动态增容技术(DTLR)作为一种有效提高输电线路容量的方式有了快速发展和广泛应用。DTLR的显著特征是输电线路在保证安全运行条件下可即时动态调整输送容量。实现线路动态增容的关键是能够对导线所处的环境和其本体状态进行实时监测,对导线的运行状态进行精确评估和预测。DTLR系统一般由三部分构成,分别为环境及导线状态的监测装置、数据通信传输及接收装置、数据分析及容量评估系统。根据监测对象,DTLR可分为间接法和直接法两种。
DTLR的间接方法是测量或预测气象数据,主要包括环境温度、风速、风向、日照和降雨等,将气象变量作为载流量计算的条件,对导线输送容量进行限额计算。在实际应用中,通常是沿着线路或在关键位置安装微型气象站来获取气象数据。除采用实时监测的气象参数计算导线载流量外,还可使用大量数据建立气象数值预报模型,预测线路走廊的环境参数变化。国内外已有众多学者基于气象历史数据及气象预测提出了导线的动态增容模型。
DTLR的直接方法是通过对导线本体状态参数进行监测来实现的。导线运行状态参数主要包括导线温度、弧垂、离地间隙和应力等。在实际应用中,直接法一般也需要实时环境状态参数,但在建立增容计算模型时需要采用导线本体状态数据。相比于间接法,直接法更直观地呈现了导线的运行状态,其增容评估系统主要基于导线测量状态而非理论计算值。下面分别简单介绍基于直接法的增容技术及其研究和应用现状。
① 基于导线温度测量的增容技术
从导线容量理论模型可知,导线的载流量与导线的最高允许运行温度直接相关,基于载流量与温度之间的关系即可计算出 给定温度条件下的导线容量。在线路运行时,已知导线即时温度及线路电流,可推算出给定允许温度下的导线额定容量。基于导线温度测量是一种较为便捷的增容技术。
架空导线温度在线测量有多种方式。传统方式为点式接触法测量温度,由于该方法仅可代表线路上的某一具体位置温度,在实际应用中一般是在线路的关键位置布置多个测量温度点。采用红外热成像技术对整条线路进行非接触式扫描测量温度,该种方式易受到天气的影响,测量温度精度相对较低。
近年来,分布式光纤测量温度及光纤光栅测量温度传感技术在架空线路中也有了一定的应用,其原理是基于光纤中背向反射光的强度及光纤光栅中波长变化与温度之间的关系计算线路中光纤敷设位置的温度,该方式的显著优点是无需对测量装置提供外部电源。在上述测量方式中,目前应用广泛且成熟度较高的方式仍然是传统点式温度传感器或接触式测量温度。
②基于弧垂或离地间隙测量的增容技术
导线运行时的热膨胀效应会导致导线离地或建筑物之间的距离变小,从而影响线路的安全运行。架空导线离地面或建筑物的高度是输电线路设计及运行人员所需考虑的安全问题。在GB 50545—2010《110~750kV架空输电线路设计规范》中,对导线弧垂的计算原则以及不同电压等级、不同环境条件下导线对地面的最小距离进行了详细的规定。
架空导线弧垂测量的传统方法为采用经纬仪进行弧垂测量,这一方法常用于线路敷设及紧线操作中,其原理示意图见图1。

图1 经纬仪测量示意图
通过经纬仪测量α角和β角,再结合悬挂点的已知高度即可计算导线弧垂(f)。该方法获取的导线弧垂具有较高的精度,但需要在现场布置设备和人力。因此,在复杂地形条件下很难采用该方法对导线弧垂进行实时测量。
近年来,采用激光测距方法对导线弧垂的测量有了一定的应用。该方法的特点是安装简单,但需要事先确定线路安装点,并建立对应地面水平面。随着巡线机器人及无人机技术的发展,基于图像识别的智能监测技术在输电导线的弧垂测量方面也有了初步应用。通过机器人或无人机携带相机拍摄导线图像,再通过图像处理技术对线路进行重建,最终实现导线弧垂参数的计算。另外,随着雷达探测及通信技术的快速发展,采用激光雷达和调频连续波雷达通过对输电线路的扫描,利用点云数据重建线路的三维空间模型,并实时计算导线的弧垂,也具有很高的精度。
③基于应力测量的增容技术
导线的受力状态直接决定其安全运行。对于运行的线路,导线的应力与温度及弧垂直接相关。通过实时监测导线的应力可以推算出导线的温度和弧垂参数,以保证导线处于温度及弧垂安全规程限制条件内。导线应力的测量主要采用应力传感器,主要包括应变片式传感器和光纤传感器。美国Nexans公司开发的CAT-I输电线路监测系统通过测量线路的应力及环境温度等参数,对线路的可用容量进行实时估算,可在保证安全的条件下实现线路增容 10%~30%。
由于应力传感器装置须经过导线端部与铁塔连接,在线路实际运行中,考虑到安全原因,国内很少对导线的应力状态参数进行直接监测。目前,我国输电线路中的应力监测主要应用于导线覆冰状态的测量。