CN102778619A - 高压输电线路输电导线最大载流容量检测方法 - Google Patents

Abstract

一种高压输电线路输电导线最大载流容量检测方法，包括如下步骤：S-1)在所述输电导线附近架设一根参考导线，要求参考导线与输电导线平行设置且间隔一定距离，所述参考导线的直径和表面状况与输电导线保持一致，并使两者受到同样的日照辐射；S-2)在参考导线上加载电流使其发热并测量温度达到70oC时的电流值I_j，将所述电流值I_j传回变电站；S-3）变电站的主机接收上述电流值I_j并根据输电导线和参考导线间的电流比例关系计算输电导线的实时最大载流容量。本发明的方法不需测量环境温度和日照强度，不存在公式（5）和公式（7）产生的误差，因此计算结果的准确度较高；本发明计算输电导线70oC时的最大载流量，保证输电导线的弧垂在安全范围内。

Description

高压输电线路输电导线最大载流容量检测方法

技术领域

本发明属于高压输电线路输送容量测量领域，具体涉及一种采用参考导线来测量输电导线所能承载的最大载流容量的方法。

技术背景

近年来，随着我国国民经济的持续快速增长，用电量的持续增加，输电能力瓶颈问题非常突出，尤其是在经济发达地区，如华东地区的苏南，上海、浙江等沿海地区。伴随着电源容量、用电需求的急剧增长以及资源能源的日益紧张和环境保护的迫切要求，需要大量新建电网输送线路或改造已有的线路，大幅度提高电网的输电能力。目前，国内外对如何提高输电线路输送能力的研究较多。

制约高压架空输电线路最大载流容量的根本问题是导线温度问题和弧垂问题。当提高导线输送容量之后，导线温度升高，机械强度会略有下降；导线温度升高之后，长度增加，弧垂增大，绝缘安全裕度下降。

由于用于计算线路最大载流量的气象条件比较严格，在实际运行中出现这样严酷的气象条件的概率很小，因此，现有的输电线路的最大载流量非常保守。所谓动态增容，就是根据实际气象条件，挖掘导线潜力，提高输送功率。目前，高压架空输电线路的最大载流容量是根据导线的稳态热平衡方程计算出来的。导线和外界环境时时刻刻都在发生着热量的交换，当输电导线的温度稳定在一定数值时，系统便达到了稳态平衡，稳态热平衡方程表示为：

I²R(T_c)+Q_s＝Q_c+Q_r                                      （1）

其中I²R(T_C)是输电导线承载电流I时的焦耳热，R(T_C)为单位长度输电导线在温度为T_C条件下的电阻，Q_S是单位长度导线吸收的日照辐射热量，Q_c是单位长度导线的对流散热，Q_r是单位长度导线的辐射散热，T_C是输电导线的温度。

目前我国规定一般情况下输电导线的最高允许温度为70°C。在导线温度达到70°C，风速0.5m/s，日照强度为1000w/m²的条件下利用公式（1）计算得到的电流I就是输电导线的最大载流容量。

现时常用的计算输电线路动态容量的模型有气候模型和导线温度模型。在气候模型中，公式（1）中各物理量有具体的计算公式，参见IEEE2006-738或我国的《电力工程电气设计手册》里的公式。在导线温度模型里，公式（1）演变为公式（2）。

I²R（T_c）+Q_s＝h(t)(T_c-T_a)+Q_r                               （2）

其中h(t)为热传递系数，Ta是输电导线所处位置的环境温度，其他物理量的意义不变。

在气候模型和温度模型中，需要对导线的温度、日照辐射和环境温度等几个参数进行计算或测量。目前的日照辐射可以通过几种方法来计算测量。

一种是通过季节时刻、导线所处的地理位置、海拔高度和大气的透明度等来按照现有公式（参见IEEE2006-738或我国的《电力工程电气设计手册》里的公式）来计算，该方法成本低，不需要采集任何现场数据；但由于只考虑了晴天的情况，当出现多云或者下雨等天气时，计算得出的日照辐射量会偏大，影响输电线路动态容量计算的准确性。

另一种方法是，通过传感器来计算测量日照辐射，市面上已经有很多种类的日照辐射传感器或者传感装置，其测量范围以及精度足够去较准确地应用到导线温度模型中计算实时允许载流量。但该方法对日照辐射传感器有着极大的依赖，在实际应用中经常会因为灰尘或者外物把日照辐射传感器遮挡住，使测量结果出现很多误差。

有人还提出了通过参考导线计算输电导线最大载流容量的方法。参考导线上不通电流，仅体现日照吸热、对流散热和热辐射之间的平衡。所采用的参考导线的直径和表面状况与被测导线一致，通过联立输电导线的稳态热平衡方程（3）和参考导线的稳态热平衡方程（4），消去了对日照辐射量和环境温度的测量要求，可以求得当前温度下热传递系数h(t)见公式（5），以及环境温度和日照加热综合量Q_s+h(t)T_a见公式（6），然后借助于当前温度下热传递系数h(t)近似等于导线在70℃时的热传递系数h₇₀见公式（7），代入输电导线的公式（3），计算输电导线在温度达到70℃时的电流（根据GB50545-2010《110kv～750kv架空输电线路设计规范》的规定，一般情况下，输电导线的最高运行温度为70℃，也就是说，只要不超出70℃，导线的弧垂都会在安全范围内。）。当输电导线到达70℃时，其电流值即为输电导线的实时最大载流容量见公式（8）。

但是，当输电线路的负载较轻时，参考导线的温度T_r和导线温度T_c非常接近，考虑到温度传感器存在测量误差，公式（5）的计算误差将很大，从而导致公式（8）的计算误差很大。此外，公式（7）本身会引入3%~5%的误差。

I²R（T_c）+Q_s＝h(t)(T_c-T_a)+Q_c                                       （3）

Q_s＝h(t)(T_r-T_a)+Q_rr                          （4）

Tr是参考导线的温度，Qrr单位长度参考导线的辐射散热；

h(t)＝(I²R（T_c）-Q_c+Q_rr)/(T_c-T_r)（5）

Q_s+h(t)T_a＝h(t)T_r+Q_rr                        （6）

h₇₀(t)≈h(t)                                 （7）

$I=\sqrt{\frac{h_{70}\left(t\right)(70-T_a)+Q_r-Q_s}{R_{70}}}---\left(8\right)$

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能准确检测高压输电线路输电导线最大载流容量的方法。

本发明所要解决的技术问题通过如下方式实现：一种高压输电线路输电导线最大载流容量检测方法，包括如下步骤：

S-1)在所述输电导线附近架设一根参考导线，要求参考导线与输电导线平行设置且间隔一定距离，所述参考导线的直径和表面状况与输电导线保持一致，并使两者受到同样的日照辐射；

S-2)在参考导线上加载电流使其发热并测量温度达到70°C时的电流值I_j，将所述电流值I_j传回变电站；

S-3）变电站的主机接收上述电流值I_j并根据输电导线和参考导线间的电流比例关系计算输电导线的实时最大载流容量。

为方便在参考导线上加载电流，上述步骤S-2)中，所述参考导线上加载的电流为通过感应装置从输电导线上获取的感应电流。

上述步骤S-2）中电流值I_j通过无线传感模块传回变电站。

所述参考导线长度为0.3m~0.5m，导线长度较短，加热所需要的总能量将低。

参考导线与输电导线相距越近，两者所出的环境条件越相近，但若距离太近，两者之间的辐射又会互相影响，经仿真测试，距离在7cm左右时，两者之间的辐射影响可以忽略，因此，所述步骤S-1)中的参考导线和输电导线之间的距离在6~15cm的范围内。

所述参考导线的比热容小于所述输电导线，优选为输电导线的0.1倍以下，便于参考导线更易被加热到70°C。

由于从输电导线上获取的感应电流跟输电导线的运行电流相比要小很多，根据电流热功率P=I²R，若要求单位长度的参考导线和输电导线具有相同的电热功率，就需要增大单位长度参考导线的电阻。单位长度所述参考导线的电阻大于所述输电导线，优选为输电导线的10000倍~1000000倍。

上述步骤S-3）中输电导线和参考导线间的电流比例关系通过如下步骤确定：

a)得到参考导线和输电导线的热平衡方程

参考导线被加热到70°C时，其热平衡方程表示为：

Q_j+Q_sj=Q_cj70+Q_rj70                              （9）

其中Q_j=I_j ²R_j(T_c70)为参考导线承载电流I_j时的焦耳热，R_j(T_c70)是70°C时单位长度参考导线的电阻，Q_sj为单位长度参考导线吸收的日照辐射热量，Q_cj70为70°C时单位长度参考导线的对流散热，Q_rj70为70°C时单位长度参考导线的辐射散热；

输电导线被加热到70°C时，其热平衡方程表示为：

I²R(T_c70)+Q_s＝Q_c70+Q_r70                                  （10）

其中I²R(T_c70)是输电导线承载电流I时的焦耳热，R(T_c70)是70°C时单位长度输电导线的电阻，Q_S是单位长度输电导线吸收的日照辐射热量，Q_c70是70°C时单位长度输电导线的对流散热，Q_r70是70°C时单位长度输电导线的辐射散热；

b)计算输电导线和参考导线的电流比例关系

70°C时参考导线的发热量和散热量应与输电导线达到70°C时的一致，联立公式（9）和（10），可得输电导线和参考导线的电流比例关系为：

$I/I_j=\sqrt{R_j\left(T_{c70}\right)/R\left(T_{c70}\right)}---\left(11\right).$

相对现有技术，本发明具有如下有益效果：本发明的方法不需测量环境温度和日照强度，不存在公式（5）和公式（7）产生的误差，因此计算结果的准确度较高；本发明计算输电导线70°C时的最大载流量，保证输电导线的弧垂在安全范围内。

具体实施方式

下面为本发明的一个具体实施例，本发明的高压输电线路输电导线最大载流容量检测方法包括如下步骤：

（1）将长度为0.3m～0.5m的参考导线安装在输电导线附近，使其与输电导线平行且间隔7cm距离，要求参考导线的直径和表面状况如与输电导线保持一致，并使两者受到同样的日照辐射，所述的表面状况指表面粗糙程度、氧化程度等，主要是为了使输电导线和参考导线的辐射系数和吸热系数保持相同。

（2）利用现有的感应装置如线圈取能装置从输电导线上获得电能来加热参考导线。

（3）假设环境温度为30℃，风速为1m/s，日照强度为1000W/m²，输电导线的型号为LGJ240/30，其直径和参考导线的直径均为21.6mm，又知LGJ240/30输电导线在70℃时交流电阻为0.000142252Ω/m，参考导线应为输电导线的10000倍~1000000倍，本实施例中令参考导线的电阻为输电导线的10000倍，即1.42252Ω/m，当参考导线为70℃时，经过测量得到加热参考导线所需的电流为I_j=6.544641765A。

（4）将得到的电流I_j=6.544641765A通过无线传感模块传回变电站主机。

（5）根据输电导线和参考导线电流的比例关系即公式（11），可知参考导线的电流值为输电导线最大载流容量的1/100，可得输电导线70℃时的载流容量即其最大载流容量为为6.544641765×100=654.464A。

上述参考导线的比热容为输电导线的1/10倍以下，有利于参考导线被更快的加热到70°C。

本发明的具体实施方式不限于此，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，对本发明做出的其它多种形式的修改、替换或变更，均落在本发明的保护范围之内。如根据本领域的普通技术知识，步骤S-2)中也可直接测量参考导线在70°C时的焦耳热Q_j，同样可通过联立公式（9）和（10），得到输电导线的最大载流量

Claims (8)

1.一种高压输电线路输电导线最大载流容量检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S-1)在所述输电导线附近架设一根参考导线，要求参考导线与输电导线平行设置且间隔一定距离，所述参考导线的直径和表面状况与输电导线保持一致，并使两者受到同样的日照辐射；

S-2)在参考导线上加载电流使其发热并测量温度达到70°C时的电流值I_j，将所述电流值I_j传回变电站；

S-3）变电站的主机接收上述电流值I_j并根据输电导线和参考导线间的电流比例关系计算输电导线的实时最大载流容量。

2.根据权利要求1所述的高压输电线路输电导线最大载流容量检测方法，其特征在于，上述步骤S-2)中，所述参考导线上加载的电流为通过感应装置从输电导线上获取的感应电流。

3.根据权利要求2所述的高压输电线路输电导线最大载流容量检测方法，其特征在于，上述步骤S-2）中电流值I_j通过无线传感模块传回变电站。

4.根据权利要求3所述的高压输电线路输电导线最大载流容量检测方法，其特征在于，所述参考导线长度为0.3m~0.5m。

5.根据权利要求1至4任一项所述的高压输电线路输电导线最大载流容量检测方法，其特征在于，所述步骤S-1)中的参考导线和输电导线之间的距离在6~15cm的范围内。

6.根据权利要求5所述的高压输电线路输电导线最大载流容量检测方法，其特征在于，所述参考导线的比热容小于所述输电导线，为输电导线的0.1倍以下。

7.根据权利要求6所述的高压输电线路输电导线最大载流容量检测方法，其特征在于，单位长度所述参考导线的电阻大于所述输电导线，为输电导线的10000倍~1000000倍。

8.根据权利要求1所述的高压输电线路输电导线最大载流容量检测方法，其特征在于，所述步骤S-3）中所述输电导线和参考导线间的电流比例关系通过如下步骤确定：

a)得到参考导线和输电导线的热平衡方程

参考导线被加热到70°C时，其热平衡方程表示为：

Q_j+Q_s=Q_cj70+Q_rj70                                          （9）

其中Q_j=I_j ²R_j(T_c70)为参考导线承载电流I_j时的焦耳热，R_j(T_c70)是70°C时单位长度参考导线的电阻，Q_sj为单位长度参考导线吸收的日照辐射热量，Q_cj70为70°C时单位长度参考导线的对流散热，Q_rj70为70°C时单位长度参考导线的辐射散热；

输电导线被加热到70°C时，其热平衡方程表示为：

I²R(T_c70)+Q_s＝Q_c70+Q_r70                                （10）

其中I²R(T_c70)是输电导线承载电流I时的焦耳热，R(T_c70)是70°C时单位长度输电导线的电阻，Q_S是单位长度输电导线吸收的日照辐射热量，Q_c70是70°C时单位长度输电导线的对流散热，Q_r70是70°C时单位长度输电导线的辐射散热；

b)计算输电导线和参考导线的电流比例关系

70°C时参考导线的各发热量和散热量应与输电导线达到70°C时的一致，联立公式（9）和（10），可得输电导线和参考导线的电流比例关系为：

$I/I_j=\sqrt{R_j\left(T_{c70}\right)/R\left(T_{c70}\right)}---\left(11\right).$