提高广东架空送电线路输送容量研究

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1、. . 提高架空送电线路输送容量研究向阳1,周华敏2,晓光2,程启诚1,林声宏31省电力科学研究院,510600；2电网公司,510600； 3华南理工大学,510640StudyonRaising Transmission Capability of Overhead Transmission Line in Guangdong Power Grid PENG Xiang-yang1,ZHOU Hua-min2,ZHENG Xiao-guang2,CHEN Qi-cheng1,LIN Sheng-hong31Guangdong Electric Power Research Institut

2、e,Guangzhou,Guangdong 510600,China；2Guangdong Power Grid Corporation,Guangzhou,Guangdong 510600,China；3South China University of Technolege,Guangzhou,Guangdong 510640,China6 / 6ABSTRACT：Base on introducing control condition of capability carrying of overhead transmission line, the paper gives deeply

3、 analysis on operation term of line and weather parameters surveyed many years in Guangdong area, and establishes allowable current I0 of line natural operation adapting to Guangdong power grid, approves by risk analysis raising line transmission capability 7% hereinbefore. Then foundated on line al

4、lowable current I0 of natural operation, the paper studies residuality of span distance of overhead transmission line, puts forward two allowable current I1、I2 and its working-out principle in special operation mode, makes sure possibility of raising line transmission capability30%50% by surveying a

5、nd checking computation of several operating lines.KEY WORDS：overhead transmission line; transmission capability; environment temperature;span distance; allowable current of naturaloperation; allowable current of special operation摘要：在阐述架空导线载流控制条件同时,深入分析架空送电线路实际运行条件和地区多年实测气象参数,制定出架空线路正常运行允许电流I0,通过严格的

6、风险分析证实现有线路正常载流能力可安全地提高7%以上。在正常允许电流I0的基础上,挖掘运行线路跨越距离裕度,提出架空线路在检修、应急两种特殊运行条件下的允许电流I1、I2及其确定原则,通过对实际线路开展测量和验算,确认电网特殊情况下存在安全增容的可能性,特定线路可以多输送容量30%50%。关键词：架空线路；输送容量；环境温度；跨越距离；正常允许电流；特殊允许电流0 引言近年电网建设及输电能力受到土地、资金、环保压力等诸多因素限制,特别是珠三角地区电网密度逐渐增大,新建线路走廊日益紧缺,由于规划、建设速度等方面的限制,往往存在电能输送和用电需求矛盾；目前线路输送容量限值是基于最恶劣气象条件为维持

7、线路对地安全距离和导线最大工作温度得出的,线路载流运行控制标准偏于保守,线路输电能力没有得到充分利用,实际上绝大多数情况下可以输送更多容量1-5。本文深入分析输电线路载流控制因素和地区运行条件,挖掘线路电能输送潜力,在保证安全的前提下,通过制定适合地区架空线路正常增容运行和特殊增容运行允许电流,来提高输电线路输送容量,最大限度提高输电设备利用率6-11。1导线载流控制条件1.1 导线运行温度的规定验算允许载流量时导线允许温度钢芯铝绞线和钢芯铝合金绞线可采用+70,大跨越可采用+9012。正常运行条件下架空导线温度限制,主要是考虑发热对导线自身机械强度和对导线连接处过热两个因素的影响。1.2 导

8、线发热对机械强度的影响我国和国外都已做了大量的研究工作,前联和其他国家在1980年国际大电网会议上提交的报告证明,钢芯铝绞线在通流发热到150,其机械强度不会下降,有时还会略略上升。导线受热后强度升高的反常现象,原因是加工后各股线残余力不均匀,承受试验拉力时,各股破断先后不齐,以致整体破坏强度偏低。强载流发热后,股线的热伸长平衡了各股线残余应力,各股受力趋于均匀,提高了整体破坏强度。所以导线发热后强度提高是绞股工艺不良造成偶然现象。关于发热温度对机械强度影响问题,结论是载流发热直到150钢芯铝绞线机械强度不会发生有害变化,所以不少国家规定钢芯铝绞线正常条件允许运行温度都高于70。1.3 导线发

9、热对连接处的影响我国规定钢芯铝绞线运行允许温度70,另一个理由是防止连接金具过热。特别是截面240mm2及以下导线使用螺栓式耐线夹、跳线使用螺栓式并沟线夹时,导线过热会发生螺栓松动,使连接处接触不良而发热。而在电网,自上世纪80年代中期以后110kV220kV送电线路采用截面240mm2导线已经不多,即便采用240mm2导线,连接金具亦为压接型。运行经验表明,连接通流金具缺陷,会在投运带负荷的早期暴露。如220kV沙板线投运3个月就发生耐杆塔跳线连接板运行中脱落事故,原因是压接时导线清洁不好,压接管带泥,接触不良导致发热松脱；又如220kV江开线也是投运不久发生断线事故,原因是导线压接管严重偏

10、离中心位置,其中一侧导线只压接了50mm长度。经过较长时间运行的线路,即使导线过载甚至继电保护或开关拒动,经受较长时间短路电流冲击,正常连接金具一般不会发生通流事故。如1990年电网发生大面积停电事故,220kV芳顺线雷击接地事故,越级到黄埔电厂机组跳闸,短路电流穿越多回220kV线路十几秒连接金具都没出现问题；又如220kV沙公线出线GIS快速接地开关曾发生误动、三相接地,对侧220kV公明站不能及时跳闸,短路历时近20秒,导线过热后发生塑性伸长弧垂不能恢复正常,亦未发现该线连接金具发生问题。20XX电科院对各种型号导线作室通流发热试验表1,所有试样的线夹、压接管,甚至电流馈线的连接板,在各

11、种电流下金具发热温度都低于邻近导线本体的发热温度。可见,导线载流发热对连接金具的影响,不再是制约导线运行温度的因素13-14。表1 LGJ-300/50导线室升温试验Tab.1 Room temperature-rise test of line LGJ-300/50载流A通流时间Min金具导线耐线夹1接续管耐线夹2距线夹1m处距接续管1m700026262626261037373853522043454864653049525872754053566377805055596977811050055596977811068748610911320798510212713030879211313

12、71394092971221421435095981261431432架空线路正常运行允许电流2.1 正常允许电流I0的定义架空送电导线的正常运行允许电流I0,是针对某种型号导线制定的长期持续运行的允许电流值。对电网是一个不受运行季节、时间和天气等环境条件限制,也不需考虑架空送电线路结构状态,能保证运行安全的导线允许电流值。正常允许电流只与导线型号有关,可以说是一个全天候的导线允许电流值。2.2 正常允许电流I0的制定和风险评估2.2.1 导线运行允许温度确定导线允许载流量首先要考虑导线允许温度。上述分析表明,钢芯铝绞线运行温度70的安全裕度是很大的,但从经济角度来看,钢芯铝绞线长期在较高温度

13、下运行也是不合理的。从节能角度考虑,1956年原水电部曾颁布过导线使用经济电流密度表2,现在还是以此作为铝导线选择和运行使用的原则。以LGJ-240/40导线为例,列出在设计规定的条件正午、无云、风速0.5m/s下导线运行温度70时的容许电流值表3,可见在环温40时最小电流都有470A15。LGJ-240/40导线铝截面238.85mm2,电流密度已达1.97A/mm2,超过国家规定的年最大负荷小时数3000的经济电流密度1.65A/mm2。负荷峰谷差较小,线路年最大负荷小时数都比较高,如果导线温度长期接近70,长期超经济电流密度,在经济上是不合理的。所以,尽管导线温度70有很大的安全裕度,但

14、考虑到电网长期经济效益,还是按照导线运行温度70来制定电网正常运行允许电流I0值。表2 导线经济电流密度Tab.2Economy current density of line 线路最大负荷利用小时铝导线经济电流密度30001.65300050001.1550000.9表3 LGJ-240/40线温70时允许电流Tab.3Allowable current of line LGJ-240/40 with conductor temperature 70环境气温 202530354045允许电流 6456055655204704102.2.2 计算正常允许电流的季节、时间和天气计算太阳辐射功率密

15、度取0.1W/cm2,对省相当夏日晴天无云的正午12时,位处北回归线北纬23.5架空导线所受太阳辐射功率密度。该值是地球表面上日照强度最大值,只有北回归线以南到赤度的地区每年才遇一次,而且要刚好遇上晴天无云,这是几率很低的极端情况。使用这样的太阳辐射功率来计算I0是安全的,在大多数运行时间,导线实际温度或线行下跨越限距都隐含着安全裕度。2.2.3 计算风速计算风速采用0.5m/s大跨越采用0.6m/s,相当于蒲福氏1级风的下限,连风标不能动作,只有轻烟可示风向。电压35kV及以上架空导线平均对地高度都在10m以上,在空中或旷野,风速这样低的概率很低。在冬季只发生在霜冻的夜间,在夏季只在风雨来临

16、前暂短出现。前者当然不怕导线过热,后者则往往伴随强烈的大气垂直对流发生,对空中导线的冷却也是等价的。室试验发现,在水平无风情况下,当导线和大气温差大于20时,就观察到导线表面蒸腾的垂直气流,也就是说发热导线自身也产生对流散热的垂直气流。所以,使用0.5m/s风速计算正常允许电流I0也不会存在风险。2.2.4 环境温度环境温度应采用最高气温月的最高平均气温。根据省气象局1971年到20XX共36年每年12个月的平均气温资料,最高气温月是7月,7月份36年最高平均气温值为29.9,因此采用环境温度29.9计算架空线路正常运行条件下允许载流I0值,使用环温29.9风险评估如下：首先确定极端环温。根据

17、设计规程,典型气象区的最高环境气温取40；其次根据气象局1959年到20XX每年7月日最高温度记录：49年日最高温度平均值为37.2,气温高于38只有13天,最高气温41.0。可见以40作为架空线路运行极端环温符合实际。其次,导线对地面及各种交叉跨越距离,要求根据最高气温40或覆冰无风下最大弧垂计算。选取LGJ-240/40、LGJ-300/50、LGJ-400/50和LGJ-630/55等4种常用导线,计算在极端环温40下带正常运行允许电流I0的弧垂,并和它们在导线温度70的弧垂比较。验算按正常档和大跨越档,以及珠三角地区和粤北山区两种气象条件表4等4种运行条件组合进行表5。表4 验算导线弧

18、垂变化的气象条件Tab.4Weather parameter of checking computation序号气象参数珠三角粤北山区1最大风速m/s35302最大风速时气温20203最低气温0-54最低气温时风速m/s005最高气温40406最高气温时风速m/s007最重覆冰厚度mm0158最重覆冰时风速m/s0109最重覆冰时气温0-510年平均运行气温202011年平均运行力%2525表5 环温40载流I0弧垂对线温70弧垂增量Tab.5Sag increment with environment temperature 40 of carring I0 to conductor tem

19、perature70运行条件组合导线温度比线温70的弧垂增量档距气象条件1正常档lre =260mln =300m风速0.5m/s珠三角地区80.580.80.460.49粤北山区80.580.80.420.462大跨越档lre =600mln =800m风速0.6m/s珠三角地区77.90.500.70粤北山区77.90.490.60验算说明,当导线流过正常允许电流I0又遇到6种极端运行条件的罕有组合下,正常档弧垂比线温70弧垂下降不到0.5m,大跨越档弧垂最大下降0.7m。这就是说,只要线路跨越距离满足规程要求,则使用最高气温月的最高平均气温29.9计算架空线路正常运行允许电流I0是安全的

20、。2.3正常允许电流I0及使用条件按照上述原则完成了140种常用规格导线正常允许电流I0的制定16,I0只与导线型号有关,是在保证安全和经济合理的前提下,给架空线路一个全天候的允许电流值,表6给出常用导线I0值。以往一般以导线在气温35的允许电流I35作为运行限值15,而本文制定的I0比目前运行电流限值增大7%以上。使用I0的必要条件是,电网运行架空线路必须符合设计、运行规程技术要求,具体说就是所有线路跨越限距不应低于规程要求。在上世纪80年代,架空送电线路较普遍存在跨越距离不足问题。经过多年技术改造,这些缺陷已基本消除,近十年建设的架空线路安全裕度都比较大,可以说电网已经有条件采用正常允许电

21、流I0值。为确保安全,在颁布实施I0值之前,各运行单位应完成35kV及以上架空线路跨越距离的核实和整改,并作为常规工作长期进行,就电网现状看来工作量并不大。具体要求：对实测限距高出规程要求30%的可认为合格,否则应采用本课题开发的载流增容计算软件16,将实测跨越距离数值折算为标准气象条件下的跨越限距值,再判断是否满足要求。表6 常用导线I0及其较I35的增容幅度Tab.6 Raising capability extent of line I0to I35导线型号正常允许电流增容幅度I0I35DI0LGJ-240/40557.75207.25LGJ-300/50644.25958.27LGJ-

22、400/50768.77108.27LGJ-630/551026.89409.233 架空线路特殊运行允许电流3.1 检修允许电流I1电网运行过程中,遇到线路或有关元件检修或新设备建设等,需要某回线路停运,即所谓N-1运行情况。为维持原有送电能力,需要其它线路在一段时间以1.11.2倍正常允许电流I0运行,称为检修允许电流I1。经过核定的某具体线路检修允许电流I1,在调度和运行单位特殊监视下允许运行一周到几个月。3.2应急允许电流I2为处理电网突发事件,调度部门需要某些线路在一段时间以1.31.4倍正常允许电流I0运行,称为应急允许电流I2。经过核定的线路应急允许电流I2,在调度和运行单位特殊

23、监视下,允许运行几小时到几天。3.3制定特殊允许电流可行性3.3.1导线运行温度裕度如前所述,直至150常规钢芯铝绞线机械强度仍未减弱,所以对于非长期运行的特殊允许电流I1、I2有足够的运行温度安全裕度。导线载流I1最高运行温度预计可达100,载流I2最高运行温度预计可达120。3.3.2导线跨越距离裕度规程要求的架空导线跨越距离值,还容许因负荷电流和太阳辐射而降低,但应校验最高允许温度时跨越距离不得小于操作过电压间隙表7且不少于0.8m12,可见对于线路短时特殊运行,跨越距离尚有裕度。表7带电部分与杆塔构件的最小间隙Tab.7Space of electrification to tower

24、 component标称电压110220330500雷电过电压1.001.902.303.30操作过电压0.701.451.952.50工频电压0.250.550.901.20带电作业间隙1.00+0.5=1.51.80+0.5=2.32.20+0.5=2.73.20+0.5=3.73.3.3使用特殊允许电流的最小跨越距离特殊允许电流虽不是长期运行电流,但也是持续运行电流。尤其是检修允许电流I1可能持续一两个月。可能遇到的不只是操作过电压,也可能遇到雷电过电压。所以跨越距离要比规程最低限值提高一个等级,即提高到耐受雷电过电压的间隙距离表8。表8特殊运行状态下导线最小跨越距离Tab.8Span

25、distance of line in special operation mode运行允许电流制定原则最小跨越距离110kV220kV500kV正常I0雷电过电压间隙+1.0m2.02.94.3检修I1雷电过电压间隙+0.5m1.52.43.8应急I2雷电过电压间隙 1.01.93.33.4 使用特殊允许电流风险评估同样选取LGJ-240/40、LGJ-300/50、LGJ-400/50和LGJ-630/55等4种常用导线,按 4种档距及气象条件组合,计算在最高气温40下,分别带检修允许电流I11.2I0、应急允许电流I21.4I0的弧垂,对线温70时弧垂的增量表9、表10。计算表明,对于检

26、修允许电流I1 ,只有110kV线路和正常档220kV线路才能大致满足安全跨越距离要求；而对于应急允许电流I2 ,只有正常档110kV送电线才勉强满足安全跨越距离要求。表9 环温40载流I1弧垂对线温70弧垂增量Tab.9Sag increment with environment temperature 40 of carring I1 to conductor temperature70运行条件组合导线温度比线温70的弧垂增量档距气象条件1正常档lre =260mln =300m风速0.5m/s珠三角地区93.297.71.061.18粤北山区0.991.082大跨越档lre =600ml

27、n =800m风速0.6m/s珠三角地区89.693.41.762.07粤北山区1.451.55表10 环温40载流I2弧垂对线温70弧垂增量Tab.10Sag increment with environment temperature 40 of carring I2to conductor temperature70运行条件组合导线温度比线温70的弧垂增量档距气象条件1正常档lre =260mln =300m风速0.5m/s珠三角地区110.4113.01.751.85粤北山区1.541.712大跨越档lre =600mln =800m风速0.6m/s珠三角地区105.7107.93.0

28、93.29粤北山区2.352.753.5 特殊允许电流的确定如前分析,特殊允许电流I1、I2并不同于正常允许电流I0,不能无条件全天候适用,必须根据特定送电线路的具体情况确定。一般而言,送电线路跨越距离都有裕度,大跨越档的裕度往往更大。因此,对于实际线路制定特殊允许电流I1、I2是可能的。确定特殊允许电流的步骤如下：3.5.1选定线路关键跨越测量导线弧垂f、跨距h及导线温度tm、风速V等环境参数计算导线实际应力m和比载 g m计算极端运行条件下载流I1、I2的导线温度tn1、t n2以m、g m、tm为起始量求gn=g1及tn= tn1、tn2 的应力n1、n2根据跨越参数li、lK、hi、h

29、D、hK,计算对应I1、I2的弧垂f1、f2及跨越距离h1、h2,如满足最小跨越距离要求,则本线路适用I1、I2选定线路运行中必须保证一定安全距离的跨越点,以校核跨越限距,如大跨越档,即使没有被跨越物,亦须核实导线对地距离,对山地大跨越还需核实其近山边相导线对陡坡距离。实际操作中对跨越裕度明显的跨越,不需要验算核实。3.5.2现场测量关键跨越测量项目包括跨越档距li、被跨越物水平距离lK、悬点高差hi、低侧悬点高hD及被跨越物高hK、导线弧垂fi、导线对跨越物或对地距离hi等。同时应记录测量时刻、导线电流、导线温度tm、气温a、天气状况、风速V等参数；受观测条件限制,无法在关键跨越点同时测量弧

30、垂和跨越距离时,可选同一耐段邻档测量弧垂f或跨距h,以计算即时导线应力。3.5.3特殊允许电流验算利用本课题开发的载流增容计算软件,验算在极端运行条件下运行线路导线温度。以线路实测力学参数作为起始状态计算其跨越距离,如果全线所有关键跨越都满足特殊运行状态的最小跨越距离要求,则该线路适用特殊允许电流。选定三回运行线路进行现场实际测量和增容验算16-17,确认3回线路架空部分均能通过特殊允许电流I1、I2表11,比目前的电流限额多输送30%50%的检修、应急负荷。这说明利用运行线路的跨越距离裕度,在电网特殊情况下可以提高线路输送能力。图1 特殊允许电流验算流程Fig.1Checking compu

31、tation flow of allowable current of special operation表11 试验线路I0、I1、I2及增容幅度Tab.11 Allowable current I0、I1、I2 and its raising capability extent of test lines 线路名称导线规格I35I0I1I2DI0DI1DI2220kV莞垅甲线LGJ-630/459301010.21212.21414.28.630.352.1110kV下畔甲线LGJX-400/50710768.7922.41076.18.329.951.6110kV北南甲线LGJX-300

32、/40595646.5775.8905.18.730.452.1 4 结束语基于线路运行条件和多年实测气象数据,制定适合架空线路正常运行条件的允许电流I0,证实现有架空线路正常载流能力可安全地提高7%以上。通过严格的风险分析,论证架空线路以I0长期运行是安全的,不受线路具体结构限制,同时满足规程要求。在正常允许电流I0基础上,挖掘运行线路跨越距离裕度,提出架空线路在检修、应急两种特殊运行条件下的允许电流I1、I2及其确定原则,通过对实际线路特殊允许电流I1、I2的工程验算,确认在电网特殊情况下,特定线路可多输送30%50%的检修、应急负荷,实现架空送电线路安全增容运行。参考文献1尤传永,增容导

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