0 引言

为实现双碳目标，我国加快推进新能源发电和电能替代进程，局部负荷快速增长，对电网的送电能力提出更高的要求。受土地资源制约，新线路建设难度大、周期长，输电线路重过载和错峰限电问题越来越突出^[1-2]。同时，用电负荷集中地区如长江三角洲、珠江三角洲等区域的电网“卡脖子”问题日益突出，提升输电线路的电能输送能力成为亟待解决的问题^[3-5]。

合理的输电规划是保障电力系统安全运行的重要基础^[6-9]。随着同塔双回和多回架空线路的增加，杆塔线路检修改造、因故障和特殊运行方式停电，超出N-1的运行方式冗余范围，调度部门难以做出停电计划安排，经常出现由于检修工作引起的错峰用电情况^[10]。树障引起的交叉跨越距离不足、线夹发热等缺陷是输电设备最常见的缺陷类型，由于这类缺陷的发生与线路的负荷及散热环境密切相关，在缺乏容量检测数据辅助分析的情况下，单次测量结果不能准确反映缺陷的变化规律，需要日常投入大量人力物力对风险点开展反复连续监测，工作效率低下，难以实现风险预控^[11]。

普通动态增容技术是通过计算架空导线的动态载流量来评估导线隐性输送能力^[12]。现有的动态增容方式主要有两种，一种是通过风速、环境温度、日照等较多气象参数计算载流量^[13]，涉及传感器多，测量偏差较大^[14-15]；另一种需要在导线上安装传感器^[16-20]，需停电安装，日常维护难度大^[21-28]。

架空线路非接触式动态容量监测系统是采用非接触式散热传感器关联等效方式测量线路动态容量的新一代系统，可实现线路送电能力的数字化、精益化，能对树障和线夹发热等风险进行预控，最大限度提升输电设备的经济效益。目前该系统已在南方电网广州、佛山、东莞等地市局的输电线路上挂网运行。本文结合使用该系统的500 kV粤西网架I期优化工程，介绍架空线路非接触式动态容量监测系统的组成，分析动态容量测算、导线温度测算的原理及应用。

1 监测系统及测算原理 1.1 系统简介

500 kV粤西网架Ⅰ期优化工程架空线路非接触式动态容量监测系统工作原理图见图 1，其主要装置散热指数监测仪分布式安装在架空线路杆塔上，将采集到的有关散热指数环境等信息以无线方式发送至主站进行分析计算，并将线路散热指数环境数据及动态容量等信息通过用户系统提供给用户。

散热指数监测仪可在输电线路的不同区段安装，尤其是地势较低、山谷及背风区等散热环境较差的区段，安装时方向朝南，安装高度应接近导线弧垂最低点。

1.2 动态容量测算原理

架空线路非接触式动态容量监测系统通过散热指数监测仪的非接触式散热传感器关联等效方式测量线路的动态容量。散热传感器呈球体状，其直径与导线直径接近，具有与导线较为接近的散热表面积S，球体表面与导线同为铝材质。散热传感器安装在杆塔上，高度接近导线弧垂底部，在同一气象环境条件下的任一时刻，变化的气象环境因素等效作用于导线和散热传感器，影响其散热状态，包括传导散热、对流散热和辐射散热等。

内源性热量，即源自物体内部的热量，具体指导体通过电流I产生的热量Q（Q=I²R₁t，R₁为导线单位长度电阻，t为电流流过的时间），或物体降温所释放的热量（Q=cmΔT，其中c为比热容，m为质量，ΔT为温差），物体降温所释放的热量与导体通过电流产生的热量都源自物体内部，通过物体表面散发出去，其热量是等效的。测算球体在预设温度为T时单位时间内通过表面散发的内源性热量Q，通过公式（1）计算所处环境的散热指数H。在一个测量周期（20 min）内，依次测算从40~70 ℃每个整数温度值T对应的散热指数H。

(1)

根据导线的外径D，单股铝线直径d，铝股缝隙积污系数η，忽略铝股的绞线偏角等带来的微小误差，得出导线单位长度表面积S′的计算公式：

(2)

其中，根据导线表面积污程度，η可取值0.85~0.95，表示扣除表面积污填充的线股之间的微小间隙后，有效对外散热的表面积占比。

当导线处于热平衡时，导线导电发热功率等于导线散热功率，即：

(3)

根据导线单位长度电阻R₁，可知导线工作在预设温度T时的电流I：

(4)

2 基于非接触式动态容量的运行方式决策辅助应用

正常运行方式下，电力系统中任一元件（如线路、发电机、变压器、直流单极等）无故障或因故障断开，电力系统应能保持稳定运行和正常供电，其他元件不过负荷，电压和频率均在允许范围内。此时，以架空线路的静态容量来计算安排电网的运行方式，通常采用N-1方式，限制了正常供电能力，大量设备作为备用闲置。随着双回和多回架空线路的增加，当架空线路进行杆塔迁改、导线检修等作业时，同时出现N-2及以上的线路停电，超出N-1的运行方式冗余范围，停电计划难以做出安排。而非接触式动态容量监测系统可针对以上工况的运行方式选择起到有效的辅助作用。

2.1 恶劣天气环境下保供电

受台风、龙卷风、雷雨、冰灾和污闪等恶劣天气的影响，架空线路易发生跳闸、断线甚至倒塔事故。当多回线路同时跳闸停电时，超出了N-1的静态冗余，只能采取紧急拉闸限电的方式来确保系统稳定。

恶劣天气环境，如大风、降雨、低温等，导线散热能力往往会大幅提升。基于架空线路非接触式动态容量监测系统监测到的历史数据，可得到N-2等方式下在运线路以动态容量运行的气象条件参考范围，结合气象预报，即可选择合适的气象窗口期安排停电计划，充分利用动态系统冗余容量，减少拉闸限电，保障供电安全，降低系统崩溃的风险。

2.2 线夹发热线路的负荷控制

接触状态良好的线夹温度与导线本体温度接近，甚至略低于导线本体温度。引流板接触电阻异常是常见缺陷，表现为线夹温度高于导线本体温度，一般可在开展测温工作时发现。目前常用的有效处理方法是由调度部门进行负荷控制，输电运维部门持续监测缺陷线夹温度变化，尽快修复线夹消除缺陷。

线夹温度与电流及散热环境密切相关，在线路电流接近或达到额定电流，气象环境也不利于散热的情况下，异常线夹就会出现严重的过热现象，需要降低负荷，进行停电紧急抢修。

利用架空线路非接触式动态容量监测系统的导线温度测算原理，在任何正常工况条件下开展线夹测温，得到线夹温度，根据线夹的结构参数获取发热部位的面积S。依据架空线路非接触式动态容量监测系统测量得到导线温度值T（同线夹温度）对应的散热指数H，利用公式（1）得到Q=HS，从调度系统获取测温时刻导线的电流I₁，可得到线夹的电阻R₂=HS/I₁²。根据系统测量得到的导线最高允许温度值T对应的散热指数H，即可测算出线夹不超过最高允许温度条件下的最高允许工作电流I₂：

(6)

调度部门根据系统测算出来的最高允许工作电流I进行调度控制，可以降低设备风险，包括线夹过热导致断线、线夹高温加速老化寿命缩短等，在线路设备带病运行状态下可最大限度地供电，减少拉闸限电。

线路设备运行部门在架空线路非接触式动态容量监测系统的辅助下，在负荷和气温较低时可以有效开展线夹测温工作，发现线夹缺陷时易根据实际情况安排停电检修，避免在负荷高峰期发现缺陷紧急停电检修，造成经济损失和不良的社会影响。

2.3 对跨越物安全距离不足的负荷控制

树障等跨越物安全距离不足是架空线路运行中普遍发生的缺陷，控制不当就会发生导线对地短路跳闸，甚至引发次生灾害事故，造成恶劣的社会影响。对于跨越物安全距离不足缺陷，目前有效的处理方法是进行负荷控制，由输电运维部门持续监测跨越距离的变化，并尽快消除缺陷。

导线弧垂随着导线温度升高而增大，而导线温度与电流及散热环境密切相关。通常开展对跨越物距离测量工作时，在线路负荷电流低于最大额定电流，或线路电流接近或达到额定电流，气象环境也不利于散热的情况下，导线弧垂就会大幅增大，导致事故发生。

利用非接触式动态容量监测系统的导线温度测算原理，可在任何正常工况条件下开展对跨越物距离测量工作，得到导线弧垂f和测量时刻的导线温度T，结合导线的温度弧垂放线表，可计算出对跨越物最小安全距离条件下导线的最高允许运行温度值T'及其对应的散热指数H，依据公式（4），得到跨越物距离不足情况下导线动态允许运行电流I₃。调度部门依据动态允许运行电流I进行控制，可在最大载流量输送能力下保障线路设备安全运行。

2.4 实例分析

目前，选取架空线路非接触式动态容量监测系统采集的数据，利用IEEE标准作为本次实验中载流量计算的标准进行验证。无降雨时，监测系统的载流量计算结果与IEEE标准值基本一致。有降雨时，非接触式动态容量监测系统载流量计算结果与IEEE标准值对比结果见图 2。由图 2可知，监测系统的载流量计算结果与IEEE标准的载流量计算结果的趋势基本相同，但有部分误差较大。分析原因为载流量的数值受环境风速的影响最大，而实际环境中，风速的变化往往十分剧烈，因此在IEEE标准的载流量计算过程中为了表征一段时间内风速的综合散热作用，采用了这段时间内的平均风速进行对流散热的计算，与现场采集到的风速存在较大偏差。同时，如现场有下雨现象，IEEE标准无法评估下雨带来的散热量。非接触式动态容量监测系统的散热传感器中铝球的温度变化率会因下雨发生改变，由此计算得到的风速值也会偏大，因此出现了本系统计算值比IEEE标准值偏大的情况。通过本系统现场数据与IEEE标准的载流量对比，从非降雨气象条件的数据一致性可以参考说明本系统的有效性，从降雨气象条件的数据差异性可以反映出本系统能更全面表征降雨气象条件对增容的影响。

3 结束语

架空线路非接触式动态增容监测系统通过动态容量测算，实现动态增容、运行方式决策辅助和事故紧急状态保供电，通过导线温度测算，实现线夹发热线路以及对跨越物安全距离不足的线路实施负荷控制，降低事故风险，最大限度实现输电设备的经济效益。架空线路非接触式动态容量监测系统的应用，可普遍实现线路供电能力数字化、精益化，减少错峰用电次数，提高电网安全性和可靠性，从而提升数字化电网建设效益。