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对于输电线路载流能力而言,随着输电线路输送容量的增大,分裂导线的使用,电晕损失、无线电干扰已不起控制作用。且导线允许电流密度会随截面增大而减小(如下表所示)。所以,高电压、大容量输电线路的导线截面选择主要由允许载流量决定。
表 钢芯铝绞线70℃时允许电流密度
导线载流量与导线所处气象条件(环境温度、风速、日照强度)有关,在计算导线载流量时,应使导线不超过某一温度,目的在于使导线在长期运行或在事故条件下,由于导线的温升,不致影响导线强度,以保证导线的使用寿命。根据GB 50545-2010 5.0.6 条文解释知道,导线载流量与导线电阻率、环境温度、导线温度、风速,日照强度、导线表面状态(辐射系数和吸热系数)、空气传热系数和运动粘度等因素有关。选择导线时,应按当地环境条件校核。
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1 环境条件对载流量影响 控制导线允许载流量的主要依据是导线的最高允许温度。根据 GB 50545 - 2010 第5.0.6 条 条文说明中计算导线载流量一般采用以下公式 式中:I——允许载流量(A); 从上公式中可知载流量与环境空气温度、风速、日照强度、导线表面状态等都有关。验算导线载流量时的环境气温采用最高气温月的最高平均气温(最热月平均最高温度为最热月每日最高温度的月平均值,取多年平均值)、当天晴、日光直射导线时,导线日照强度(太阳辐射功率密度)可取0.1W/cm2,一般线路的计算风速采用0.5m/s,大跨越由于导线平均高度在30m以上,风速要相应增加,故取0.6m/s。一般的计算参数取值为:风速0.5m/s,日照强度0.1W/cm2,导线表面吸收系数0.9,导线表面吸热系数0.9,环境气温40℃。
WR——单位长度导线的辐射散热功率(W/m);
WF——单位长度导线的对流散热功率(W/m);
WS——单位长度导线的日照吸热功率(W/m);
R′t——允许温度时导线的交流电阻(Ω/m)。
下面列举一些国内试验数据,进一步阐述环境条件对载流量的影响:
1)、导线表面辐射系数和表面的吸热系数,主要是由导线的新旧决定,虽然它们各自对导线载流量有一定影响,而且影响是相反的,但它们对导线载流量的综合影响要小得多,在导线使用温度范围内,大约为1%~2%。
2)、风速对导线载流量影响很大:v=0.5m/s比v=0.1m/s时的载流量要大40%,而v=1.0m/s比v=0.5m/s时的载流量要增大15%~20%,所以风速的取值值得研究。风向与导线的夹角不同,对载流量的大小也有影响。
3)、日照强度对载流量也有影响。日照强度为100W/m2较1000W/m2的载流量要提高15%~30%,但日照从1000W/m2减少至900W/m2时,载流量仅提高1%~4%。
4)、导线的载流量跟导线所处的环境温度密切相关, 通常环境温度越低导线载流量越大。温度升高,导线的电阻率增大,电阻随之增大;电阻增大,消耗电能增大,电阻消耗电能就是发热,于是温度升高,然后再使电阻增大,造成恶性循环。例如JL/G1A-300/40钢芯铝绞线,25℃时它的安全载流量为735A,在连续使用中升温不宜超过70℃,而40℃时安全载流量降为595A,这是因为前者允许温升为45℃而后者则为30℃。从导线温升θ与载流量的关系可以得出,在温升的初始阶段,载流量上升很快。如果环境温度高于35℃,温度每增加5℃时,载流量要减小10%左右;如果周围环境温度低于35℃,温度每降低5℃时,载流量要增加10%左右。
概括而言,影响导线载流量的条件,一部分为环境因素,如风速、日照强度、环境温度等,这是与输电线路所处的自然条件有关。另一部分为导线参数,如导线的吸热系数、辐射系数、导线允许温度、导线直径等。导线的吸热、辐射系数综合影响载流量是不大的,当导线直径(截面)一定时,导线允许温度的取值就成为影响载流量的主要因素。
2 导线温度对载流量的影响 导体通过工作电流时,都要使导体发热(超导除外),其热量的一部分使导体温度升高,另一部分则由于导体温度高于周围介质的温度(周围介质温度,对导线指的是空气温度)而散失到周围介质中。在导体中无电流通过时,导体的温度和环境温度相同,通过恒定电流时,导线温度升高,起初因为温差小而散热少、吸热多,导体温度上升较快,后来温差增大到单位时间内发热和散热相平衡时,则全部的发热都散失掉,由于导体不再吸收热量,故温度不再升高,这时的温度达到稳定。
对于确定的环境条件,导线的允许载流量直接取决于其发热允许温度,允许温度越高,允许载流量越大。但是导线发热允许温度受导线载流发热后的强度损失制约,因此架空导线的允许载流量一般是按一定气象条件下导线不超过某一温度来计算的,目的在于尽量减少导线的强度损失,以提高或确保导线的使用寿命。《电机工程手册》(试用本)电线电缆第26篇提出当工作温度愈高,运行时间愈长,则导线的强度损失愈大。
允许载流量的计算与导体的电阻率、环境温度、使用温度、风速、日照强度、导线表面状态、辐射系数及吸热系数、空气的传热系数和动态黏度等因素有关。《110kV~750kV架空输电线路设计规范》(GB50545-2010)5.0.6规定,导线允许温度(简称导线温度):钢芯铝绞线和钢芯铝合金绞线宜采用70℃,必要时可采用80℃;大跨越宜采用90℃。控制导线允许载流量的主要依据是导线的最高允许温度,后者(80℃)主要由导线经长期运行后的强度损失和连接金具的发热而定,当工作温度越高,运行时间越长,则导线的强度损失越大。我国输电线路钢芯铝绞线采用的金具,导线截面240mm2及以下的所用的耐张线夹为螺栓型,跳线多用并沟线夹连接,运行中曾发生螺栓松动而将跳线烧红的情况。鉴于此,钢芯铝绞线的允许温度采用值70℃(大跨越可取90℃)。 芯铝合金绞线的允许温度采用值与钢芯铝绞线同。
普通导体的正常最高工作温度不宜超过+70℃,在计及日照影响时,钢芯铝绞线导体可按不超过+80℃考虑。当普通导体接触面处有镀(搪)锡的可靠覆盖层时,可提高到+85℃。
对于钢芯铝绞线,国内试验证明,钢芯铝绞线在80℃时导线强度不低于计算拉断力;对导线配套金具,国内试验证明,导线温度80℃时,配套金具的温度不超过67℃,金具温度在80℃以下时,对导线的握力基本没有影响(仍在导线额定拉断力的95%以上)。
由于温度提高,导线弧垂增加,对地及交叉跨越空气间隙距离減少,将影响线路对地及交叉跨越的安全裕度。
以往设计按经济电流密度选择导线截面,并以最高气温弧垂来校验对地和交叉跨越的安全间距。鉴于导线达到允许温度的时间在全年运行中所占比重很小,一般不要求对允许温度弧垂校验安全距离。
对于特定的交叉跨越,如200m以上档距跨越铁路、高速公路或一级公路和按允许温度选择导线截面的大跨越或跨越电力线等,规定按允许温度弧垂校验交叉跨越间距。
对于按发热条件选择导线截面的线路,由于常常处于其允许传输容量的运行状态,应当按提高后的允许温度的弧垂来校验规定要求的安全距离。
对于按经济电流密度选择导线截面的线路,提高导线允许温度的影响,主要反映在系统规划“N-1”的工况下,在调度转移负荷的短时间内,允许传输容量和导线弧垂的适当增加,导致了适当补偿导线对地面和交叉跨越距离的需要。
对于按经济电流密度选择导线的线路,在导线允许温度提高到80℃之前,必须按50℃弧垂校验导线对地和交叉跨越间距、做好必要的调整,并检査、恢复导线接头的良好接角度传导。
从上知道,导线温度对载流量有较大影响,我国规定输电线路导线温度为70℃,国际上大多数国家规定导线温度在80℃及以上。当导线温度从70℃提高到80℃,对于钢芯铝绞线,载流量可提高24%~27%,即输送容量不变,所需截面至少可降低一档。降低后对导线的机械强度,配套金具,对地及对交叉跨越物距离基本没影响或采取措施可以解决,但可获得巨大的经济效益,可节省投资。
本文主要摘录于 华东电力设计院的《110kV~750kV架空输电线路设计规范》新旧规程对比 专题 。
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