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2023-07-01
架空输电线路的参数优化策略
【摘要】：架空线路一般采用铝线、钢芯铝线和铜线，有电阻、电抗、电导、电纳四个参数。所谓电晕现象，就是架空线路带有高电压的情况下，当导线表面的电场强度超过空气的击穿强度时，导体附近的空气游离而产生局部放电的现象。显然由于电纳与几何均距、导线半径也有对数关系，所以架空线路的电纳变化也不大，其值一般在2.85×10－6S/km左右。
架空线路一般采用铝线、钢芯铝线和铜线，有电阻、电抗、电导、电纳四个参数。下面分别讨论有色金属导线四个参数的确定方法。
1.电阻
单位长度的直流电阻可按下式计算
式中 ρ——导线的电阻率，Ω·mm2/km；
S——导线载流部分的标称截面积，mm2。
在电力系统计算中，导线材料的电阻率采用下列数值：铜为18.8Ω·mm2/km，铝为31.5Ω·mm2/km。它们略大于这些材料的直流电阻率，其原因是：①通过导线的是三相工频交流电流，而由于集肤效应和邻近效应，交流电阻比直流电阻略大；②由于多股绞线的扭绞，导体实际长度比导线长度长2%～3%；③在制造中，导线的实际截面积比标称截面积略小。
工程计算中，也可以直接从手册中查出各种导线的电阻值。按式（2-1）计算所得或从手册查得的电阻值，都是指温度为20℃时的值，在要求较高精度时，t℃时的电阻值rt可按下式计算
式中 α——电阻温度系数，对于铜α＝0.00382（1/℃），铝α＝0.0036（1/℃）。
2.电抗
电力线路电抗是由于导线中有电流通过时，在导线周围产生磁场而形成的。当三相线路对称排列或不对称排列经完整换位后，每相导线单位长度电抗可按以下公式计算（推导从略）。
（1）单导线单位长度电抗为
式中 r——导线的半径，mm或cm；
μr——导线材料的相对导磁系数，对于铝和铜μr＝1；
Dm——三相导线几何均距，其单位与导线的半径相同，当三相相间距离为Dab、Dbc、Dca时，
（mm或cm）。
由上面的计算公式可见，输电线路单位长度的电抗与几何均距、导线半径为对数关系，即Dm、r对x1影响不大，在工程的近似计算中一般可取为x1＝0.4Ω/km。
（2）分裂导线单位长度电抗。分裂导线的每相导线由多根分导线组成，各分导线布置在正多边形的顶点。由于分裂导线改变了导线周围的磁场分布，从而减小了导线的电抗，其计算公式为
式中 n——每相分裂根数；
req——分裂导线的等值半径，其值为
式中 r——分裂导线中每一根导线的半径；
d1i——一相分裂导线中第1根与第i根的距离，i＝2，3，…，n。
由分裂导线等值半径的计算公式可见，分裂的根数越多，电抗下降也越多，但分裂根数超过三四根时，电抗下降逐渐减缓，所以实际应用中分裂根数一般不超过四根。
与单根导线相同，分裂导线的几何均距、等值半径与电抗成对数关系，其电抗主要与分裂的根数有关，当分裂根数为2、3、4根时，每公里电抗分别为0.33、0.30、0.28Ω/km左右。
3.电导
架空输电线路的电导是用来反映泄漏电流和空气游离所引起的有功功率损耗的一种参数。一般线路绝缘良好，泄漏电流很小，可以将它忽略，主要是考虑电晕现象引起的功率损耗。所谓电晕现象，就是架空线路带有高电压的情况下，当导线表面的电场强度超过空气的击穿强度时，导体附近的空气游离而产生局部放电的现象。
线路开始出现电晕的电压称为临界电压Ucr。当三相导线为三角形排列时，电晕临界相电压的经验公式为
式中 m1——考虑导线表面状况的系数，对于多股绞线m1＝0.83～0.87；
m2——考虑气象状况的系数，对于干燥和晴朗的天气m2＝1，对于有雨雪雾等的恶劣天气m2＝0.8～1；
r——导线的计算半径；
Dm——几何均距；
δ——空气的相对密度［δ＝3.86b/（273＋t），其中b为大气压力（Pa），t为空气温度（℃）］。
对于水平排列的线路，两根边线的电晕临界电压比上式算得的值高6%；而中间相导线的则较其低4%。
当实际运行电压过高或气象条件变坏时，运行电压将超过临界电压而产生电晕。运行电压超过临界电压愈多，电晕损耗也愈大。如果三相线路每公里的电晕损耗为ΔPg，则每相等值电导
式中 ΔPg——单位为MW/km；
UL——线电压，kV。
实际上，在线路设计时总是尽量避免在正常气象条件下发生电晕。从式（2-6）可以看到，线路结构方面能影响Ucr的两个因素是几何均距Dm和导线半径r。由于Dm在对数符号内，故对Ucr的影响不大，而且增大Dm会增大杆塔尺寸，从而大大增加线路的造价；而ucr却差不多与r成正比，所以，增大导线半径是防止和减小电晕损耗的有效方法。在设计时，对220kV以下的线路通常按避免电晕损耗的条件选择导线半径；对220kV及以上的线路，为了减少电晕损耗，常常采用分裂导线来增大每相的等值半径，特殊情况下也采用扩径导线。由于这些原因，在一般的电力系统计算中可以忽略电晕损耗，即认为g1≈0。
4.电纳
在输电线路中，导线之间和导线对地都存在电容，当交流电源加在线路上时随着电容的充放电就产生了电流，这就是输电线路的充电电流或空载电流。反映电容效应的参数就是电纳。三相对称排列或经整循环换位后输电线路单位长度电纳可按公式计算（推导从略）。
（1）单导线单位长度电纳为
式中Dm、r的代表意义与式（2-3）相同。显然由于电纳与几何均距、导线半径也有对数关系，所以架空线路的电纳变化也不大，其值一般在2.85×10－6S/km左右。
（2）分裂导线单位长度电纳为
采用分裂导线由于改变了导线周围的电场分布，等效地增大了导线半径，从而增大了每相导线的电纳。式中req的代表意义与式（2-4）相同。当每相分裂根数分别为2、3、4根时，每公里电纳约分别为3.4×10－6、3.8×10－6、4.1×10－6S/km。
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