提高广东架空送电线路输送容量研究

1提高广东架空送电线路输送容量研究彭向阳1，周华敏2，郑晓光2，程启诚1，林声宏3（1．广东省电力科学研究院，广东广州510600；2．广东电网公司，广东广州510600；3．华南理工大学，广东广州510640）StudyonRaisingTransmissionCapabilityofOverheadTransmissionLineinGuangdongPowerGridPENGXiang-yang1，ZHOUHua-min2，ZHENGXiao-guang2，CHENQi-cheng1，LINSheng-hong3（1．GuangdongElectricPowerResearchInstitute，Guangzhou，Guangdong510600，China；2．GuangdongPowerGridCorporation，Guangzhou，Guangdong510600，China；3．SouthChinaUniversityofTechnolege，Guangzhou，Guangdong510640，China）ABSTRACT：Baseonintroducingcontrolconditionofcapabilitycarryingofoverheadtransmissionline,thepapergivesdeeplyanalysisonoperationtermoflineandweatherparameterssurveyedmanyyearsinGuangdongarea,andestablishesallowablecurrentI0oflinenaturaloperationadaptingtoGuangdongpowergrid,approvesbyriskanalysisraisinglinetransmissioncapability7%hereinbefore.ThenfoundatedonlineallowablecurrentI0ofnaturaloperation,thepaperstudiesresidualityofspandistanceofoverheadtransmissionline,putsforwardtwoallowablecurrentI1、I2anditsworking-outprincipleinspecialoperationmode,makessurepossibilityofraisinglinetransmissioncapability30%～50%bysurveyingandcheckingcomputationofseveraloperatinglines.KEYWORDS：overheadtransmissionline;transmissioncapability;environmenttemperature;spandistance;allowablecurrentofnaturaloperation;allowablecurrentofspecialoperation摘要：在阐述架空导线载流控制条件同时，深入分析广东架空送电线路实际运行条件和广东地区多年实测气象参数，制定出广东架空线路正常运行允许电流I0，通过严格的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引言近年广东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广东地区运行条件，挖掘广东线路电能输送潜力，在保证安全的前提下，通过制定适合广东地区架空线路正常增容运行和特殊增容运行允许电流，来提高广东输电线路输送容量，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+90℃[12]。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，前苏联和其他国家在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℃，2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张力不均匀，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张线夹、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。而在广东电网，自上世纪80年代中期以后110kV～220kV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个月就发生耐张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，压接管内带泥，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年广东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。2006年广东电科院对各种型号导线作室内通流发热试验（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1LGJ-300/50导线室内升温试验Tab.1Roomtemperature-risetestoflineLGJ-300/50载流（A）通流时间（Min）金具（℃）导线（℃）耐张线夹1接续管耐张线夹2距线夹1m处距接续管1m70002626262626103737385352204345486465304952587275405356637780505559697781105005559697781106874861091132079851021271303087921131371394092971221421435095981261431432架空线路正常运行允许电流2.1正常允许电流I0的定义广东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。对广东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470A[15]。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。广东负荷峰谷差较小，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℃来制定广东电网正常运行允许电流I0值。3表2导线经济电流密度Tab.2Economycurrentdensityofline线路最大负荷利用小时铝导线经济电流密度(A/mm2)≤30001.653000～50001.15≥50000.9表3LGJ-240/40线温70℃时允许电流Tab.3AllowablecurrentoflineLGJ-240/40withconductortemperature70℃环境气温(℃)202530354045允许电流(A)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度取0.1W/cm2，对广东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。室内试验发现，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。根据广东省气象局1971年到2006年共36年广东每年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℃计算广东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。根据设计规程，典型气象区的最高环境气温取40℃；其次根据广东气象局1959年到2007年每年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℃(2003年7月23日)。可见以40℃作为广东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