架空線路熱穩傳輸能力提升方法研究

李宏強,魏亞威,馬晶,周雷,魯廣明,顧雨嘉

(1.國網寧夏電力有限公司電力科學研究院,寧夏 銀川 750011;2.中國電力科學研究院有限公司,北京 100192)

0 引 言

隨著中國國家碳排放政策的進一步明確,以風電、光伏為主體的新能源將得到進一步發展[1]。新能源出力受光照、風力等自然影響因素較大,具有較高的波動性,此外,光伏和風電的出力峰值也和日常電網的負荷曲線峰值不匹配,影響了新能源的本地消納水平[2]。中國目前采用了特高壓交直流電網跨區域長距離異地輸送的方式,作為新能源全額消納的解決方案[2]。該方案在設計時對輸電線路最大輸送能力的規定留有較大裕量,如風速、溫度和光照等影響線路傳輸能力關鍵參數均是采用實驗室的理論組合(弱風、高溫和強光照)。根據西北地區線路實際運行環境氣象數據分析,弱風、低溫和強光組合為主導氣象的情況出現較少,因此,如果綜合考慮西北地區實際氣象條件情況,輸電線路有一定的增容潛力[3-4]。目前,線路增容能力分析方法較常采用新增微氣象裝置監測單條線路的數據[5],能提供的方案僅針對單一線路,覆蓋面有限,無法解決大規模新能源大范圍轉移消納的挑戰。

現有輸電線路傳輸能力動態挖掘提升方法,主要依據通用計算模型開展研究。通常,通用計算模型所需的數據普遍要求較高精度,因此,根據采集數據方式的不同,傳輸能力動態挖掘方法可大致區分為直接在導線加裝接觸式量測裝置和不主要依靠本地接觸式量測數據兩大類方法[5-9]。接觸式量測數據精度高,針對選定架空輸電線路,通過增設傳感設備實現對環境信息的有效收集并計算線路增容空間是此類方法的主要特點[6-8]。對于明確需要提升傳輸能力的線路,建設和應用實施見效快,但同樣也存在后期維護復雜,重復建設內容多,投資花費高的問題。

非接觸式監測隨著高空氣象遙感技術的逐步成熟,已逐步成為熱門的技術方案。該方法通過對架空線路桿塔等位置架設監測周圍氣象環境設備完成計算[5,9],能實現氣象數據采集裝置架設與輸電線路正常運行隔離。該方法實施不影響輸電線路運行狀態,但線路微氣象隨環境變化(風速、風向、環境溫度等)較快,并且對于低風速結果誤差相對較大。此外,受輸電線路走向、地形和區域氣象條件的變化,線路在不同位置運行環境會有變化,存在固有誤差。

以上方法都基于電力系統架空線路的熱穩定傳輸能力通用計算模型開展。IEEE Std 73—2012[10],CIGRE標準[11]以及我國提出的《架空輸電線路運行規程》[12]均提出了電力系統架空線路的熱穩定傳輸能力計算模型。在通用模型基礎上,研究人員進一步結合本地區預設環境參數來形成輸電線路載流量工程計算模型。隨著對架空線路動態增容領域研究的深入,通用模型計算精細度不足的問題引起了學術界關注并提出了多種針對性模型改進方法[13-15]。

通過考慮我國送端電力系統普遍存在“大風-沙塵”情況,針對新能源匯集區送端電網實際氣象條件和特點,提出考慮沙塵影響的改進型熱穩定傳輸容量計算模型?？紤]區域氣象變化條件,提出一種輸電線路熱穩定傳輸容量關鍵線路篩選方法。通過寧夏電網實際線路熱穩受限場景驗證,可實現對現有受限線路在新能源出力大發場景下的輸電能力提升。

1 考慮電暈效應的線路熱穩計算模型

1.1 架空線路熱穩定傳輸容量計算模型分析

目前,架空線路載流量的計算標準主要有IEEE標準[10]、CIGRE標準[11]以及Morgan公式[12],其中大多數國家普遍采用的是IEEE標準,我國架空輸電線路運行規程中采用的是Morgan公式。以上四種標準均考慮了對流散熱、輻射散熱、日照吸熱和電流焦耳熱的影響,只是各標準對每種因素的計算方法有所差異。CIGRE標準在考慮以上幾種因素的同時,還考慮了磁滯損耗加熱、電暈加熱和蒸發散熱的影響,相比之下,CIGRE標準對于線路載流量的計算考慮的因素更為全面、細致。目前所給出的CIGRE標準中并未給出關于磁滯損耗加熱、電暈加熱和蒸發散熱的工作溫度的計算方法。由于IEEE標準對參數的計算進行了簡化,更適合于實際的工程應用。本文以IEEE標準中關于架空線路載流量的計算模型進行分析研究,并在此基礎上建立適用于我國新能源規?；尤氲乃投穗娋W區域載流量計算模型。

架空線路的熱狀態取決于當時的環境氣象參數,如風速、風向、環境溫度或日照強度,以及流過導線的電流。假設上述所有參數隨時間保持相對恒定狀態,則導線可以被認為處于電流和溫度都恒定的“穩態”,即:導線產生的焦耳熱和太陽輻射提供的熱量等于對流和輻射向環境中散發的熱量。假設輸電線路為實心的圓柱體結構,如圖1所示,忽略子導線之間的空氣間隙,其穩態熱平衡方程為

qc+qr=qs+I2R(Tc)

(1)

圖1 架空線路熱平衡。

載流量計算模型為

(2)

式中:qc為對流散熱,W/m;qr為輻射散熱,W/m;qs為日照吸熱,W/m;I為導線載流量,A;R(Tc)為導線溫度為Tc時的交流電阻,Ω/m。

1.2 架空輸電線路電暈效應分析

電暈放電是發生在高壓輸電線路上的一種現象。當輸電線路運行時,導線附近會產生強度較大的電場,空氣中游離的電子會在電場的作用下發生碰撞或電離等一系列的反應,導線就會產生電暈放電。隨著輸電線路電壓等級的不斷提高,電暈放電現象會更加突出。此外,輸電線路的電暈放電強度還與導線表面狀況、天氣情況和空氣濕度等因素有關。針對我國實際情況分析,新能源規?；尤氲碾娏ο到y通常位于西北無人、少人等區域,新能源大發時,通常也是大風或強光等易誘發風沙的時段。

輸電線路的運行溫度影響輸電線路的技術和經濟性能,但是影響導線運行溫度升高的因素除了流過導線的電流以及吸收的太陽熱能外,架空裸導線周圍電暈引起的功率損耗也會引起導線的運行溫度升高。通常新能源所處的送端電網地區多為干旱、大風、沙塵暴等災害性天氣發生頻率較高地區,而沙塵天氣會導致電暈放電強度增大;因此,為了提高在實際條件下計算導線運行溫度的準確性,必須考慮電暈加熱效應的影響。

以鋼芯鋁絞線為例,利用有限元仿真軟件對沙塵環境下輸電線路進行簡單的建模。本研究主要是針對各因素下的電暈放電熱效應對導線內部溫度的分析,因此,該分析可以利用導線的平均溫度得出導線溫度隨各影響因素的變化關系。為了簡化計算,建立忽略鋼芯鋁絞線內部的空氣間隙、材料具有各向同性的均質化導線模型。為了研究空氣中懸浮的沙塵濃度和沙塵粒徑對電暈放電的影響,因此,在建模時在空氣域中繪制了與沙粒同等大小的圓,并將其設置為沙粒的同等屬性,根據空氣中懸浮的沙塵濃度來確定在空氣域中的沙粒數量。利用有限元多物理場分析軟件建立的沙塵環境下均質化導線模型如圖2所示。

圖2 均質化導線和沙塵環境模型。

電暈放電過程中參與等離子體化學反應的粒子較多且反應方程式較為復雜,因此,針對送端電網主要分析空氣中N2、O2和H2O對電暈放電的影響。等離子體的放電反應主要考慮了e、N2、N2+、N4+、N2O2+、O2、O、O-、O2+、O4-、O4+、O3、H2O、H2、OH、H-、OH-、H2O+等18種粒子。

鋼芯鋁絞線和沙粒的各項性質如表1所示。

表1 鋼芯鋁絞線和沙粒的性質

2 沙塵因素影響分析

利用有限元分析軟件建立鋼芯鋁絞線二維均質化導線模型,其中繪制的鋼芯鋁絞線外徑為9.66 mm,鋼芯直徑為7.2 mm,空氣域為半徑為70 mm的圓。電暈放電過程中參與等離子體化學反應的粒子較多且反應方程式較為復雜,因此主要分析空氣中N2、O2和H2O對電暈放電的影響,設定空氣中初始電子數密度Ne為1×1 013 m-3,環境溫度T0為40 ℃,壓力p0為88.35 kPa,忽略空氣流動對電暈放電的影響。由于電暈放電的速度一般為十幾納秒,相對于電暈放電電壓幾乎恒定,可以近似為直流放電,所以放電時間設置為20 ns,導線電壓V0為220 kV,為了使計算能在較短時間內收斂,施加電壓為Vapp=V0·tan h(1×104t) 。為了研究空氣中懸浮的沙塵濃度和沙粒粒徑對電暈放電的影響,因此在仿真時在空氣域中繪制與沙粒同等大小的圓,其密度設置為沙粒的密度2 200 kg/m3,導熱系數設置為0.136 0 W/(m·K),根據空氣中懸浮的沙塵濃度來確定在空氣域中的沙粒數量。

2.1 無沙塵環境

圖3為無沙塵環境下,空氣相對濕度為80%時的電暈放電對周圍空氣和導線溫度的影響。

由圖3(a)中可以看出,電暈放電對導線附近的空氣溫度影響最大,在t=20 ns時,導線附近空氣溫度最高達到了135 ℃;由圖3(b)可以看出導線內的平均溫度隨著放電時間的增大逐漸升高,到t=20 ns時導線內溫度升高。

(a)無沙塵影響的電暈放電對周圍空氣溫度影響。

(b)無沙塵影響的電暈放電對導線溫度影響圖3 無沙塵環境下空氣和導線的溫度變化。

2.2 有沙塵環境

當沙塵粒徑為0.2 mm,沙塵濃度為1 150 mg/m3,相對濕度為80%時的仿真結果如圖4所示。

(a)沙塵條件下電暈放電對周圍空氣溫度影響。

(b)沙塵條件下電暈放電對導線溫度影響圖4 有沙塵環境下空氣和導線的溫度變化。

由圖4中(a)可以看出,在t=20 ns時,導線附近空氣溫度最高達到230 ℃;由圖4(b)可以看出導線內的平均溫度隨著放電時間的增大逐漸升高,到t=20 ns時導線內溫度升高了0.001 ℃。

通過對比有無沙塵環境可知,在同等條件下,沙塵環境中導線電暈放電明顯增強,產生的熱量較多,對導線的加熱功率較大。

由仿真結果得到導線內溫度的變化量ΔT=0.001 ℃,然后通過式(3)計算電暈放電對導線的加熱功率:

qf=SLCvΔT

(3)

式中:S為導線的橫截面積,m2;L為導線的長度,m;Cv為導線的體積比熱容,[J/(m3·℃)];T為導線內溫度的變化量。

因此,新的輸電線路熱穩定傳輸平衡方程變為

qc+qr=qs+qf+I2R(Tc)

(4)

載流量計算模型變為

(5)

3 考慮區域氣象的受限關鍵線路篩選

綜合考慮新能源匯集區域信息、送出線路的電壓等級以及區域氣象因素,提出考慮熱穩定傳輸容量影響的關鍵線路篩選方法。該方法主要包括五個主要過程:

1)考慮省級電網調度運行管理范圍(330 kV和220 kV電壓等級為主),并結合輸電線路的線路材質(重點篩選沒有絕緣皮的LGJ系列鋼芯鋁絞線),開展第一步篩選;

2)在輸電線路第一步篩選基礎上,進一步考慮輸電線路使用年限和跨越區域,選取使用年限較短,跨越區域較多的線路;

3)考慮電網所在地區的地理氣象信息,在步驟2)的基礎上,進一步選取和本地區風速風向呈垂直角度的輸電線路,這種情況下線路受風影響程度均勻,動態增容潛力較大;

4)在初步篩選基礎上,進一步考慮區域新能源匯集區情況,選取新能源匯集區集中線路;

5)考慮線路在調度計劃方式下受限程度,選取受限程度高的線路形成熱穩定傳輸容量提升的關鍵輸電線路集。

4 仿真算例分析

選取寧夏電網的新能源匯集區傳輸容量受限場景,構建分析算例,驗證所提出的考慮區域氣象信息的非侵入式架空輸電線路熱穩定傳輸容量提升空間計算方法的適用性。

寧夏地區新能源基礎資源非常豐富(風、光資源較好),新能源可供開發位置較多,但普遍位于寧夏西北和西南區域。具體而言,主要集中在A、B及C等地區,其中A地區風力資源豐富,開發較早,已經形成連片風電基地。風光新能源基地所處位置相似,使得其高發、大發時間點相近,并網消納集中化、規?；卣鳂O為明顯。

分析寧夏地區2020年風電和光伏全年出力數據,如圖5和圖6所示。

圖5 2020年光伏全年出力數據。

圖6 2020年風電全年出力數據。

可以看出,寧夏風電不超過出力60%的占比約98.13%。根據光伏出力特性,寧夏光伏出力不超過60%的占比約96.5%。風電出力和風速正相關,光伏出力和太陽輻照度和溫度正相關。光伏和風電變化特性匯總如表2所示。綜合考慮寧夏地區的沙塵天氣對風電和光伏出力的影響,如表3所示。

表2 寧夏風電和光伏年出力統計特性

表3 寧夏新能源、沙塵及負荷變化特性

新能源出力和負荷出力最大、最小時間不同時出現。對于寧夏地區考慮新能源接入,其本地電源出力遠大于本地負荷的消納能力,為保證新能源消納,必須將規?；碾娔芡ㄟ^特高壓進行大規模的外送。在本地負荷未有明顯增長,而新能源快速增長的夏季會出現消納問題,其中寧夏電網A地區新能源消納受限情況較嚴重。

針對寧夏電網的新能源消納受限的A地區,進一步結合A區域電網拓撲與區域氣象環境開展綜合分析。其中區域歷史氣象數據,綜合采用中國電力科學研究院有限公司新能源研究中心的電網氣象數據與寧夏電網本地新能源歷史數據進行分析(2019—2020年)。中國電科院電力氣象數據采用通用的環境網絡公用數據格式(NetCDF),氣象NetCDF數據包括了網格點經度、緯度、時間、70 m高處風速、70 m高處風向、2 m高處濕度、2 m高處溫度、積累雨量等8大類基礎數據。

寧夏A地區新能源送出局部拓撲如圖7所示。其中,新能源基地由綠色圓點表示,例如A地區的X風電基地,T風電基地等。寧夏電網所屬330 kV母線節點由黑色圓點代表,如Y、Z變電站等。外送節點由藍色圓點表示,如S變電站。新能源消納跨區域外送線路由黃色表示。本文所選A地區受限線路330 kV Z-S雙回線,則采用紅色加粗線路表示。330 kV Z-S雙回線是A地區新能源送出的重要通道,受制于線路額定輸送容量不足,嚴重制約A地區新能源送出。

圖7 寧夏A地區新能源送出局部網架拓撲。

330 kV Z-S雙回線,按照常規的25 ℃基準環境溫度,溫升上限40 ℃,風速校核值0.5 m/s,其最大可傳輸電流是690 A,單線路最大傳輸容量為788 MW。

根據表4所示2019年A地區春季與夏季的日間、夜間風速變化情況,A地區所處線路330 kV Z-S雙回線所處地區春季(4月17日)風速夜間在3～6m/s浮動,日間風速則可達到7～10 m/s高值;夏季(8月8日)夜間可達10～12 m/s高值,日間風速則在2～5 m/s低值波動。

表4 2019年寧夏A地區春季與夏季的日間、夜間風速變化情況

將A所在區域風速、溫度、光輻照強度與沙塵氣象因素綜合考慮,依據公式(5)開展計算,計算結果顯示Z-S雙回線單線線路熱穩傳輸能力短時可最大提升22%(春季日間或夏季夜間),最大可由788 MW提升至961 MW。

5 結 論

本文在分析架空線路傳輸能力通用計算模型的基礎上,首先考慮我國送端電力系統普遍存在“大風-沙塵”情況,針對新能源匯集區送端電網實際氣象條件和特點,提出了考慮沙塵影響的改進型熱穩定傳輸容量計算模型?？紤]區域氣象變化條件,提出了輸電線路熱穩定傳輸容量關鍵線路篩選方法。通過寧夏電網實際線路熱穩受限場景驗證,結果顯示,可實現對現有受限線路在新能源出力大發場景下的輸電能力提升。本文所提出的方法可以實現對電力系統熱穩定傳輸能力提升潛力有效挖掘,為調度中心決策提升新能源消納能力提供輔助支撐。