注:輸電線路載流能力驗證是輸電運輸檢查的重要工作。驗證水平決定了調度部門能否科學配置電網趨勢。
對于輸電線路的載流能力,隨著輸電線路輸送能力的增加,分裂線路的使用、電暈損失和無線電干擾不再起到控制作用。導線允許的電流密度隨截面的增加而降低(如下表所示)。因此,高壓、大容量輸電線路的導線截面選擇主要由允許載流決定。
表 鋼芯鋁絞線70℃允許電流密度
導線載流量與導線的氣象條件(環境溫度、風速、陽光強度)有關。在計算導線載流量時,導線不得超過一定溫度,以保證導線的使用壽命。根據GB 50545-2010 5.0.6 根據規定,導線載流量與導線電阻率、環境溫度、導線溫度、風速、陽光強度、導線表面狀態(輻射系數和吸熱系數)、空氣傳熱系數和運動粘度有關。選擇導線時,應根據當地環境條件進行校核。
導線允許載流的主要依據是導線的較高允許溫度。 GB 50545 - 2010 第5.0.6 條 導線載流量的計算一般采用以下公式
式中:I——允許載流量(A);
WR——單位長度線輻射散熱功率(W/m);
WF——單位長度導線對流散熱功率(W/m);
WS——單位長度導線的日照吸熱功率(W/m);
R′t——當溫度允許時,導線的交流電阻(Ω/m)。
從上公式可以看出,流量與環境空氣溫度、風速、陽光強度、導線表面狀態等有關。檢查導線載流時的環境溫度采用較高溫度月的較高平均溫度(較熱月的較高平均溫度為較熱月的較高溫度月的平均值,取多年的平均值),當天陽光明媚,陽光直射導線時,導線的陽光強度(太陽輻射功率密度)為0.1W/c m 2.一般線路的計算風速為0.5m/s,由于導線的平均高度為30個m以上風速應相應增加,故取0.6m/s。一般計算參數值為:風速0.5m/s,日照強度0.1W/c m 2.導線表面吸收系數0.9導線表面吸熱系數0.9,環境氣溫40℃。
以下是一些國內試驗數據,進一步闡述了環境條件對載流的影響:
1)導線表面的輻射系數和吸熱系數主要由導線的新舊決定。雖然它們對導線載流量有一定的影響,影響相反,但對導線載流量的綜合影響要小得多,在導線使用溫度范圍內約為1%~2%。
2)風速對導線載流量影響很大:v=0.5m/s比v=0.1m/s當載流量大40%時,v=1.0m/s比v=0.5m/s負載流量增加15%~20%,因此風速值得研究。風向與導線的夾角不同,也會影響負載流量的大小。
3)日照強度對載流也有影響。日照強度為100W/m2較1000W/m2的載流量增加15%~30%,但日照從1000W/m2減少至900W/m2時,載流量僅增加1%~4%。
4)導線的載流與導線的環境溫度密切相關, 環境溫度越低,導線載流越大。溫度升高,導線的電阻率增大,電阻隨之增大;電阻增大,消耗電能增大,電阻消耗電能就是發熱,于是溫度升高,然后再使電阻增大,造成惡性循環。例如JL/G1A-300/40鋼芯鋁絞線,25℃735A,連續使用不得超過70℃,而40℃安全載流量下降595A,因為前者允許溫升為45℃而后者則為30℃。從導線溫升θ可以得出結論,在溫升初期,載流迅速上升。若環境溫度高于35℃,溫度每增加5℃當載流量下降約10%時,如果周圍環境溫度低于35℃,溫度每降低5℃載流量增加約10%。
概括而言,影響導線載流量的條件,一部分為環境因素,如風速、日照強度、環境溫度等,這是與輸電線路所處的自然條件有關。另一部分是導線參數,如吸熱系數、輻射系數、導線允許溫度、導線直徑等。導線的吸熱和輻射系數對載流影響不大。當導線直徑(截面)確定時,導線允許溫度的值成為影響載流的主要因素。
當導體通過工作電流時,導體應加熱(超導除外),其部分熱量使導體溫度升高,另一部分由于導體溫度高于周圍介質溫度(周圍介質溫度,導線指空氣溫度)而流失到周圍介質。當導體中沒有電流通過時,導體的溫度與環境溫度相同。當導體通過恒定電流時,導體溫度升高。起初,由于溫差小,散熱少,吸熱多,導體溫度升高快。后來,當溫差增加到單位時間內的發熱和散熱平衡時,所有的發熱都會消失。由于導體不再吸收熱量,溫度不再升高,溫度穩定。
對于確定的環境條件,導線的允許載流許溫度,允許溫度越高,允許載流量越大。然而,導線加熱的允許溫度受到導線載流加熱后強度損失的限制。因此,架空導線的允許載流量一般是根據導線在一定氣象條件下不超過一定溫度計算的,以盡量減少導線的強度損失,從而提高或保證導線的使用壽命。電機工程手冊(試用本)電線電纜第26篇提出,工作溫度越高,運行時間越長,導線強度損失越大。
允許載流的計算與電阻率、環境溫度、使用溫度、風速、陽光強度、導線表面狀態、輻射系數和吸熱系數、空氣傳熱系數和動態粘度有關。《110kV~750kV架空輸電線路設計規范(GB50545-2010)5.0.6.導線允許溫度(以下簡稱導線溫度):鋼芯鋁絞線和鋼芯鋁合金絞線應為70℃,必要時可使用80℃;90應用于大跨度℃。控制導線允許載流的主要依據是導線的較高允許溫度(80℃)主要取決于長期運行后導線的強度損失和連接金具的加熱。工作溫度越高,運行時間越長,導線的強度損失越大。我國輸電線路鋼芯鋁絞線采用金具,導線截面240mm2及以下使用的抗張線夾為螺栓型,跳線多采用并溝線夾連接,運行時螺栓松動,跳線燒紅。鑒于此,鋼芯鋁絞線的允許溫度為70℃(大跨度可取90℃)。 芯鋁合金絞線的允許溫度采用值與鋼芯鋁絞線相同。
普通導體的正常較高工作溫度不得超過 70℃,鋼芯鋁絞線導體在計算日照影響時不得超過 80℃考慮一下。當普通導體接觸面有鍍(搪)錫的可靠覆蓋層時,可以提高到 85℃。
國內試驗證明,鋼芯鋁絞線為80℃當導線強度不低于計算拉力時,國內試驗證明導線溫度為80℃配套金具的溫度不得超過67℃,金具溫度在80℃對導線的握力基本沒有影響(仍在導線額定拉斷力的95%以上)。
由于溫度升高,導線弧垂增加,地面與交叉之間的間隙距離減小,影響地面與交叉之間的安全裕度。
在過去,設計根據經濟電流密度選擇導線截面,并通過較高氣溫弧垂來驗證地面和交叉的安全間距。鑒于導線達到允許溫度的時間在年度運行中所占比例很小,一般不需要驗證允許溫度弧垂的安全距離。
對于特定的交叉跨越,如200m上述檔位跨越鐵路、高速公路或一級公路,根據允許溫度選擇導線截面的大跨度或電力線,交叉跨度間距按允許溫度弧垂驗證。
對于根據加熱條件選擇導線截面的線路,由于常處于允許傳輸容量的運行狀態,應根據增加后允許溫度的弧垂來驗證規定的安全距離。
根據經濟電流密度選擇導線截面,提高導線允許溫度的影響,主要體現在系統規劃中N-1在工作條件下,在調度轉移負荷的短時間內,允許適當增加傳輸容量和導線弧垂,導致適當補償地面和交叉距離的需要。
根據經濟電流密度選擇導線的線路,導線允許溫度提高到80℃以前,必須按50℃對地面和交叉間距進行弧垂校準,進行必要的調整,檢查和恢復良好的連接角度傳導。
從上面可以看出,導線溫度對載流影響很大,我國規定輸電線路導線溫度為70℃,國際上大多數國家規定導線溫度為80℃及以上。當導線溫度為70時℃提高到80℃,對于鋼芯鋁絞線,載流量可提高24%~27%,即輸送容量不變,所需截面至少可減少一檔。降低導線的機械強度,配套金具,基本不影響地面和交叉距離,但可以獲得巨大的經濟效益,節約投資。
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