導語

架空導線的力學狀態（應力、弧垂）是決定其安全運行的關鍵因素，耐張段水平應力過小將導致耐張段內各線檔弧垂增大，嚴重時會破壞安全凈距引發短路故障；反之，應力過大則會導致導線振動頻率的增加和疲勞極限的降低，從而加速導線疲勞損傷甚至引發斷線。在電網運行環境下，架空導線力學狀態與導線的運行溫度及所處的氣象環境存在著密切關聯。

文章提出電網運行環境下架空線路各耐張段溫度和應力的預估方法，該方法能夠預估任意預想電網預想運行方式下架空線路耐張段的溫度及應力，為從熱、力學本質上分析架空線路的載荷能力及其安全運行提供支持。

? DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.180301 ?

研究背景

隨著用電需求以及新能源發電占比的不斷增長，電網潮流波動加劇，載荷安全面臨挑戰。架空導線是電網中最為常見的輸電元件，其運行環境復雜多變，安全運行問題一直受到電力工作者關注。熱、力學狀態是決定架空導線安全運行的本質所在，隨著智能電網技術的發展，工程上已實現了對架空線路關鍵線檔導線溫度、應力及弧垂等熱、力學狀態的在線監測，對保障架空導線的安全運行發揮了重要作用。

在此基礎上，進一步研究伴隨電網潮流變化的架空導線熱、力學狀態預估方法，可以幫助電力系統運行人員預見架空導線的載荷能力及形態的變化趨勢，從而更好地協調電力系統的安全經濟運行。

論文所解決的問題及意義

文章在電網運行環境下，基于架空導線在線監測及天氣預報等數據，解決伴隨潮流變化的架空導線溫度、應力及弧垂的預估問題。首先通過改進電熱耦合潮流算法，使之能夠適應對架空線沿線各耐張段導線溫度的快速計算，而后結合架空導線溫度與應力、弧垂之間的關聯關系以及氣象環境數據，利用力學狀態方程計算伴隨導體溫度及氣象變化的導線應力、弧垂及風偏角的變化軌跡。

論文工作可以幫助電力系統運行人員從架空導線的熱、力學狀態本質上預見其潛在載荷能力及安全風險，進而制定合理調控決策，對改善電網安全經濟運行水平具有理論意義和現實價值。

論文方法及創新點

論文在電熱耦合潮流計算基礎上，進一步考慮架空導線沿線氣象分布以及架空導線熱、力學狀態之間的關聯關系，提出伴隨電網潮流變化的架空導線應力預估方法，方法流程如下圖所示：

論文主要貢獻：

1）改進了電熱耦合潮流算法，使之能夠適應架空導線沿線各耐張段應力計算的需要。在傳統電熱耦合潮流計算方法基礎上，于待計算的架空線路沿線引入虛擬節點，形成耐張段虛擬支路，并針對由此帶來的計算規模增大問題，提出完全解耦的電熱耦合潮流算法，有效提高計算效率。

2）抓住運行環境下架空導線電、熱、力狀態間的關聯關系，提出應力預估方法。方法流程如下圖1所示，該方法集成了電熱耦合潮流計算以及基于代表檔距法的應力計算方法，能夠預估各種電網預想運行狀態下的架空導線各耐張段溫度、應力以及各線檔的弧垂變化情況。

圖1 方法流程

3）結合實例驗證了方法的有效性。以某地區電網為例，預估其中某關鍵架空線路沿線19個耐張段溫度及應力在另一輸電線路故障退出運行后的變化軌跡如圖2。計算沿線88個線檔弧垂及對地凈距如圖3(a)，其中凈距最小的第3耐張段第1線檔對地凈距及導線溫度變化軌跡如圖3(b)所示。

可見，雖然輸電線路載流已超過該耐張段的熱定值，且研究時段末導線溫度達到72.5℃，而其對地凈距約為8.2m（非居民區內220kV輸電線路限定的最小凈距為6.5m），該輸電線路仍可安全運行，其載荷能力尚有利用空間。

圖2 各耐張段導線溫度及應力變化軌跡

圖3 (a) 各線檔對地凈距變化軌跡；圖3 (b) 第1線檔溫度及對地凈距

結論

• 1）提出了考慮氣象分布的快速解耦電熱耦合潮流計算方法，該方法具有較高的計算效率，且在傳統潮流計算基礎上易于擴展，具有工程應用的潛力。
• 2）方法能夠實現任意預想電網運行方式下架空線路沿線溫度及應力的預估，為在電網運行環境下從熱、力學本質上評估架空線路載荷能力及安全運行提供支持。

引用本文

王孟夏,韓學山,韋志清,王明強,張強. 電網運行環境下基于電熱耦合潮流的架空線路應力預估[J]. 電工技術學報, 2019, 34(5): 1078-1087. Wang Mengxia, Han Xueshan, Wei Zhiqing, Wang Mingqiang, Zhang Qiang. Tension Prediction of Overhead Transmission Line Based on Electrothermal Coupling Power Flow in Operating Power Systems. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(5): 1078-1087.

團隊介紹

研究團隊依托山東大學“電網智能化調度與控制教育部重點實驗室”，主要圍繞國家重大工程需求，開展電網在新形勢下的安全穩定分析、調度與控制的理論及應用技術研究。團隊由韓學山教授、梁軍教授、楊明教授帶領6位教師、1位博士后研究人員、10余位博士研究生、30余位碩士研究生組成，發表SCI/EI論文400余篇。

作者簡介

王孟夏（1983-），博士，講師，碩士生導師，美國南衛理公會大學公派訪問學者，IEEE Member。2007年、2011年分別在東北電力大學和山東大學獲工學碩士、博士學位，于2011年至2013年在清華大學電機系進行博士后研究，研究方向為電力系統優化運行與控制。在國內外學術期刊上發表SCI/EI檢索論文20余篇，研究成果獲河南省科技進步二等獎一項，山東省科技進步三等獎一項。