5 m/s 時，導(dǎo)線溫度不超過120 ℃的情況［20］。對于導(dǎo)線允許溫度大于這一數(shù)值的，如碳纖維導(dǎo)線允許長期運(yùn)行溫度達(dá)160 ℃，采用這一方法計算允許載流量應(yīng)慎重。

5 結(jié)語

在計算輸電線路穩(wěn)態(tài)允許載流量時，查表法、Morgan 公式法均能夠確保導(dǎo)線的熱穩(wěn)定，其中Morgan公式法計算量適中，符合工程實際應(yīng)用需求。IEEE方法適合于計算動態(tài)允許載流量，需要現(xiàn)場實時氣象數(shù)據(jù)支持，能夠充分挖掘線路輸送電能潛力。

隨著智能電網(wǎng)的建設(shè)，越來越多的輸電線路上安裝有在線氣象監(jiān)測設(shè)備，可以獲取實時環(huán)境變量值，在計算短時過負(fù)荷能力時，結(jié)果將更準(zhǔn)確［23-32］。綜合考慮歷史數(shù)據(jù)、氣象預(yù)報數(shù)據(jù)，還能實現(xiàn)對未來一段時間的環(huán)境變量值的預(yù)測，為提高線路允許載流量提供了條件。

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2.3 藥水浸種消毒：用藥水浸種消毒，應(yīng)先用清水把種子浸泡4～6小時，再放到配好的藥水中，達(dá)到規(guī)定時間后立即撈出，并用清水多投洗幾次，直到種子上不留一點(diǎn)藥劑為止。之后再根據(jù)作物種類繼續(xù)浸種或催芽。

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