周象賢,王少華,蔣愉寬,李特
(國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院,杭州310014)
輸配電技術(shù)
高壓架空輸電線(xiàn)路短時(shí)輸電能力評(píng)估方法研究
周象賢,王少華,蔣愉寬,李特
(國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院,杭州310014)
為保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行,架空輸電線(xiàn)路在應(yīng)急狀態(tài)下應(yīng)具備短時(shí)過(guò)負(fù)荷能力,線(xiàn)路運(yùn)行部門(mén)必須根據(jù)線(xiàn)路的實(shí)際情況確定其短時(shí)輸電限額。討論了影響架空輸電線(xiàn)路短時(shí)輸電能力的導(dǎo)線(xiàn)、金具、通道環(huán)境等各因素,從電流階躍情況下導(dǎo)線(xiàn)溫升計(jì)算和線(xiàn)路凈空距離計(jì)算二個(gè)方面提出了線(xiàn)路短時(shí)輸電能力的評(píng)估方法,最后應(yīng)用該方法對(duì)一條500 kV架空輸電線(xiàn)路的短時(shí)輸電能力進(jìn)行了評(píng)估。
架空線(xiàn)路;輸電能力;過(guò)負(fù)荷;評(píng)估
當(dāng)電力系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)故障時(shí),為保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行,需要架空輸電線(xiàn)路具有短時(shí)過(guò)負(fù)荷能力。由于調(diào)度部門(mén)故障處理時(shí)限約為30 min,故通常要求架空輸電線(xiàn)路具備30 min的短時(shí)過(guò)負(fù)荷運(yùn)行能力。浙江省電力系統(tǒng)運(yùn)行中確定架空輸電線(xiàn)路長(zhǎng)期輸送限額時(shí)均要對(duì)某線(xiàn)路N-1故障時(shí)其他線(xiàn)路輸送容量是否會(huì)超過(guò)30 min短時(shí)輸送限額進(jìn)行校驗(yàn)。因此,架空線(xiàn)路的短時(shí)過(guò)負(fù)荷能力對(duì)其長(zhǎng)期載輸送限額的確定具有重要影響。
合理評(píng)估架空輸電線(xiàn)路的短時(shí)輸電能力是線(xiàn)路運(yùn)行部門(mén)的一項(xiàng)重要工作,但目前線(xiàn)路設(shè)計(jì)規(guī)范[1]和運(yùn)行規(guī)程[2]都沒(méi)有對(duì)架空輸電線(xiàn)路短時(shí)輸電能力評(píng)估方法做出詳細(xì)規(guī)定,導(dǎo)致該項(xiàng)工作缺乏可靠依據(jù)。目前,一般按照線(xiàn)路設(shè)計(jì)溫度加10℃考慮其短時(shí)輸電能力。
架空輸電線(xiàn)路短時(shí)過(guò)負(fù)荷運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)線(xiàn)和金具溫度增高、線(xiàn)路弧垂增大等問(wèn)題,為了建立較為科學(xué)的線(xiàn)路短時(shí)輸電能力評(píng)估方法,對(duì)影響線(xiàn)路短時(shí)輸電能力的各因素進(jìn)行了分析,并以此為基礎(chǔ)建立了架空線(xiàn)路短時(shí)輸電能力評(píng)估方法。
1.1 導(dǎo)線(xiàn)
當(dāng)電流通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)時(shí),由于導(dǎo)線(xiàn)本身存在電阻,會(huì)持續(xù)產(chǎn)生熱量,太陽(yáng)輻照在導(dǎo)線(xiàn)表面時(shí),導(dǎo)線(xiàn)也會(huì)吸熱,這些熱量會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)線(xiàn)升溫。但空氣對(duì)流、導(dǎo)線(xiàn)表面向外輻射熱量會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)線(xiàn)降溫。因此,在線(xiàn)路短時(shí)過(guò)負(fù)荷運(yùn)行時(shí),導(dǎo)線(xiàn)溫度將隨通流時(shí)間、電流大小、環(huán)境條件等參數(shù)的變化而變化。導(dǎo)線(xiàn)溫度顯然不能夠無(wú)限制升高,否則將導(dǎo)致導(dǎo)線(xiàn)熔斷,因而評(píng)估線(xiàn)路短時(shí)輸電能力首先要確定導(dǎo)線(xiàn)的最高允許溫度。
線(xiàn)路設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定,鋼芯鋁絞線(xiàn)最高允許溫度通常選70℃,必要時(shí)可按80℃考慮[1]。該規(guī)程中的線(xiàn)路最高允許溫度是基于線(xiàn)路長(zhǎng)期運(yùn)行的角度考慮的,如果將此作為線(xiàn)路短時(shí)最高允許溫度,將導(dǎo)致線(xiàn)路不具備短時(shí)過(guò)負(fù)荷運(yùn)行能力。
導(dǎo)線(xiàn)在高溫下運(yùn)行時(shí)會(huì)緩慢退火、老化,可能使其機(jī)械強(qiáng)度發(fā)生損失。但導(dǎo)線(xiàn)的強(qiáng)度損失是有積累效應(yīng)的,線(xiàn)路短時(shí)過(guò)負(fù)荷運(yùn)行不常發(fā)生,因此對(duì)導(dǎo)線(xiàn)強(qiáng)度損失幾乎可忽略不計(jì)。有調(diào)研表明,日本、北美和西歐的鋼芯鋁絞線(xiàn)事故短時(shí)最高允許導(dǎo)線(xiàn)溫度均為120℃[3]。綜上所述,導(dǎo)線(xiàn)溫度短時(shí)超過(guò)設(shè)計(jì)溫度對(duì)其機(jī)械強(qiáng)度影響不大。
1.2 金具
在線(xiàn)路運(yùn)行過(guò)程中,線(xiàn)夾因接觸傳導(dǎo)表面累積氧化導(dǎo)致接觸電阻增加,會(huì)使溫度進(jìn)一步上升并落入惡性升溫循環(huán),從而最終發(fā)生事故。這也是1979版設(shè)計(jì)規(guī)范把導(dǎo)線(xiàn)允許溫度從90℃下降到70℃的原因。需要指出的是,線(xiàn)夾表面積累氧化是針對(duì)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行而言的,線(xiàn)路短時(shí)過(guò)負(fù)荷運(yùn)行的情況并不會(huì)經(jīng)常發(fā)生,且每次持續(xù)時(shí)間不超過(guò)30 min,因而對(duì)線(xiàn)夾積累氧化的影響不大。
原浙江省電力試驗(yàn)研究所曾對(duì)運(yùn)行多年的直線(xiàn)接續(xù)管和耐張線(xiàn)夾與舊導(dǎo)線(xiàn)組合體進(jìn)行熱循環(huán)和握力試驗(yàn),結(jié)果表明,同等長(zhǎng)度的連接金具溫度低于導(dǎo)線(xiàn)溫度,握力仍符合標(biāo)準(zhǔn)要求[4]。這是因?yàn)閱挝婚L(zhǎng)度金具電阻相對(duì)較小,散熱面積相對(duì)大。這說(shuō)明在導(dǎo)線(xiàn)的機(jī)械性能沒(méi)有嚴(yán)重受損的溫度范圍內(nèi),架空線(xiàn)路短時(shí)過(guò)負(fù)荷運(yùn)行所造成的溫升對(duì)配套金具的機(jī)械性能影響有限。
1.3 通道環(huán)境
架空線(xiàn)路溫度升高后,導(dǎo)線(xiàn)張力會(huì)下降,導(dǎo)致線(xiàn)路弧垂增大。弧垂增加會(huì)引起線(xiàn)路對(duì)地及交叉跨越物的距離減小,影響線(xiàn)路的安全運(yùn)行。因此,必須對(duì)線(xiàn)路的凈空距離進(jìn)行校核。
我國(guó)的線(xiàn)路設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定,線(xiàn)路凈空距離并不是按照導(dǎo)線(xiàn)可能達(dá)到的最高溫度進(jìn)行計(jì)算,而是按照最高溫度減30℃進(jìn)行計(jì)算,線(xiàn)路大跨越段,按照最高溫度計(jì)算凈空距離[1]。線(xiàn)路凈空距離控制值隨線(xiàn)路電壓等級(jí)、所處環(huán)境、被跨越物類(lèi)型的變化而變化,詳情列于表1。
表1 高壓架空線(xiàn)路最小凈空距離m
架空線(xiàn)路的各類(lèi)最小凈空距離的制定依據(jù),是在操作過(guò)電壓最小間隙距離加上一定裕量,如果線(xiàn)路下方可能由人員活動(dòng)或車(chē)輛等通過(guò),還需要加上被跨越物的高度。對(duì)于架空線(xiàn)路短時(shí)過(guò)負(fù)荷的情況,線(xiàn)路設(shè)計(jì)規(guī)范并沒(méi)有明確規(guī)定。但是線(xiàn)路設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定,驗(yàn)算導(dǎo)線(xiàn)最高溫度情況下對(duì)被交叉跨越物的間隙距離,按操作過(guò)電壓間隙校驗(yàn)[1]。有研究認(rèn)為線(xiàn)路短時(shí)過(guò)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的凈空距離校驗(yàn)可以參照此項(xiàng)規(guī)定進(jìn)行,也即對(duì)500 kV,220 kV和110 kV線(xiàn)路分別采用2.5 m,1.45 m和0.7 m加適當(dāng)裕量(通常為0.5 m)校驗(yàn)其短時(shí)過(guò)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的凈空距離[5]。
線(xiàn)路通道環(huán)境對(duì)架空線(xiàn)路的短時(shí)過(guò)負(fù)荷運(yùn)行能力有較大的影響,需要針對(duì)具體線(xiàn)路進(jìn)行計(jì)算和分析。
本文提出的架空線(xiàn)路短時(shí)30 min輸電能力評(píng)估方法包含了2個(gè)方面的內(nèi)容,分別是導(dǎo)線(xiàn)在電流階躍情況下的升溫過(guò)程計(jì)算和導(dǎo)線(xiàn)升溫后的線(xiàn)路凈空距離計(jì)算。
2.1 導(dǎo)線(xiàn)動(dòng)態(tài)熱平衡計(jì)算
架空線(xiàn)路在電流發(fā)生階躍后,導(dǎo)線(xiàn)原有的熱平衡被打破,導(dǎo)線(xiàn)溫度會(huì)有一個(gè)上升過(guò)程,直到達(dá)到新的熱平衡為止。導(dǎo)線(xiàn)的動(dòng)態(tài)熱平衡可按下式進(jìn)行計(jì)算[6]:
式中:T為導(dǎo)線(xiàn)溫度;t為時(shí)間;qc為導(dǎo)體對(duì)流散熱;qr為導(dǎo)體輻射散熱;qs為導(dǎo)體日照吸熱;I為線(xiàn)路載流量;R為考慮了集膚效應(yīng)、溫度效應(yīng)后的導(dǎo)線(xiàn)交流電阻值。
為了獲得常用導(dǎo)線(xiàn)的電流階躍溫升特性,選取了LGJ-800/55,LGJ-630/45,LGJ-400/35 3種導(dǎo)線(xiàn),按照(1)式對(duì)給定溫升上限條件下的導(dǎo)線(xiàn)短時(shí)通流能力進(jìn)行了計(jì)算,計(jì)算結(jié)果如表2所示。計(jì)算中環(huán)境條件分別取夏季和春秋季參數(shù),環(huán)境溫度和日照強(qiáng)度見(jiàn)表2,輻照系數(shù)和吸收系數(shù)均取0.9。導(dǎo)線(xiàn)的短時(shí)允許溫度取90℃,電流階躍前導(dǎo)線(xiàn)溫度在40℃~70℃之間變化。
表2 常用導(dǎo)線(xiàn)短時(shí)30 min通流能力
從表2的計(jì)算結(jié)果可見(jiàn),在相同的環(huán)境條件下,導(dǎo)線(xiàn)的起始溫度對(duì)導(dǎo)線(xiàn)短時(shí)通流能力的影響有限,起始溫度從40℃增大到70℃時(shí),導(dǎo)線(xiàn)的短時(shí)通流能力變化不超過(guò)8%。與之形成鮮明對(duì)比的是環(huán)境溫度和日照強(qiáng)度對(duì)導(dǎo)線(xiàn)短時(shí)通流能力影響很大,同一導(dǎo)線(xiàn)在夏季和春秋季的短時(shí)通流能力差別可達(dá)到21%以上。
圖1所示為L(zhǎng)GJ-630/45導(dǎo)線(xiàn)在夏季環(huán)境條件下起始溫度為40℃,當(dāng)電流階躍至1 265 A時(shí)的溫升過(guò)程,此時(shí)的導(dǎo)線(xiàn)短時(shí)允許溫度為90℃。圖2所示為不同短時(shí)允許溫度下,LGJ-630/45導(dǎo)線(xiàn)在夏季環(huán)境條件下,起始溫度為40℃時(shí)的短時(shí)通流能力。導(dǎo)線(xiàn)短時(shí)通流能力與允許溫度間呈現(xiàn)近似線(xiàn)性變化關(guān)系,允許溫度每增加10℃,載流量約增加160 A??梢?jiàn)導(dǎo)線(xiàn)短時(shí)允許溫度對(duì)其通流能力影響較大,而正如前文的分析,導(dǎo)線(xiàn)短時(shí)允許溫度主要取決于通道情況。
圖1 LGJ-630/45導(dǎo)線(xiàn)電流階躍溫升特性
圖2 LGJ-630/45導(dǎo)線(xiàn)短時(shí)載流量與允許溫度關(guān)系
2.2 線(xiàn)路凈空距離計(jì)算
溫度上升之后,導(dǎo)線(xiàn)張力會(huì)下降,導(dǎo)致弧垂增加,線(xiàn)路凈空距離減小。導(dǎo)線(xiàn)的短時(shí)允許溫度取決于線(xiàn)路的凈空距離是否滿(mǎn)足要求。線(xiàn)路的凈空距離計(jì)算涉及到導(dǎo)線(xiàn)性能參數(shù)、線(xiàn)路設(shè)計(jì)參數(shù)和通道地形與植被數(shù)據(jù)。通道地形和植被數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量較大,并且線(xiàn)路投運(yùn)后其通道內(nèi)植被情況可能會(huì)發(fā)生變化,直接使用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算工作量將較大并且也無(wú)必要。
圖3所示為2基桿塔間的導(dǎo)線(xiàn)凈空距離示意圖,其中d1和d2分別為線(xiàn)路設(shè)計(jì)校核溫度下和短時(shí)允許溫度下的凈空距離。由于直接求取d2需要用到地形數(shù)據(jù)和地面植被數(shù)據(jù),本文改為計(jì)算d1-d2,即導(dǎo)線(xiàn)溫度從設(shè)計(jì)校核溫度上升到短時(shí)允許溫度時(shí)的弧垂增量,這一增量?jī)H和導(dǎo)線(xiàn)性能參數(shù)和線(xiàn)路設(shè)計(jì)參數(shù)有關(guān)。獲得這一弧垂增量后,結(jié)合表1中所列的線(xiàn)路設(shè)計(jì)時(shí)的最小凈空距離,就可以判定線(xiàn)路短時(shí)過(guò)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的凈空距離是否滿(mǎn)足操作過(guò)電壓間隙的要求。
表3所示為常用鋼芯鋁絞線(xiàn)在70℃,80℃,90℃,100℃下相對(duì)于40℃(設(shè)計(jì)校核溫度)時(shí)的弧垂增量最大值計(jì)算結(jié)果。計(jì)算條件:桿塔水平間距400 m;桿塔等高;設(shè)計(jì)最大風(fēng)速30 m/s、最大覆冰厚度20 mm;最低溫度-10℃。
圖3 不同校核溫度下的線(xiàn)路最小凈空距離
表3 常用導(dǎo)線(xiàn)弧垂增量最大值 m
計(jì)算表明,對(duì)于每一特定的導(dǎo)線(xiàn),溫度每增加10℃,其弧垂近似線(xiàn)性增加,并且導(dǎo)線(xiàn)越粗,弧垂增量越大。對(duì)于實(shí)際的高壓輸電線(xiàn)路,由于長(zhǎng)度較長(zhǎng),其設(shè)計(jì)參數(shù)、導(dǎo)線(xiàn)參數(shù)、交叉跨越情況等沿線(xiàn)會(huì)發(fā)生變化,因而需要沿線(xiàn)逐桿塔進(jìn)行凈空距離計(jì)算。
2.3 線(xiàn)路短時(shí)通流能力的確定
輸電線(xiàn)路長(zhǎng)期在野外運(yùn)行,不同時(shí)期天氣條件變化較大,在線(xiàn)路載流量計(jì)算時(shí)通常會(huì)假設(shè)較為嚴(yán)苛的環(huán)境條件,但是線(xiàn)路的短時(shí)通流能力評(píng)估時(shí)需要考慮到如下因素:
(1)線(xiàn)路覆冰時(shí)環(huán)境溫度較低,導(dǎo)線(xiàn)溫度也較低,短時(shí)過(guò)負(fù)荷運(yùn)行難以達(dá)到溫度允許值,因此在凈空距離計(jì)算時(shí)可不考慮線(xiàn)路覆冰情況。
(2)在有風(fēng)的情況下,線(xiàn)路載荷會(huì)增大,表4所示為某典型線(xiàn)路(該線(xiàn)路參數(shù)見(jiàn)下節(jié))在不同的風(fēng)速條件下,線(xiàn)路的短時(shí)允許溫度和短時(shí)輸送容量限額計(jì)算結(jié)果。該計(jì)算結(jié)果表明風(fēng)速增大對(duì)線(xiàn)路弧垂的影響幾乎可以忽略不計(jì)。但與之形成鮮明對(duì)比的是,風(fēng)速增大帶來(lái)的散熱效果非常明顯,風(fēng)速大時(shí)導(dǎo)線(xiàn)溫度較低。因而本文中線(xiàn)路短時(shí)通流能力評(píng)估時(shí)選取了較低的風(fēng)速,其值為0.5 m/s。
圖4所示為線(xiàn)路短時(shí)通流能力評(píng)估流程,主要是在不同的允許溫度下計(jì)算弧垂和短時(shí)載流量,取弧垂不超限時(shí)的最大載流量值為線(xiàn)路短時(shí)輸電容量限額。線(xiàn)路短時(shí)載流量計(jì)算中,選取起始溫度為導(dǎo)線(xiàn)長(zhǎng)期運(yùn)行允許溫度。
表4 不同風(fēng)速下的線(xiàn)路短時(shí)通流能力
圖4 線(xiàn)路短時(shí)通流能力評(píng)估流程
基于以上提出的評(píng)估方法,對(duì)一條500 kV架空輸電線(xiàn)路的短時(shí)通流能力進(jìn)行評(píng)估。該線(xiàn)路全長(zhǎng)120 km,全線(xiàn)采用4×LGJ-630/45導(dǎo)線(xiàn)。如圖5所示,該線(xiàn)路所穿越地區(qū)為山區(qū),桿塔所在位置最低海拔約50 m,最高海拔約850 m。全線(xiàn)共約270基桿塔,其中耐張塔90基,耐張塔分布如圖4中紅線(xiàn)所示。該線(xiàn)路包含3處大跨越,分別跨越了高速公路、河流和國(guó)道。線(xiàn)路交叉跨越500 kV線(xiàn)路1處、220 kV線(xiàn)路3處、110 kV線(xiàn)路3處。
圖5 500kV線(xiàn)路海拔與耐張段分布
該線(xiàn)路設(shè)計(jì)最大風(fēng)速30 m/s、最大覆冰厚度20 mm、最低溫度-10℃,設(shè)計(jì)時(shí)凈空距離校核溫度50℃(大跨越除外)。圖6所示為在無(wú)風(fēng)無(wú)冰天氣條件下,導(dǎo)線(xiàn)溫度分別為80℃,90℃和100℃時(shí)相對(duì)50℃時(shí)的弧垂增量情況。80℃,90℃和100℃時(shí)的線(xiàn)路最大弧垂增量分別為2.14 m,2.84 m,3.53 m,從圖6可見(jiàn)隨著導(dǎo)線(xiàn)溫度的升高,弧垂增量大于2 m的導(dǎo)線(xiàn)段數(shù)逐漸增多。
圖6 弧垂增量分布
根據(jù)本文提出的評(píng)估方法,最終計(jì)算得到該線(xiàn)路短時(shí)允許溫度為95℃,弧垂越限位置為與一條110 kV架空輸電線(xiàn)路的交叉跨越處。該線(xiàn)路的短時(shí)輸送容量限額為5 120 A。
(1)線(xiàn)路短時(shí)允許溫度主要取決于弧垂增量,導(dǎo)線(xiàn)溫度短時(shí)升高對(duì)其機(jī)械強(qiáng)度影響不大。
(2)環(huán)境溫度和日照強(qiáng)度對(duì)導(dǎo)線(xiàn)短時(shí)通流能力影響較大,而電流階躍前的導(dǎo)線(xiàn)起始溫度對(duì)短時(shí)通流能力影響相對(duì)較小。
(3)風(fēng)力對(duì)線(xiàn)路弧垂影響可忽略不計(jì),但增強(qiáng)導(dǎo)線(xiàn)散熱能力的效果較為顯著,因此線(xiàn)路短時(shí)輸電能力評(píng)估時(shí)應(yīng)采用較低的風(fēng)速值。
(4)不同的輸電線(xiàn)路通道環(huán)境差異較大,因此需要進(jìn)行沿線(xiàn)逐級(jí)桿塔凈空距離計(jì)算,以確定線(xiàn)路短時(shí)輸電能力。
[1]GB 50545-2010 110 kV~750 kV架空輸電線(xiàn)路設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2010.
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(本文編輯:楊勇)
Research on Assessment Method for Short-time Transmission Capability of HV Overhead Transmission Lines
ZHOU Xiangxian,WANG Shaohua,JIANG Yukuan,LI Te
(State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute,Hangzhou 310014,China)
It requires short-time overload capability for overhead transmission lines in emergency condition to guarantee operation safety and stability of power system.Therefore,the operation department of overhead transmission lines must determine the short-time transmission limits according to the actuality of overhead transmission lines.This paper discusses the various factors such as conductors,hardware fittings and corridor environment that influence the short-time transmission capability of overhead transmission lines;moreover,it presents the assessment method for short-time transmission capability in terms of conductor temperature rise calculation in current step and calculation of net distances of overhead transmission lines.In the final,the method is applied to short-time transmission capability assessment of a 500 kV overhead transmission line.
overhead transmission lines;transmission capability;overload;assessment
TM711.1
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:1007-1881(2016)04-0001-05
2015-12-14
周象賢(1987),男,工程師,研究方向?yàn)檩旊娋€(xiàn)路防雷、輸送容量與電暈。