CN102590593A - 基于稳态热路模型的架空导线允许电流的确定方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于稳态热路模型的架空导线允许电流的确定方法与装置，首先向架空导线加载电流，待导线温度稳定后，测量此时的导线温度及导线所处环境的环境温度，根据这两个温度，采用特定的公式，依次计算此时的交流电阻、环境热阻，以及当前外界环境下导线温度达到70度时的最大允许电流。对比当前电流和最大允许电流即可对架空导线进行相应的增容，为负荷转移、调度计划等提供依据。其中，计算环境热阻和最大允许电流的公式是建立在稳态热路模型基础上的，只需测量导线温度及导线所处环境温度两个参数并经过简单的运算，即可得出最大允许电流，经验证，结果的误差在允许范围内。

Description

基于稳态热路模型的架空导线允许电流的确定方法与装置

技术领域

本发明涉及高压架空输电技术领域，特别涉及一种基于稳态热路模型的架空导线允许电流的确定方法与装置。

背景技术

导线中没有通过电流时，其温度与周围介质温度相等；通过电流时，电阻将电能转化为热能，导线温度高于环境温度，再加上对流换热、热辐射以及日照等的影响，处于动态变化过程中。当输电线路负荷持续增加时，线路将出现过热故障，为了防止这种现象发生，出现了最大允许电流的概念。

我国《110-500kV架空送电线路设计技术规程》中规定钢芯铝绞线的允许温度是+70℃(大跨越可采用+90℃)。因此，最大允许电流即指架空导线或者说输电线路运行在气象环境中，导线温度达到+70℃时的电流。

了解架空导线的最大允许电流，有利于充分挖掘现有输电线路的输电能力，为调度部门的调度、线路检修、新建线路规划等提供依据。但现有的最大允许电流的确定方法需要测量的参数、考虑的因素太多，如风速、空气密度、导线直径、太阳光有效入射角等，使得测量投入成本高、运算复杂、结果可靠性不高。

发明内容

本发明针对上述问题，提出一种基于稳态热路模型的架空导线允许电流的确定方法与装置，以减少监测量，简化运算过程。

本发明基于稳态热路模型的架空导线允许电流的确定方法，包括步骤：

向架空导线加载电流I；

导线温度稳定后，测量导线温度T₁及导线周围特定距离处的环境温度T₂，计算此时的交流电阻R_c，根据所述I、T₁、T₂、R_c，采用下式计算当前环境热阻R_x：

$R_x=\frac{T_1-T_2}{I^2{R}_c}$

根据所述T₁、T₂、R_c、R_x，采用下式，计算当前外界环境下架空导线的最大允许电流I_max：

$I_{\max }=\sqrt{\frac{70-T_2}{R_x{R}_c}}$

优选地，采用下式计算所述交流电阻：

R_c＝ζI^τR₂₀[1+α(T₁-20)]

式中，ζ和τ表示与导线标准截面有关的常量，α为温度系数，R₂₀表示导线温度20℃时的直流电阻。

优选地，所述导线周围特定距离具体为距导线表面30cm的任意位置。

优选地，所述导线温度为导线表面温度。

本发明基于稳态热路模型的架空导线允许电流的确定装置，包括：

电流加载模块，用于向架空导线加载电流I；

环境热阻确定模块，用于在导线温度稳定后，测量导线温度T₁及导线周围特定距离处的环境温度T₂，计算此时的交流电阻R_c，根据所述I、T₁、T₂、R_c，采用下式计算当前环境热阻R_x：

$R_x=\frac{T_1-T_2}{I^2{R}_c}$

最大允许电流确定模块，用于根据所述T₁、T₂、R_c、R_x，采用下式，计算当前外界环境下架空导线的最大允许电流I_max：

$I_{\max }=\sqrt{\frac{70-T_2}{R_x{R}_c}}$

优选地，所述环境热阻确定模块还用于采用下式计算所述交流电阻：

R_c＝ζI^τR₂₀[1+α(T₁-20)]

式中，ζ和τ表示与导线标准截面有关的常量，α为温度系数，R₂₀表示导线温度20℃时的直流电阻。

优选地，所述导线周围特定距离具体为距导线表面30cm的任意位置。

优选地，所述导线温度为导线表面温度。

本发明基于稳态热路模型的架空导线允许电流的确定方法，首先向架空导线加载电流，待导线温度稳定后，测量此时的导线温度及导线所处环境的环境温度，计算此时的交流电阻，根据电流、导线温度、环境温度和交流电阻，采用特定的公式计算此时的环境热阻，再根据导线温度、环境温度、交流电阻和环境热阻，采用特定的公式计算当前外界环境下，导线温度达到70度时的最大允许电流。对比当前电流和最大允许电流即可对当前架空导线进行相应的增容，为负荷转移、调度计划等提供了依据。其中，计算环境热阻和最大允许电流的公式是建立在稳态热路模型基础上的，只需测量导线温度及导线所处环境温度两个参数并经过简单的运算，即可得出最大允许电流，经验证，结果的误差在允许范围内。另外，本发明基于稳态热路模型的架空导线允许电流的确定装置是与上述确定方法对应的装置，有益效果不再赘述。

附图说明

图1是只监测导线温度的物理模型示意图；

图2是监测导线温度和导线所处环境温度的物理模型示意图；

图3是图1对应的热路模型示意图；

图4是图2对应的热路模型示意图；

图5是本发明架空导线允许电流确定方法的模型基础—稳态热路模型示意图；

图6是本发明基于稳态热路模型的架空导线允许电流的确定方法的流程示意图；

图7是本发明基于稳态热路模型的架空导线允许电流的确定装置的结构示意图；

图8是本发明基于稳态热路模型的架空导线允许电流的确定方法的验证实验装置示意图；

图9是低负荷无日照条件下对导线进行增容后导线以及环境温度变化图；

图10是满负荷有日照条件下对导线进行增容后导线以及环境温度变化图。

具体实施方式

为了实现简化运算的目的，发明人首先构建了架空导线的稳态热路模型，从而推导出最大允许电流的公式。下面从模型建立开始详细解释本发明。

由导线热平衡方程可知导线吸收的热量包括导线自身的发热、日照吸热，散热包括对流换热以及热辐射。由电场中电压、电阻、电容与热路中的温度差、热阻、热容之间的一一对应的关系，可以以导线为核心建立相应的热路模型。

当只监测导线表面温度T1时，导线的物理模型如图1所示，监测导线表面温度T1以及导线周围的环境温度T2的物理模型如图2所示。对应于图1、2的物理模型，可得以架空导线为中心的热路模型，如图3、4所示。

图3、4中，F(t)为日照吸热所等效的热流量，该部分随天气情况、地理位置、时间而变化，但对于某一具体位置的导线某一段时间范围内可以认为是不变的。T₁、T₂分别为导线温度、导线所处环境温度，R_x、C_x分别为导线到T₂监测点的热阻、热容，R_x0、C_x0分别为导线温度T₁以外的环境总热阻、环境总热容。R_n、C_n为环境T₂点以外的热阻、热容，Φ_c＝I²R_c为导线自身发热量，R_c为导线温度T₁时的交流电阻。

由3、4对比可知，由于图3只有一个导线表面温度T₁，根据模型无法求解R_x。同时，由于在一定时间范围内导线周围环境温度T₂可以认为不变，根据测量T₁、T₂两点温度，图4模型是可以求解的，所以本发明选择了监测两点温度的热路模型进行研究。

监测点T₂距离导线的距离不宜太近或太远，太近则受到导线自身温度的影响，太远又不足以表征导线所处环境的环境温度。作为一个优选的实施例，取单位长度的架空导线以及距离导线表面30cm处的T₂监测点为研究对象。对于导线LGJ-240/30，所选位置的空气等效集中热容为导线热容的35倍，所以在本发明中，环境热容可以忽略不计。

当导线的吸热与散热两者达到动态平衡，也即导线温度基本稳定，此时导线热容不起作用。因为，日照吸热对载流量的影响只在1.2％以内，所以在此忽略不计。或者考虑当没有日照时，F(t)为零，此时对应的稳态热路模型如图5所示。

在图5所示模型基础上，根据传热学的基本理论，可得环境热阻及最大允许电流的公式：

$R_x=\frac{T_1-T_2}{{\mathrm{\Φ}}_C}=\frac{\mathrm{\ΔT}}{I^2{R}_C}---\left(1\right)$

$I_{\max }=\sqrt{\frac{70-T_2}{R_x{R}_c}}---\left(2\right)$

式(2)中的70表示70℃。

有了上述两个公式，即可对最大允许电流进行计算。本发明基于稳态热路模型的架空导线允许电流的确定方法，如图6所示，按照以下步骤进行：

步骤1、向架空导线加载电流I；

步骤2、导线温度稳定后，测量导线温度T₁及导线周围特定距离处的环境温度T₂，计算此时的交流电阻R_c，根据所述I、T₁、T₂、R_c，采用(1)式计算当前环境热阻R_x；

步骤3、根据所述T₁、T₂、R_c、R_x，采用(2)式，计算当前外界环境下架空导线的最大允许电流I_max。

本发明基于稳态热路模型的架空导线允许电流的确定装置是与上述确定方法对应的装置，如图7所示，包括：

电流加载模块，用于向架空导线加载电流I；

环境热阻确定模块，用于在导线温度稳定后，测量导线温度T₁及导线周围特定距离处的环境温度T₂，计算此时的交流电阻R_c，根据所述I、T₁、T₂、R_c，采用(1)式，计算当前环境热阻R_x；

最大允许电流确定模块，用于根据所述T₁、T₂、R_c、R_x，采用(2)式，计算当前外界环境下架空导线的最大允许电流I_max。

如图7所示，本确定装置的最大允许电流确定模块分别连接电流加载模块和环境热阻确定模块，电流加载模块与环境热阻确定模块也相连。三个模块分别对应上述确定方法的三个步骤，以下针对上述确定方法的说明同样适用于本确定装置。

由于交流电阻的运算比较复杂，摩尔根公式不仅考虑因素比较多，而且存在较大误差。根据现有技术可知，交直流电阻比与电流成非线性关系，可以简化交流电阻的计算，计算过程如式(3)、(4)所示，其中β＝ζI^τ。通过计算可知采用该算法与摩尔根标准公式计算结果相对误差在1.4％以内。当导线标准截面确定后，ζ和τ都是常量。

R_d＝R₂₀[1+α(T₁-20)](3)

R_C＝βR_d    (4)

综合式(3)、(4)可得式(5)：

R_c＝ζI^τR₂₀[1+α(T₁-20)](5)

式中，ζ和τ表示与导线标准截面有关的常量，α为温度系数，R_d表示直流电阻，R₂₀表示导线温度20℃时的直流电阻。

作为一个优选的实施例，所述导线温度为导线表面温度。

为了验证架空导线稳态热路模型的正确性及其应用场合，证明架空导线增容的可行性，设计了架空导线稳态热路模型验证实验。试验装置如图8所示。

实验装置主要由5部分构成：无功补偿电容、调压器、升流器、试验线路(型号为LGJ-240/30)、自动气象站。在室外、室内装设有导线温度与导线环境温度监测点。其中LGJ-240/30实验导线的基本参数如表1所示，其额定电流为445A。

表1LJG-240/30导线基本参数

本次实验设计了：当导线运行于低负荷(300A)状态且无日照时的增容情形；为验证日照对模型的影响，设计了：当导线运行于满负荷状态(451A，LGJ-240/30导线型号的额定电流为445A。)且有较强日照时的增容情形。

实验中利用热电偶对导线表面以及距离导线1m远处进行监测温度，每1min采集一次数据，每次加载电流1小时待导线温度稳定后，加载电流I_max使得导线温度升高到70℃，按公式(2)计算导线温度到达70℃所隐含的最大电流为I_maxo。由于风速的偶然性以及导线的振动导致部分温度有微小的突变，所以对原始数据进行了平滑处理，且处理后的数据更能体现导线的真实状况。

实验结果与分析

1)低负荷无日照情况下的增容实验

实验时间为17:30-19:30，风速为0.5-1m/s北风，湿度为52％，实验阶段环境温度为28--25℃，基本稳定，无太阳辐射。初始加载300A电流，一小时后待导线温度稳定后电流跃变至604A使得导线温度达到70℃，导线温度以及环境温度的变化情况如图9所示。

2)满负荷有日照情况下的增容实验

实验时间为9:35-11:35，风速为1-3m/s北风，湿度为55％，实验阶段环境温度为23--26℃，基本稳定，有较强的太阳辐射。初始加载导线额定电流451A电流，一小时后待导线温度稳定后电流跃变至614A使得导线温度达到70℃，导线温度以及环境温度变化情况如图10所示。

通过图9、图10导线温升时间的对比可知，导线温度达到稳态所需时间在20min-30min之间，与环境情况有关。另外通过数据可知环境温度在一个小时以内变化范围很小，在实验中可以假设不变。由图10可知，由于日照的影响，没加载电流前导体的初始温度比环境温度约高4℃。

在不同情况下导线的增容情况如表2所示。

表2不同情况下导体增容情况对比

	低负荷无日照	满负荷有日照
			Rx(m2·℃/W)	0.969	0.858
实际Imax(A)	604	614
			计算Imax0(A)	598	644
相对误差(％)	1.0	-4.9

通过表2可知，在白天有日照情况下的增容比例并不比晚上无日照情况下低，这是因为白天风速比较大所造成的。

表中的计算I_max0是根据公式(2)计算出来的，因为一般环境条件在一个小时左右基本稳定，所以R_x变化范围很小，但是在不同环境条件下环境热阻是不同的。由于稳态热路模型中忽略了日照的影响，所以在满负荷且有日照情况下的误差比无日照情况时略大。由表可知计算的I_max0与实际I_max的相对误差在±5％以内，两种情形下的增容分别达到了35.7％、38.0％，验证了模型的正确性，实现了输电线路的增容。

稳态模型的误差分析：首先，来自电流方面的误差，由于实验中进行了无功补偿，导线电流有微小的振荡，所测电流存在部分误差；其次，来自测温方面的误差，导线测温仪器本身也存在误差；另外，导线热源中交流电阻是一种简化计算，所以计算I_max0的相对误差在±5％以内是完全合理的，在工程中也是可以接受的。

根据以上对架空导线动态增容相关模型的比较及分析，可得出如下结论：

1)目前架空导线动态增容的气候模型、温度模型、弧垂模型以及张力模型，各有其优缺点。相比而言，热路法增容模型只需监测导线温度以及环境温度便即可计算到导线最大允许电流，所需监测量少、可靠性较高；

2)通过实验数据表明架空导线的增容比例可达到30％左右；

3)稳态热路模型中可以忽略日照的影响，计算I_max0的相对误差在±5％以内，验证了稳态热路模型的正确性。

以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于稳态热路模型的架空导线允许电流的确定方法，其特征在于，包括步骤：

向架空导线加载电流I；

导线温度稳定后，测量导线温度T₁及导线周围特定距离处的环境温度T₂，计算此时的交流电阻R_c，根据所述I、T₁、T₂、R_c，采用下式计算当前环境热阻R_x：

$R_x=\frac{T_1-T_2}{I^2{R}_c}$

根据所述T₁、T₂、R_c、R_x，采用下式，计算当前外界环境下架空导线的最大允许电流I_max：

$I_{\max }=\sqrt{\frac{70-T_2}{R_x{R}_c}}$

2.根据权利要求1所述的基于稳态热路模型的架空导线允许电流的确定方法，其特征在于，采用下式计算所述交流电阻：

R_c＝ζI^τR₂₀[1+α(T₁-20)]

式中，ζ和τ表示与导线标准截面有关的常量，α为温度系数，R₂₀表示导线温度20℃时的直流电阻。

3.根据权利要求1或2所述的基于稳态热路模型的架空导线允许电流的确定方法，其特征在于，所述导线周围特定距离具体为距导线表面30cm的任意位置。

4.根据权利要求1或2所述的基于稳态热路模型的架空导线允许电流的确定方法，其特征在于，所述导线温度为导线表面温度。

5.一种基于稳态热路模型的架空导线允许电流的确定装置，其特征在于，包括：

电流加载模块，用于向架空导线加载电流I；

环境热阻确定模块，用于在导线温度稳定后，测量导线温度T₁及导线周围特定距离处的环境温度T₂，计算此时的交流电阻R_c，根据所述I、T₁、T₂、R_c，采用下式计算当前环境热阻R_x：

$R_x=\frac{T_1-T_2}{I^2{R}_c}$

最大允许电流确定模块，用于根据所述T₁、T₂、R_c、R_x，采用下式，计算当前外界环境下架空导线的最大允许电流I_max：

$I_{\max }=\sqrt{\frac{70-T_2}{R_x{R}_c}}$

6.根据权利要求5所述的基于稳态热路模型的架空导线允许电流的确定装置，其特征在于，所述环境热阻确定模块还用于采用下式计算所述交流电阻：

R_c＝ζI^τR₂₀[1+α(T₁-20)]

式中，ζ和τ表示与导线标准截面有关的常量，α为温度系数，R₂₀表示导线温度20℃时的直流电阻。

7.根据权利要求5或6所述的基于稳态热路模型的架空导线允许电流的确定装置，其特征在于，所述导线周围特定距离具体为距导线表面30cm的任意位置。

8.根据权利要求5或6所述的基于稳态热路模型的架空导线允许电流的确定装置，其特征在于，所述导线温度为导线表面温度。

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