高原环境下110kV城网迎峰过冬的可行性研究.pdf

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1、第 3 7卷第 8 期 2 0 0 9年 4月 1 6日 电 力 系统 保护 与控制 Po we r Sy s t e m Pr o t e c t i on a n d Cont r ol V b 1 3 7 NO 8 Ap r 1 6 ，2 0 09 高原环境下 1 1 O k V城 网迎峰过冬的可行性研究 刘春艳 ，李钊年 ，李文秀 ，王佐亮 ( 1 青海大学，青海 西宁 8 1 0 0 1 6 ；2 青海桥头铝电有限公司，青海 西宁 8 1 0 0 1 6 ) 摘要：针对高寒地区特殊的气象条件， 研究了 1 1 0 k V城网中提高导线温度的可行性及提高导线温度后主变的过载能力，并给

2、出了计算依据和结果。线路试运行结果表明， 将导线允许温度从 7 0 C提高到 8 0 C时， 除部分配套金具不能满足要求外，主变 及 其他 均能安全运行 。 关键词：高寒地区；导线容许温度； 主变；过载能力；输送容量 F e a s i b i l i t y s t u d y o f 1 1 0 k V u r b a n n e t wo r k r u n ni n g a t p o we r p e a k i n wi n t e r wi t h p l a t e a u e n v i r o n me n t LI U Chu n y a n1 ，LI Zh a o n

3、i a n ， LI W e n x i u1，W ANG Zuo l i a ng 2 ( 1 Q i n g h a i U n i v e r s i t y ， Xi n i n g 8 1 0 0 1 6 ， C h i n a ； 2 Q i n g h a i Q i a o t o u Al u mi n i u m&P o w e r C o ，L t d ， Xi n i n g 8 1 0 0 1 6 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h i s p a p e r s t u d i e s f e a s i b i l i t y a

4、 n d ma j o r t r a n s f o r me r S o v e r l o a d i n g a b i l i t y o f i m p r o v i n g t e mp e r a t u r e o f c o n d u c t i n g w i r e i n 1 1 0 k V u r b a n n e t wo r k i n a c o n d i t i o n o f s p e c i a l p l a t e a u e n v i r o n me n t t h e n p r o v i d e s c a l c u l a

5、t i o n b a s i s a n d r e s u l t s T h e t e s t r u n r e s u l t o f tr a n s mi s s i o n l i n e s h o w s t h a t i f w e i n c r e a s e p e r mi e d t e mp e r a t u r e o f c o n d u c ti n g wi r e f r o m 7 0 t o 8 O 。 the ma j o r t r ans f o f i n e r a n d o t h e r d e v i c e s c a

6、 n b e s a f e i n o p e r a t i o n e x c e p t t h a t a p a r t o f a u x i l i a r y a c c e s s o r i e s c an n o t me e t t h e n e e d Ke y w o r d s ： h i g h a n d c o l d a r e a ； p e r m i t t e d t e m per a t u r e o f c o n d u c t i n g wi r e ； ma j o r t r ans f o r me r ； o v e r

7、 l o a d i n g a b i l i t y ； tran s mi s s i o n c a p a c i t y 中图分类号 ： T M7 1 5 文献标识码 ：A 文章编 号： 1 6 7 4 3 4 1 5 ( 2 0 0 9 ) 0 8 0 0 6 3 0 4 0 引言 随着国家对西部大开发战略的实施 ，青海 国民 经济得到了持续高速的发展，企业的生产能力得到 了大幅提高 ，人民生活质量逐步改善，电能供需矛 盾 日益突出，造成青海 电网缺 电严重。由于青海电 网的改造 已基本完成，网架结构已基本定型，输电 通道的输 电能力受到限制 ，电力供应与电网输送能 力严重不足的

8、问题 日益突出。青海电网 8 个 3 3 0 k V 变 电站中有 6 个主变容载比已超过规程规定 ， 西宁、 海东、海北、海南 4个供电地区的 l 4个 1 l 0 k V变 电站接近满载运行，部分新增负荷处于待电投产状 态，电力传输 “ 瓶颈 ”问题 凸现。而到了冬季，由 于取暖负荷 的增加 以及各高耗能企业用 电负荷的大 幅增加，使 电力传输的 “ 瓶颈”问题更加突出。虽 然线路最初架设时是按负荷发展预测情况而选择导 线截面的，但 由于用电负荷的发展与社会经济的发 展密切相关，它随着地方经济的发展而变化，因此 存在不可预见性，实际也是如此。因此，在基本不 基金项目：青海大学中青年科研基金

9、项目 ( 2 0 0 8 一 Q G - 1 2 ) 改变现有线路的基础上增加 电网输送能力就成为符 合西部实际条件的、行之有效的方法 。 风速、日照、气温等 自然条件是影响导体允许载 流量的主要因素 。目前， 大部分国家均按照 自己国家 的自然环境，取用不同的风速、日照、气温和导线允 许温度等边界条件【 l ， 2 】 。我国取用的边界条件为：环 境温度 3 5 ；风速 0 5 m s ；日照强度 i 0 0 0 W m ； 吸热系数 0 9 ；散热系数 0 9 ；导线允许温度 7 0 C。 考虑到高原环境下特殊的气候条件和是否能够在满 足导线热稳定的前提下达到输送更多功率的目的， 根 据青

10、海 电力公司所提供的参数， 我们将导线允许的最 高温度定为 8 0 C来进行研究。 通过提高现有线路导线工作温度 的方法而增 加线路输送容量，国内对于此类项 目的关注和研究 是从 2 0 0 3年底开始的，到 目前 ， 一些率先进行尝试 性探索的供 电企业 已经获得 了一些值得借鉴的经 验。华东电网公司在 2 0 0 3年度夏前成功地将常州一 无锡一 苏州双回路 5 0 0 k V线路的导线稳定输送限额 从 2 2 0 MW 提高到了 2 6 0 2 8 0 Mw；广州、郑州、 大连局均 采用 预防性试验 规程 中修试 年 限的上 限 6 4 电力系统保护与控制 值，将变压器、断路器等设备的修

11、试周期由一年一 次改为三年一次，减少了设备的停电时间，提高了 设备的出力。 本文选取西宁 1 1 0 k V城网中应用较 多的两种 导线 L G J 1 8 5 3 0 和 L G J 2 4 0 4 0 ， 对影响线路导线载流 量的一些 因素进行了分析， 对线路在高寒地区气象 条件下的导线载流量进行 了修正， 从而达到 了提高 线路输送容量的 目的。并根据变压器的实际运行情 况 ，通过计算等值空气温度确定冬季高峰负载超铭 牌容量运行的能力， 满足变压器运行时绕组温度的 限制， 从而在不影响变压器寿命的前提下， 重新核定 了变压器 的超铭牌容量运行能力， 确保变压器在安 全运行 的前提下， 尽

12、量挖掘变压器正常超铭牌容量 运行能力， 以满足电力负载不断增长的需要 。 1 导线载流量的计算模型 输 电线的热容模型 以线路的热平衡方程为基 础建立。由于 I E E E 7 3 8 1 9 9 3标准 。 中考虑的因素全 面， 基于此标准得出导体稳定导线载流量计算式为 式 中 ： q 为导线对流 散热， q 为 导线 辐射散热 ， 为导线 日照吸热， ，为导线电流值， n ( 5) 为导 线在温度 时的交流电阻值 。 1 1风速对导线载流量的影响 当辐射系数与吸热系数不同时，对于两种不同 型号的导线，风速从 0 5 m s变为 1 m s ，导线允 许载流量的变化如表 1 所示。 表 1风

13、速 与导线载流量的关系 T a b 1 T h e r e l a t i o n s h i p b e t we e n wi n d s p e e d a n d c o n d u c t i n g 最 高 允 许 温 度 导线载流量 A 载流增量( ) 风速 m S 。 。 ( ) 1 8 5 m il l 2 4 0 1111 12 1 8 5i n m 2 2 4 0IIll Il。 辐射系数 f = 0 5 ，吸热系数 a = 0 5 O 5 7 0 4 0 7 0 4 6 9 7 l _ 0 7 0 4 8 3 2 5 5 3 5 1 8 7 1 8 7 0 5 8 0

14、4 6 9 7 5 5 3 1 1 O 8 0 5 5 3 5 6 5 1 6 l 7 8 l 7 8 辐射系数 = 0 9 ，吸热系数 d = O 9 O 5 7 0 3 9 8 3 4 6 7 2 1 O 7 0 4 7 1 2 5 5 2 6 l 8 3 l 8 3 0 5 8 0 4 7 2 8 5 5 7 0 1 O 8 0 5 5 2 3 6 5 0 1 1 6 8 1 6 8 由表 1 可见， 在 7 0 C和 8 0 0 C时对于两种型号的 导线，当风速从 0 5提高到 1 O时，对于旧线载流 量分别提高 1 8 3 ：N I 1 6 8 ， 对于新线载流量分别提 高 1 8

15、7 和 1 7 8 。 而对于不同截面的导线， 其载流 量的提高比例是相同的。 1 2环境温度对载流量的影响 当辐射系数与吸热系数不同时，对于两种不同 型号的导线， 当环境温度从 4 0 降低为 3 5 时， 导 线允许载流量的变化如表 2所示 。 表 2 环境温度与导线 载流量的关系 Ta b 2 The r e l a t i o ns hi p b e t we e n e n vi r on me n t a l t e mp e r a t u r e a n d c o n d u c t i n g w i r e c a r r y i n g c a p a c i t y

16、环境 导线 最 高 允 导线载流量 I 载流增量( ) 温度 ( ) 许温度 ( ) 1 8 5 m m 2 2 4 0 1 8 5 ll 2 2 4 0 m 辐射系数 f = O 5 ，吸热系数 口= O 5 3 5 7 0 4 8 8 9 5 7 4 9 9 6 9 7 4 0 7 0 4 4 6 2 5 2 4 2 3 5 8 0 5 5 8 4 6 5 7 6 6 9 6 9 4 0 8 0 5 2 2 6 6 1 5 2 辐射系数 = O 9 ，吸热系数 a = O 9 3 5 7 0 4 8 1 6 5 6 5 8 1 0 9 7 5 4 0 7 0 4 3 4 1 5 0 8 9

17、 3 5 8 0 5 61 O 6 6 0 9 1 1 2 7 5 4 0 8 0 5 2 2 1 6 1 4 6 由表 2可见， 在 7 0 和 8 0 时对于两种型号的 导线，当环境温度从 4 0 降低到 3 5 时， 对于旧线 载流量分别提高约 1 1 和 7 5 ，对于新线载流量分 别提高约 9 7 和 6 9 。 而对于不同截面的导线， 其 载流量的提高比例大致相 同。 1 3导线允许温度对载流量的影响 当导线允许温度从 7 0 C 变化到 8 0 C时，导体 载流量的变化如表 3所示。 表 3 导线允许温度 与载流量的关系 ( 环境温度为 3 5 C) Ta b 3 Th e r

18、e l a t i on s hi p b et we e n t he c on d uc t i n g wi r e p e r mi t t e d t e mpe r a t u r e a nd t he wi r e c a r r y i n g c a p a c i t y e n v i r o n me n t t e mp e r a tur e f o r 3 5 C) 导线载流量 A 载流增量( ) 导线最高允许温度 ( ) 1 8 5 m m 2 2 4 0 m n l 2 1 8 5 I IlIu 2 4 0 m ill 辐射系数 = 0 5 ，吸热系数 d

19、= 0 5 7 0 4 8 8 9 5 7 4 9 8 0 5 5 8 4 6 5 7 6 1 4 2 1 4 4 辐射系数 = O 9 ，吸热系数 d = 0 9 7 0 4 81 6 5 6 5 8 8 0 5 61 0 6 6 0 9 1 6 5 1 6 8 由表 3 可见，对于两种型号的导线，当最高允 许温度从 7 0 “ C提高到 8 0 时， 对于旧线载流量分别 l I ， 刘春艳 ， 等 高原环境下 l l O k V城网迎峰过冬的可行性研 究 一 6 5- 提高 1 6 5 和 1 6 8 ，对于新线载流量分别提 高 1 4 2 和 1 4 4 。导线截面越大，其载流量的提高越

20、 多。 由以上分析来看，对于 同一导线： ( 1 )将导线允许温度从 7 0 C提高到 8 0 时， 导线允许载流量可提高大约 1 4 以上。 ( 2 )导线截面越大，则最高允许温度从 7 0 提高到 8 0 时，载流量的增量就越大。 ( 3 )由于线路压降主要 由线路的电抗决定， 而 电抗主要 由频率来决定， 且 电抗远大于电阻。因而， 线路压降可控制在标准允许的 5 以内，能够满足 电能质量要求 。 2 导线发热损耗 比较与经济分析 2 1导线发热损耗 比较 从系统运行的角度 出发 ，选取两种不同型号的 导线，当导线发热允许温度 由 7 0 C 提高到 8 0 时， “ 线损功率 输送 ”

21、的增量约 0 7 1 5 ， “ 年损能 量 输送 ”的增量约 0 4 1 0 ，而且导线 8 0 持 续运行的时间很短暂，由此增加的线损甚小。 2 2提高导线发热允许温度的经济性分析 ( 1 )在高原环境下，提高导线允许温度 1 0 ， 输送容量最少约可升高 1 4 左右，G B l l 7 9 8 3计算 的 8 0 钢 芯铝绞线 的载流量 比 7 0 时平均提高 2 2 4 ，该值与国家标准计算值相 比相差了约 8 ， 主要原因是高原气候条件 的影响。 ( 2 )导线允许温度从 7 0 提高到 8 0 后的孤 垂增加 ，对大量线路的投资总额影响不大，虽然在 多种不利因素重迭的特殊情况，有

22、可能产生相当的 孤垂差额，但从总体来看，提高导线允许温度后， 补偿上述孤垂差额导致的杆塔升高和投资增加，对 大量线路的投资总额影响不大。 ( 3 )提高导线允许温度后显著增加输电容量， 电阻损耗增加甚微 。 环境温度为 2 0 3 0 时， 线温 8 0 运行的能 损约比 7 0 C运行时高 3 0 5 0 ， 但此短暂过程 占全 年运行时间的 0 0 5 7 ，由此增加的短暂损耗，在年 运行线损中所占比重甚微 。输送能力的提高，意味 着无论由系统稳定要求 的运行方式还是负荷骤增形 成的输送瓶颈，都可得到相应的缓解 。损耗增加的 代价与年输送能力的提高相比，是微乎其微的。 3 变压器正常超铭牌

23、容量运行能力核定依据 变压器的正常超铭牌容量运行能力在正常情况 下的过负载能力和事故情况下的过负载能力 。变压 器正常过负载能力可 以经常使用 ，而事故过负载能 力只允许在事故下使用。其遵循下列限制条件： ( 1 )以油浸式 自然冷却变压器为研究对象； ( 2 )不损失变压器的正常使用寿命； ( 3 )正常过负荷时变压器的过载能力不超过 5 0 ： ( 4 ) 正常过负荷时绕组热点温度不超过 1 4 0 C。 4 变压器正常超铭牌容量运行能力的理论 分析 变压器在正常运行 时允许过负载 ， 这是因为变 压器在一昼夜 内的负荷， 有时是高峰， 有时是低谷。 在低谷时，变压器在较低 的温度下运行；

24、其次，在 一 年 内季节性的温度也在变化。因此在变压器绝缘 和寿命不受影响的前提下 ，变压器可 以在高峰负荷 及冬季时过负荷运行 。 4 1变压器的温升计算 变压器 由于发热不均，计算时通常用平均温升 和最大温升 ( 或热点温升 )表示 。 如果变压器负荷与额定负荷不同，温升将需要 计算和修正。油的温升与油中损耗成正 比，绕组温 升与铜耗成正比【 4 】 。因此 ，当负荷为 时，顶层 油的温升为： 1 ： ， ( ) ( 2 ) = ， ( ) 一 l + 绕组对油的温差为 ： “l g = V g NK2 y ( 3) 式中： 为 负荷时顶层油温升； 为额定负载 时顶层油温升； 尺为额定负荷

25、下，短路损耗对空载 损耗之比； 为浮在系数，即实际负荷与额定负荷 之比； 为计算油温的指数 ，对于 自然油循环冷却 取 0 8 ；Y为计算热点温度指数，随冷却方式而异， 一 般取 y = x ： 为 负荷时绕组热点对顶层油的温 差； 为额定负荷时绕组热点对顶层油的温差。 4 2超铭牌容量运行能力的计算 对于 自然油循环冷却方式，在任何负载下，绕 组热点温度等于环境温度、顶层油温升 以及热点与 项层油之间温差之和，即： = O o ( 4 ) 式中： 为热点温度( 不考虑导线电阻影响) ； e o 为 环境温度 。 4 3计算数据 一 6 6 电力 系统保护与控嘲 变压器在运行过程 中，预期寿命

26、和老化程度与 绕组温度呈指数关系。在高温时，绝缘老化的加速 远远大于低温时绝缘老化的延缓。 目前尚没有一个 简单的准则来判断变压器的真正寿命，一般在工程 上用相对预期寿命和老化率来表示变压器的老化程 度 。变压器的相对预期寿命和老化率都牵涉绕组热 点温度，标准 G B T 1 5 1 6 4 1 9 9 4 油浸式变压器负载 导则中规定，热点温度 9 8 是计算变压器热老化 的基准值。由于油浸式变压器是 A级绝缘 ，允许把 1 0 5 作为允许运行平均温度 ，1 1 8 作为最高允许 运行温度。因此，只要变压器的绕组热点温度不超 过 l 1 8 ，是可以允许变压器适当过载的。 表 4给出了导线

27、允许工作温度提高后 ，主变各 时段的正常过负荷能力和绕组热点平均温度计算 值 。 表 4主变正常过负荷和绕组热点平均温度计算值 Ta b 4 Th e ca l c u l a t e d r e s ul t s of t he no r ma l ov e r - l o a d o f ma i n t r a ns f o rm e r a nd t h e a v e r a g e t e mp e r a t u r e of wi nd i ng ho t s po t 冬季按 I 1 月至 3月计算，每月正常过负荷和绕组热点平均温度 月 份 l 1 1 2 1 2 3 正常过

28、载能力 1 2 3 1 2 3 1 3 7 1 3 9 1 3 7 绕组热点平均温 1 0 7 3 1 0 6 9 l O 6 9 1 O 6 8 1 0 7 1 冬季按 l 2月至 2月计算，每月正常过负荷和绕组热点平均温度 月 份 1 2 1 2 正常过载能力 倍 l _ 3 6 1 4 1 1 4 3 绕组热点平均温度 1 1 2 4 4 4 l 1 i 4 7 6 9 l 1 1 3 8 5 4 1 月 1 5日，高峰时段正常过负荷和绕组热点平均温度 时 间 8 ：O O 2 0 ：0 0 正常过载能力 倍 L 5 1 5 绕组热点平均温度 l 1 7 0 5 8 5 1 1 7 0

29、5 8 5 由此可以看出， 这种确定变压器过载能力的方法 是可行的和合理的。 在不损失变压器使用寿命的前提 下， 考虑到高原环境下的实际情况， 变压器可适当过 载。( 1 )年平均温度不到 2 O ( 西宁市为 8 “ C) ， 变压器年平均负荷可适当过载；( 2 ) 夏季时负荷达不 到变压器的额定容量，冬季负荷高峰时可适当过载； ( 3 )午夜及中午时负荷达不到变压器的额定容量， 每 日负荷高峰时段可适当过载。 5 结语 分析结果表明，在高原环境下，将导线允许温 度从 7 0 提高到 8 0 是完全可行的。西宁 1 i 0 k V 城网中的 6条线路在此研究的基础上进行 了试运 行。运行结果

30、表明，除一小部分配套金具需要进行 更换外，所有 6条线路均能安全运行，主变运行 良 好。这一研究结果为更好地解决高寒地区电力输送 能力不足的 “ 瓶颈 ”问题提供了理论依据和运行经 验 。 参考文献 1 张海峰，李钊年，沈权海高寒地区i 1 0 k V 城网中提高 导 线允许 温度 的可行 性研 究 J 继 电器 ，2 0 0 6 ，3 4 ( i 0) ：6 7 6 9 Z HA NG H a i f e n g ， L I Z h a o n i an， S H E N Q u a n h a i F e a s i b i l i t y S t u d y o f 1 1 0 k V

31、Ur b an Ne t wo r k o n I n c r e a s i n g Co n d u c t o r Al l o wa b l e T e mpe r a t u r e i n Al p i n e c o l d Re g i o n J Re l a y，2 0 0 6，3 4 ( 1 0 ) ：6 7 6 9 2 叶鸿声， 龚大卫， 黄伟中， 等 提高导线允许温度的可行 性研究和工程实施 J 电力建设， 2 0 0 4 ， 2 5 ( 9 ) ： 卜7 YE Hon g s h e ng， GONG Da we i ，HU ANG W e i z h on g，

32、e t a 1 F e a s i b i l i ty S t u d y o n I n c r e a s i n g Co n d u c t o r Al l o wa b l e T e mp e r a t u r e an d En g i n e e r i n g P r a c t i c e J E l e c t r i c P o we r Co n s t r u c t i o n ， 2 0 0 4 ， 2 5 ( 9 ) ： 1 - 7 3 I E E E S t a n d a r d f o r C a l c u l a t i n g t h e C

33、 u r r e n t T e mp e r a t u r e Re l a t i o n s h i p o f Ba r e Ov e r h e a d Co n d u c t o r s S 4 王佐亮提高导线允许运行温度后主变超铭牌容量运 行能力的核定 J 变压器，2 0 0 7 ，( 9 ) ：卜3 WANG Z u o l i a n g Ch e c k i n g an d Ra t i fi c a t i o n o f Ov e r l o a d Ab i l i t y o f M a i n T r a n s f o rm e r a f t e r R

34、ais i n g C o n d u c t o r A l l o w a b l e T e mp e r a t u r e J T r ans f o rme r ， 2 0 0 7 ， ( 9 ) ： 1 - 3 5 洪淑月， 施晓钟 电力系统的数学模型与仿真研究 J 电工技术学报 ，2 0 0 3 ，( 4 ) ：7 2 7 6 HONG S h u y u e ， S HI Xi a o z h o n g S t u d y o n M a the ma t i c al Mo d e and S i mu l a t i o n o f P o we r S y s t e

35、 m J Tr ans a c t i o n s o f Ch i n aEl e c t r o t e c h n i c a l S o c i e t y 2 0 0 3 ， ( 4 ) ： 7 2 7 6 6 张忠孝 青海地理 M 西宁 ： 青海人 民出版社， 2 0 0 4 Z H A NG Z h o n g - x i a o Qi n g h ai G e o g r a p h y M X i n i n g ： Qi n g h a i P e o p l e 。S Pre s s ，2 0 0 4 收稿 日期：2 0 0 8 - 0 4 - 2 2 ； 修回 日期：2 0 0 8 0 9 0 1 作者简介： 刘春艳 ( 1 9 7 1 - ) ，女，副教授，主要从事电气工程及其 自 动化方面的教学和科研工作。E m a i l ： l c y 3 O 5 s i n a c o m