架空输电导线增容技术现状及发展趋势分析
导读
我国架空输电线路经过近40年的高速建设，已经形成了电压等级至1000 kV以上庞大的交直流输电网络。架空导线作为电能传输的载体，在不考虑连接及输电系统终端等情形下，架空线路的输电能力取决于导线本体。当电流经过导线时，导线电阻导致其产生热效应，长期负载运行会使导线强度降低或形成永久变形，从而带来安全问题。另外，组成导线的材料（一般为钢线和铝线）会产生膨胀现象，致使档距内导线伸长，导线产生一定的垂度，导致导线离地或障碍物的距离变小，从而影响线路的安全运行。
因此，提高架空线路的输送容量，必须首先考虑架空导线的本体特性，同时满足架空线路运行的安全条件。在新建线路、既有线路、改建线路中提高导线输送容量，解决线路输送能力和负载需求端的矛盾已成为当前电力输送行业的热点和难点问题，基于导线的增容技术已成为电力传输的重要解决方案。
精读
静态增容技术
静态增容技术是基于环境状态的合理假设，根据导线容量模型再次计算载流量，亦称为环境调整额定值。表1中，英国将环境参数分为冬季、夏季及酷热地区，通过容量模型计算出的稳态载流量也有所不同。对于规格为JL/GIA-630/45的导线，在其他参数一致的条件下，按IEC参数计算，环境温度每降低1℃，载流量可提高10A。对于规格为JL/GlA-400/50的导线，按我国参数计算，环境温度为40℃和20℃时的载流量分别为2390A和3360A。
另外，表1中的风速对导线的对流散热及热平衡有着非常明显的影响，在其他参数一致的条件下，当风速从1m·s-1提高至2 m·s-1时，JL/GIA-30/45的载流量提高约350A。由于风速的变化受地形、高度和气候的影响较大，且线路走廊上风速的变化情况难以预估，所以大部分研究机构对风速的选取采用相对保守的方式。对于不同环境下的输电线路，可以通过设定不同边界条件进行计算，进一步提升导线的输送容量。
表1 不同国家及研究机构关于载流量的计算参数
从导线运行的热平衡公式可以看出，当导线允许运行温度提高时，导线的载流能力也相应提高。由于耐热铝合金和软铝类导线具有耐高温运行特性，近年来，我国在改建线路中采用具有这类特征的导线来直接更换原线路导线，以此大幅度提高输送容量，同时节约了大量线路建设成本。
从我国现有的输电线路设计及运行来看，考虑到安全系数及线路环境的复杂性，在进行导线允许载流量校验时，没有区分季节气候及地理环境的差异，基本采用统一的设定参数进行导线额定容量计算，导致很多输电线路并未发挥其最佳运行能力。
动态增容技术
动态增容技术（DTLR）作为一种有效提高输电线路容量的方式有了快速发展和广泛应用。DTLR的显著特征是输电线路在保证安全运行条件下可即时动态调整输送容量。实现线路动态增容的关键是能够对导线所处的环境和其本体状态进行实时监测，对导线的运行状态进行精确评估和预测。DTLR系统一般由三部分构成，分别为环境及导线状态的监测装置、数据通信传输及接收装置、数据分析及容量评估系统。根据监测对象，DTLR可分为间接法和直接法两种。
1.间接法
DTLR的间接方法是测量或预测气象数据，主要包括环境温度、风速、风向、日照和降雨等，将气象变量作为载流量计算的条件，对导线输送容量进行限额计算。在实际应用中，通常是沿着线路或在关键位置安装微型气象站来获取气象数据。除采用实时监测的气象参数计算导线载流量外，还可使用大量数据建立气象数值预报模型，预测线路走廊的环境参数变化。国内外已有众多学者基于气象历史数据及气象预测提出了导线的动态增容模型。
2.直接法
DTLR的直接方法是通过对导线本体状态参数进行监测来实现的。导线运行状态参数主要包括导线温度、弧垂、离地间隙和应力等。在实际应用中，直接法一般也需要实时环境状态参数，但在建立增容计算模型时需要采用导线本体状态数据。相比于间接法，直接法更直观地呈现了导线的运行状态，其增容评估系统主要基于导线测量状态而非理论计算值。下面分别简单介绍基于直接法的增容技术及其研究和应用现状。
① 基于导线温度测量的增容技术
从导线容量理论模型可知，导线的载流量与导线的最高允许运行温度直接相关，基于载流量与温度之间的关系即可计算出 给定温度条件下的导线容量。在线路运行时，已知导线即时温度及线路电流，可推算出给定允许温度下的导线额定容量。基于导线温度测量是一种较为便捷的增容技术。
架空导线温度在线测量有多种方式。传统方式为点式接触法测量温度，由于该方法仅可代表线路上的某一具体位置温度，在实际应用中一般是在线路的关键位置布置多个测量温度点。采用红外热成像技术对整条线路进行非接触式扫描测量温度，该种方式易受到天气的影响，测量温度精度相对较低。
近年来，分布式光纤测量温度及光纤光栅测量温度传感技术在架空线路中也有了一定的应用，其原理是基于光纤中背向反射光的强度及光纤光栅中波长变化与温度之间的关系计算线路中光纤敷设位置的温度，该方式的显著优点是无需对测量装置提供外部电源。在上述测量方式中，目前应用广泛且成熟度较高的方式仍然是传统点式温度传感器或接触式测量温度。
②基于弧垂或离地间隙测量的增容技术
导线运行时的热膨胀效应会导致导线离地或建筑物之间的距离变小，从而影响线路的安全运行。架空导线离地面或建筑物的高度是输电线路设计及运行人员所需考虑的安全问题。在GB 50545—2010《110~750kV架空输电线路设计规范》中，对导线弧垂的计算原则以及不同电压等级、不同环境条件下导线对地面的最小距离进行了详细的规定。
架空导线弧垂测量的传统方法为采用经纬仪进行弧垂测量，这一方法常用于线路敷设及紧线操作中，其原理示意图见图1。
图1 经纬仪测量示意图
通过经纬仪测量α角和β角，再结合悬挂点的已知高度即可计算导线弧垂（f）。该方法获取的导线弧垂具有较高的精度，但需要在现场布置设备和人力。因此，在复杂地形条件下很难采用该方法对导线弧垂进行实时测量。
近年来，采用激光测距方法对导线弧垂的测量有了一定的应用。该方法的特点是安装简单，但需要事先确定线路安装点，并建立对应地面水平面。随着巡线机器人及无人机技术的发展，基于图像识别的智能监测技术在输电导线的弧垂测量方面也有了初步应用。通过机器人或无人机携带相机拍摄导线图像，再通过图像处理技术对线路进行重建，最终实现导线弧垂参数的计算。另外，随着雷达探测及通信技术的快速发展，采用激光雷达和调频连续波雷达通过对输电线路的扫描，利用点云数据重建线路的三维空间模型，并实时计算导线的弧垂，也具有很高的精度。
③基于应力测量的增容技术
导线的受力状态直接决定其安全运行。对于运行的线路，导线的应力与温度及弧垂直接相关。通过实时监测导线的应力可以推算出导线的温度和弧垂参数，以保证导线处于温度及弧垂安全规程限制条件内。导线应力的测量主要采用应力传感器，主要包括应变片式传感器和光纤传感器。美国Nexans公司开发的CAT-I输电线路监测系统通过测量线路的应力及环境温度等参数，对线路的可用容量进行实时估算，可在保证安全的条件下实现线路增容 10%～30%。
由于应力传感器装置须经过导线端部与铁塔连接，在线路实际运行中，考虑到安全原因，国内很少对导线的应力状态参数进行直接监测。目前，我国输电线路中的应力监测主要应用于导线覆冰状态的测量。
输电导线增容技术实施过程中的难点
输电导线增容技术研究及应用已有20多年的历史，经历了从静态增容到动态增容，从单变量到多变量相互校验的发展历程。
2005年，我国华东电力试验研究院对迎峰度夏期间的环境温度、风速和日照强度进行了连续监测，依据实际环境参数核算输送容量，提出了限额条件下的安全时间和限定时间内的安全限额两种动态增容方法。2006年，重庆电力公司在220kV线路上安装了导线测温系统，验证了导线温度上升在过渡时间内线路的实际载流能力。广东电网公司基于当地运行线路气象数据及实测弧垂数据，由增容系统进行验算，确认特定线路可多输送30%～50%的检修及应急负荷，实现了线路安全增容运行。
另外，随着新能源的快速发展，DTLR在风电场送出线路中有着广泛的应用。利用风速、输电线路最大载流量和风机发电容量之间的关系建立的增容技术，实现了风机总功率和导线最大容量的动态匹配；特别是，可再结合风电场储能系统的容量和功率，实现了风电场的经济运行和清洁能源的消纳。目前，我国已在该领域进行了示范性项目的建设。英国在风电场新能源送出中，使增容系统成为电网控制系统的一个组成部分，在电网安全运行的条件下，将线路输送容量提高20%。
总的来看，世界各国在输电线路的增容技术方面均已经开展了大量的研究工作，但我国在新能源领域中增容技术的应用相对于欧美国家较为滞后。从当前国内外应用的现状来看，增容技术无论是采用间接方法还是直接方法，均存在许多问题。
1.测量设备的准确度及运行
除监测环境参数的设备可直接固定在铁塔上外，其他输电线路在线监测设备均需要与导线本体相连。温度、弧垂和应力测量设备自身的精度直接决定了增容系统的精度及可靠性。虽然在GB/T 35697—2017《架空输电线路在线监测装置通用技术规范》中，关于温度及弧垂等在线测量设备的精度均有相应的规定，但在实际线路中，这些测量设备受其自身精度及安装位置的限制，并不能准确反映导线实际运行的状态，因此，易造成测量的偏差。
当前，大多数在线监测装置均需要提供外部电源。若采用蓄电池方式，则需要考虑电池更换的周期和便捷性。近年来，随着在线取电技术的发展，测量装置的自身质量也在提高，还可能会产生其他安全问题。
2.增容系统的可靠性
输电线路的增容技术除依赖测量设备外，还需要可靠的增容模型。目前，在温升、弧垂及应力与导线容量关系方面已有许多理论研究，但这些经典公式中很多参数的取值与导线本体、地理位置及环境有关。为了获得准确的参数，需要进行大量的试验验证工作；为了提高预测精度，也需要更为复杂精细的算法工具。
在实际应用中，除需要采用导线监测装置的实时测量数据验证增容模型外，还需要对未来时间段内自然界温度、风速、风向、日照和湿度等外部环境参数进行预测。增容模型系统涉及大量数据的采集、识别、通信及存储等，而数据的即时处理对计算机硬件配置及软件功能提出了更高的要求，只有在满足这些条件后，才能保证增容系统的可靠性要求。
3.增容技术应用中的系统性和经济性问题
增容技术在实际应用中需要考虑系统安全性问题。当线路容量增加时，导线运行温度升高，其连接终端甚至变压器等线路关键器件的温度也会升高。因此，需要考虑整个线路系统中所有器件可承受的耐温能力，这也是当前输电部门对增容技术应用持保守观点的原因之一。
对于既有线路的增容技术应用，需要增加监测装置、通信和终端数据分析系统，而保持系统长期稳定运行又需要投入大量人力和物力。因此，增容系统的成本与其为线路增加输送容量所获得经济效益的平衡也是电力企业关注的问题。
输电导线增容技术发展趋势
随着架空导线材料性能的提高和监测，以及通信技术水平的进步，近年来，输电线路增容技术有了快速发展。如何充分挖掘现有线路的输送能力和通过线路改建提高线路容量，已成为当前输电领域的热点问题。
1.提高导线运行温度
从线路容量理论模型可以看出，导线的允许运行温度越高，其输送容量越大。考虑到线路整体的安全及寿命，电力运行部门对于提高导线允许运行温度往往是谨慎的。提高既有线路的导线允许运行温度需要对导线材料及连接金具的耐热性能进行全面评估，以保证线路在增容时的安全性。
对于传统的钢芯铝绞线，虽然不同国家对其允许最高运行温度有所差异，但均不大于100℃。近年来，具有耐高温、低弧垂特种性能的架空导线（包括殷钢芯耐热铝合金绞线、间隙型特强钢芯耐热铝合金绞线和铝基陶瓷纤维芯耐热铝合金绞线等）在一些特定场合中有了一定的应用，这些导线的允许运行温度大于100℃，甚至可以达到200℃。采用这些导线直接替换原线路中的钢芯铝绞线，当提高导线允许运行温度时，其输送容量可大幅度提高。
2.应用动态增容技术
应用各种设备对线路所处的环境及导线状态进行实时监测，并在遵循现有规程及保证线路运行安全的条件下，采用增容模型提高既有线路的输送容量，已成为当前电力领域一种重要的增容手段。采用DTLR可以评估线路短时过载能力，为线路超原负荷运行提供决策。特别是在风力场输电线路中，结合风速变化、导线运行状态和储能系统，采用DTLR可以大幅度地提高线路的输送容量。
DTLR是一项涉及线路设计、导线及金具特性、运行及安全管理、通信及软件计算等多因素融合的新型技术。将DTLR有效地接入现有电网系统中，并与储能系统形成一个有机整体，将成为解决能源供求矛盾和新能源消纳的重要手段。对于改建线路，可以采用新材料和新型结构型式导线，通过提高运行温度的方式增加线路的输送能力；对于既有线路，可以利用各种在线监测设备即时监测导线的运行状态，并通过增容技术实时评估导线的容量限额，在保证安全的前提条件下，挖掘导线的输送能力，提高线路的传输效率。
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