输电线路导线测温与动态增容关键技术研究

智能电网,动态增容,DTCR

江西电力第３５卷２０１１年第１期文章编号：１００６—３４８Ｘ（２０１１）叭一００３１－０４

３ｌ

输电线路导线测温与动态增容关键技术研究

王孝敬

（湖北工业大学，湖北武汉４３００７０）

摘要：针对电网规划建设滞后和输电线路受输送容量热稳定限额的限制而导致的电网供电能力不足问题，对输电线路导线测温与动态增容关键技术及系统的设计实现进行了深入研究。通过对输电线路导线温度和环境温度、湿度、风速、风向、日照等参数的实时在线监测，并结合来自ＳＣＡＤＡ系统的实际运行电流，根据热容方程和摩尔根公式，对线路的运行状态和潜在输送容量进行评估，为调度人员的操作提供科学依据。关键词：导线测温；动态增容；热容方程；载流量；测温单元

中图分类号：ＴＭ７６４

文献标识码：Ａ

Ｒｅｓｅａｒｃｈ

ｏｎ

ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＬｅａｄＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ

Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ

ａｎｄＤｙｎａｍｉｃＲａｔｉｎｇ

ＷＡＮＧＸｉａｏ－ｊｉｎｇ

（ＨｕｂｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ４３００７０，ＨｕｂｅｉＰｒｏｖｉｎｃｅ，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓｆｏｒｉｎａｄｅｑｕａｔｅｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｃａｕｓｅｄｂｙｔｈｅｒｍａｌｓｔａｔｂｉｌｉｔｙａｌｌｏｗａｎｃｅｏｆｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｃａｐａｃｉｔｙａｎｄｌａｇｂｅｈｉｎｄ

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ｕｎｉｔ

已成为确保电网安全、经济、可靠运行的一个迫在眉

Ｏ

引言

近年来．随着我国经济持续快速增长。用电量猛

睫的突出问题【１１。

１动态增容技术

输电线路在设计、架设时，为防止输电线路负荷增加时产生过热故障，制定了线路静态热容量极限值。这种静态线路容量极限值往往是以最为恶劣的气象条件（如晴天、高温、无风等）为基础．为维持线路对地的安全距离而给出的一个保守的静态热容极限值。例如，我国《１１０～５００ｋＶ架空送电线路设计技术规范》中规定：验算导线允许载流量时，钢芯铝绞线和钢芯铝合金绞线的允许温度采用＋７０℃（大跨越可采用＋９０ｏＣ）；环境气温应采用最高气温月的最高平均气温；风速应采用Ｏ．５

ｍ／ｓ

增。供用电形势日趋严峻，电网规划建设滞后和输电能力不足的问题日益突出，加剧了电网和电源发展的不协调矛盾。带来了一系列问题，在一些经济发达地区尤为突出。针对一些输电线路受到输送容量热稳定限额的限制，已严重制约系统内输电线路的输送容量．极大地影响了电网供电能力。因受输电走廊征用困难以及环境保护等因素制约．建设新的输电线路不仅投资巨大，建设周期长，而且在用地紧张的经济发达地区开辟新的线路走廊难度很大。因此。如何提高现有架空输电线路的单位走廊的输送容量。最大限度地提高现有输电线路的传输能力，

收稿日期：２０１０－１１－１６

作者简介：王孝敬（１９７１－），男，工程师，主要从事有关输电线路研究工作。

万方数据

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３２（大跨越可采用０．６ｍ／ｓ）：太阳辐射功率密度应采用

０．１

Ｗ／ｃｍｚ。但从电网实际运行的情况来看，在大多

数时间里电网外部的气象条件要远远好于假定的最恶劣气象条件。这就造成了在绝大多数情况下，无法高效地利用输电线路的传输潜力。目前，各运营中的电网绝大多数是按全年环境温度单一值、各地区统一标准进行的计算．在调度运行部门，线路热稳定是根据线路型号、基准单一温度规定的，基本上与线路实际运行温度没有挂钩．造成线路输送能力的浪费，特别是在用电紧张的状况下更为突出

［２１。

架空输电线路动态增容就是在充分利用现有输电设施、通道状况的基础上，引入输电线路在线监测与计算分析工具，根据实际气象环境、设备数据．如环境温度、风速、风向、日照以及导线型号、导线发射率、导线吸收率、导线最高温度阻值等详细的导线数据。计算输电线路当前的稳态输送容量限额，为调度和运行提供方便及有效的分析手段，通过导线温度在线监测进行实时增容，有效发挥输电线路的输送能力∞，４］。

２理论基础与计算模型

２．１热容方程

在输电线路的实际运行中，导线存在着两种热容量方程：稳态方程和暂态方程阎。

１）稳态热容方程：

导线运行时的温度除了与其载流量有关外，与气象条件，如环境温度、１３照、风速等紧密相关。导线材料和几何截面确定后，架空导线载流量的计算公式很多．日本、苏联、美国及英国等有关部门已提出了一些公式，但计算原理都是根据导线的发热和散热的热平衡推导出来的。导线和外界环境通过热量交换达到温度平衡时，输电导线的温度趋于稳定．此时：

ａ。＋ＱＦＱ。＋期（疋）

（１）

式中：Ｑ。——导线的对流散热，Ｗ／ｍ；

Ｑ，——导线的辐射散热，Ｗ／ｍ；Ｑ。——日照吸热，Ｗ／ｍ；

尺（乃）——温度疋时导线的交流电阻，Ｑ／ｍ。

２）暂态热容方程：

当线路电流或者外界环境变化时，在系统达到稳定之前．导线温度是一个动态变化的过程：

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江西电力第３５卷２０１１年第１期

ｄＴ／ｄｔ＝［ＰＲ（Ｔｃ）＋Ｑ，－Ｑｃ—Ｑｒ］／ｒｎ，

（２）

也可写成

朋（瓦）＋Ｑｓ＿ＴＩｌｃ警Ｑｃ＋Ｑｒ

，ｍ

Ｕ‘

（３）

式中：ｍ——单位长度导线的质量，ｋｇ／ｍ；

Ｃ——导线热容系数，Ｊ／（ｋｇ ℃）。

由于Ｑ，、Ｑ，、Ｑ。是风速、风向、环境温度、日照强度和导线本身特性的函数．因此影响导线载流量的主要因素包括：日照、风速、风向、导线本身特性（直径、新旧、交流电阻等）、环境温度。２．２载流量计算公式

各国在计算过程中考虑的因素有所不同．使计

算公式的系数不同，但计算结果相差不大。目前比较常用的算法包括英国摩尔根公式和ＩＥＥＥ—Ｓｔｄ７３８—１９９３裸露架空导线的电流一温度关系计算标准。以英国摩尔根公式和法国的公式作比较．其计算值相差约ｌ％～２％。其中英国摩尔根公式考虑影响载流的因素较多，并有试验基础：但摩尔根公式计算过程较为复杂。在一定条件下将其简化．可缩短计算过程，适用于当雷诺系数为１００。３０００时．即环境温度为４０℃、风速０．５ｍ／ｓ、导线温度不超过１２０ｏＣ

时，可用于直径４．２～１００ｍｍ导线的载流量计算。载

流量计算公式为：

ｆ；、／！猡２旦（！旦２１竺±互１５垡（Ｄ＋￡盘望１２兰（！』！！１七成

２］二垡趔

‘Ｖ

（４）

式中：０为导线的载流温升；￡。为环境温度；ｙ为风速；，ｓ为日光对导线的日照强度；Ｄ为导线外径：￡为导线表面的辐射系数（光亮新线为０．２３。０．４６．发黑旧线为０．９０—０．９５）；ｏｒ。为导线吸热系数（光亮新线为０．２３～０．４６，发黑旧线为Ｏ．９０—０．９５）；Ｓ为史蒂芬一玻尔茨曼常数５．６７ｘ１０。８Ｗ／ｍ２；ｋ。为ｔｏＣ时的交直流电阻比；ＲＡ为ｔｏＣ时的直流电阻率，实际上这两者的乘积就是交流电阻率。

２．３导线温升引起的弧垂变化

提高导线运行允许温度后，会对导线弧垂、接续金具发热和导线机械强度带来影响。导线允许温度短时间从７０℃提高到８０℃，其３０年累积机械强度损失在７％～１０％允许范围内，只要在设计中补偿其弧垂增加的影响，调整好线夹接触传导状态．即可确保线路安全运行。图１给出了实际线路的力学计算示意图。

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图１实际线路力学计算示惫

最低点弧垂／为乒且（ｃｈ镑｝一１）（５）

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式中：ｑ为导线上竖向所受载荷集度（ｑ＝ｑ。＋ｇ沁＋ｇ响产ｑ０＋ｇｗ）

Ｚ伪口：主杆塔对应的等效档距，可由悬点不等高时等效计算公式求得：

．届。：主杆塔对应的等效弧垂；ｎ：导线的最低点水平拉力

稚

３导线及金具温度测量技术

从载流量和导线弧垂计算模型可以看出．动态增容的实现关键是对导线稳定进行高精度的实时测量。与普通测温系统相比，高压输电导线及金具的温度测量存在两个典型特点：

１）电磁环境恶劣。对高压输电导线及金具进行温度监测，必须将测试系统安装在高压导线附近，而系统对测温单元的功能要求较强，需集信号采集、数据处理与传输、指令交互等功能于一体。因此核心微处理器是必然之选。众所周知，高压导线附近存在干扰性极强的电磁场，不仅会影响各类传感器的信号输出和传输，更会对相对敏感的微处理器造成严重干扰，轻则造成信号采集误差偏大、程序运行异常．重则直接导致死机甚至电路损坏等后果。因此，提高监测系统的电磁兼容水平是系统设计成败的关键；

２）由于测温单元常年工作在野外自供电、自维护状态，而且测温范围相对较宽，精度要求高，加之整个测温单元的体积和重量受到严格控制，因此可靠性、精确性、低功耗、小型轻型化等设计要求比普通测温系统高得多。

目前。国内外常见的测量导线和金具温度的方

万方数据

３３

法主要包括非接触式测量和接触式测量两大类。接

触式是测量物体内部的热能流动的情况，辐射式是测量以辐射形式传播能量的情况。其中。非接触式测量又包括红外测温、基于彩色ＣＣＤ三基色的测温、激光测温等：而接触式测量主要是采用接触式

温度传感器，包括热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器（ＲＴＤ）和集成温度传感器等。在这些测温方式中，又以红外测量、热敏电阻、ＲＴＤ、和集成温度传感器最为常用，下面分别针对这四类测量方法的优缺点

进行分析。

红外非接触测温技术是利用物体产生的红外辐射能量的强度与物体温度的关系来确定物体的表面温度，该技术比较成熟，在工业上应用较为广泛。但该技术应用于导线和金具温度测量时存在两方面的问题：一是总是摆脱不了目标的辐射吸收率变化对测量精度的影响．标定起来较为复杂：二是测温精度受探测距离、被测物表面状况等诸多因素影响。安装调试非常麻烦。而且测量精度和长期测量的稳

定性也难以满足要求。

热敏电阻是一种阻值随温度变化的电阻元件．一般分为负温度系数（ＮＴＣ）和正温度系数两种基本类型。其优点是电阻温度系数大，灵敏度约为金属热电阻的１０倍，结构简单，电阻率小，适于动态测量，但热敏电阻的电压输出与温度不具有线性关系．存在严重的热电非线性，需通过查表或外加线性化电路，才能得到较为准确的温度。

电阻温度检测器（ＲＴＤ）是众多温度测量方法中最精确的一种。ＲＴＤ器件电阻与温度成正比．最常用的电阻材料是铂。ＲＴＤ拥有很宽的温度测量范围，ＲＴＤ具有一些明显优于其他测温器件的优点。例如，它是所有测温器件中最稳定及最精确的一种．且其线性也比热电偶要好。不过ＲＴＤ也有一些缺点，如价格昂贵，需要有外部激励（通常为一个电流源）才能正常工作。此外，它用于测量温度变化的电阻较小，且自热现象较为严重，如果不进行有效补偿，将严重影响测量的精度。

集成温度传感器包括模拟型和数字型２大类．具有测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等优点，适合远距离测温、控温．而且不需要进行非线性校准，外围电路简单。并能方便的与其他器件连接。此外，集成电路温度传感器的输出阻抗较低，功耗也较低。所有这些特征都非

常符合导线和金具测温系统中对温度传感器的高

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江西电力第３５卷２０１１年第１期

精度、低功耗、小体积等要求。但集成温度传感器也存在一个重大缺陷，即测温范围窄。目前，国内外所有集成温度传感器的测温范围都局限在一５５～１５０℃范围内，这对于普通导线测温是满足的，但对于高温导线的温度测量来说就无能为力了。

综上分析．为了满足导线表面宽温范围的高精度测量。采用紧密表贴于导线表面的铂电阻敏感导线温度变化。通过高精度的匹配放大和补偿电路来实现导线温度的精确测量是最优方案之一。４

元无线上传的导线及金具温度数据，同时还负责对本塔所在微气象区的日照、风速、风向、环境温度、湿度、雨量（可选）、大气压力（可选）等参数进行实时采集，同时实现自身工作状态的维护与调整。塔上监测主机负责将导线温度及环境气象参数等所有数据压缩打包后通过无线通讯方式将数据传往监测中心。在各供电局设置一个监测中心（由无人职守的ＰＣ机担承。内装分析处理软件）。通讯基站安装在监测中心，负责收集整条线路上所有塔上监测主机的全部数据，并能通过ＳＣＡＤＡ系统获取输电线路各时段的运行电流数据。分析查询系统位于监测中心网络中，负责存储、分析、查询各种数据信息，并在专家知识和各种计算模型的支持下。通过自学习算法，对各塔上监测主机上传的数据进行分析、比较、预警和储存，并形成综合数据库供专业人员查询；另外，基站还能根据用户的要求和采集数据的情况将修正命令传送到每个监测单元。

输电线路导线温度在线监测及动

态增容系统的研制

４．１系统的主要功能

在上述研究成果的基础上。设计了输电线路导线（金具）温度在线监测及动态增容系统，该系统主要有以下３大功能：

１）采集导线（或金具）当前实际运行温度，采集导线测温点所在微气候区内的环境气象参数，包括日照、风速、风向、环境温度、湿度、雨量（可选）、大气压力（可选）等，通过数据采集与监控ＳＣＡＤＡ系统获取运行电流数据。并完成与导线温度数据的时间同步：

２）根据测试得到的导线温度和环境参数，计算导线的实时弧垂．对输电线路的运行状况进行实时监控。当出现异常情况时以多种方式进行预报警；

３）利用趋势分析方法，通过对实时数据和历史数据的综合分析。对各种导线预期温度、导线预期电流和负荷、预期时间、预期弧垂等参数进行预测，在确保线路运行安全的前提下，为充分发挥输电线路潜在输送容量提供理论依据。

５

结束语

输电线路导线测温与动态增容技术既能给电

网的系统安全提供现场实时的分析依据。也能给电网调度运行人员提供在线调度运行指导数据．及时对输电线路的热稳定负载进行调整．最大限度地发挥输电线路的输送能力。该技术的推广应用必将在提高现有线路输送容量，确保电网安全、稳定、可靠运行水平中发挥积极的作用。

参考文献：

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【４】梁俭．输电线路增容在线监测在电力系统中的应用阴．广

东电力．２００５（０８）．

【５】崔雅莉，别朝红，王锡凡．输电系统可用输电能力的概率

模型及计算叨．电力系统自动化，２００３（１４）．

４．２系统的工作原理

在需要监测的输电线路导线和金具上安装测温单元，负责实时采集导线及金具的温度、导线附近的环境温度。经过处理后通过小功率射频模块将数据无线上传至塔上监测主机。各输电线路的相应杆塔上安装一塔上主机（环境气象参数监测单元），铁塔上的监测主机一方面接收本塔所辖各测温单

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