CN103234659A - 一种架空线路在线测温方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种架空线路在线测温方法，该方法包括以下步骤：步骤1.监测架空导线温度值和在线测温设备的外壳温度值；步骤2.将监测出的架空导线温度值和在线测温设备的外壳温度值代入动态增容热路模型中进行计算，得到实时线路允许最高载流量，即最大增容空间。具有在低纬度地区或夏季等日照较强烈的地区或时段的测量结果相当准确等优点。

Description

一种架空线路在线测温方法

技术领域

本发明涉及一种架空输电线路动态增容技术，特别涉及一种架空线路在线测温方法，该方法基于动态增容热路模型，考虑了日照辐射强度。

背景技术

现有高压架空导线载流量的静态热极限值是根据环境条件最恶劣条件计算所得的保守值，据统计该恶劣条件同时发生的概率只有0.02%，这为架空输电线路动态增容提供了有利条件。

架空导线载流量的计算公式比较多，但计算原理都是根据导线的发热和散热的热平衡原理推导出来的。导线中没有通过电流时，其温度与周围介质温度相等；当通过电流时，电阻将电能转化为热能，导线温度高于环境温度。由于对流换热、热辐射以及日照吸热等方式处于动态过程之中。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计算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。

现有的架空导线暂态热路模型技术如下：

1、架空导线动态载流量摩尔根公式计算法：

导线与外界环境时刻发生着热交换，当导线温度基本稳定时，系统达到稳态。稳态时热平衡方程如下所示：

$I=\sqrt{\frac{W_R+W_F-W_S}{R\left({\mathrm{\θ}}_c\right)}},---\left(1\right)$

式中：I—允许载流量（A）；

W_R—单位长度导线的辐射散热功率（W/m）；

W_F—单位长度导线的对流散热功率（W/m）；

W_S—单位长度导线的日照吸热功率（W/m）；

R（θ_c）—θ_c温度时导线的交流电阻（Ω/m）；

其中辐射散热功率计算式：

$W_R=\mathrm{\πD}{E}_1{S}_1[{(\mathrm{\θ}+{\mathrm{\θ}}_e+273)}^4-{({\mathrm{\θ}}_e+273)}^4],---\left(2\right)$

式中：D—导线外径（m）；E₁—导线表面的辐射散热系数；S₁—斯蒂芬-波尔兹曼常数；θ—导线平均温升（°C）；θ_e—环境温度（°C）。

对流散热功率计算式：

W_F=0.57πλ_fθR_e ^0.485，      （3）

式中：λ_f—导线表面空气层的传热系数（W/m·°C），λ_f=2.42×10^-2+7（θ_e+θ/2）×10^-5；R_e—雷诺数，R_e=VD/（1.32×10^-5+9.6（θ_e+θ/2）×10^-8，V—风速（m/s）。

W_S=α_sJ_SD，     （4）

式中：α_S—导线表面的吸热系数；J_S—日光对导线的日照强度（W/m²）。

根据上述公式可知影响导线载流量的因素较多，主要有导体温度、环境参数（环境温度，风速、风向等）、导线结构及其新旧状态等。通过测量各气象条件、导线温度、导线电流便可计算出导线实时允许电流。

如果利用摩尔根公式计算动态载流量，必须测量许多参数，这增大了监测成本和不便性，而且计算过程复杂，由于测量仪器的精度问题，测量多参数可能导致计算结果可靠性降低。

2、基于热路法暂态模型的架空导线动态载流量计算模型：

如图1所示，现有的架空导线暂态热路模型包括架空导线内部关系、环境测温点以外区域和导线与环境之间的热阻5（用符号R_x表示）；其中，架空导线内部关系包括导线电流发热量1（用符号Φ_c表示）、钢芯的热容值2（用符号C_x1表示）、铝线的热容值3(用符号C_x2表示)和所测导线温度4（用符号T₁表示）；环境测温点以外区域包括环境温度6（用符号T₂表示）、环境温度测量点空气的热容值7（用符号C_n表示）和环境温度测量点与外层空气之间的热阻8（用符号R_n表示）。

根据传热学的基本理论可得导线暂态热平衡式：

${\mathrm{\Φ}}_C=I^{2}R\left(T_C\right)=C_x\frac{{\mathrm{dT}}_1}{\mathrm{dt}}+\frac{T_1-T_2}{R_x},---\left(5\right)$

C_x为C_x1与C_x2之和，两测温点间的环境热阻为：

$R_x=\frac{T_1-T_2}{{\mathrm{\Φ}}_c-C_x\frac{{\mathrm{dT}}_1}{\mathrm{dt}}},---\left(6\right)$

根据环境热阻R_x，可以计算出导线稳态条件下最大允许电流，从而对架空导线增容的可行性得到进一步的验证：

$I_{\max }=\sqrt{\frac{70-T_2}{R_{x}R\left(T_c\right)}},---\left(7\right)$

由图1可知该架空输电线路暂态热路模型为一阶热路模型，通过与电路中一阶电路全响应相对应可知：

$f\left(t\right)=f(\∞)+[f\left(0_{+}\right)-f(\∞)]e^{-\frac{t}{\mathrm{\τ}}},---\left(8\right)$

从而，根据导线初始温度T₁₀以及最终温度T_∞便可以解出导线任意时刻温度T_1X：

T_1X=T_∞+(T₁₀-T_∞)e^-t/τ，      （9）

基于该热路法模型的在线测温方法，只需监测导线温度和环境温度两个量，即可通过计算模型计算出线路的动态载流量，计算模型简单，可靠性高，但是该方法的缺点是忽略了太阳辐射即日照的影响，在低纬度地区尤其是夏季的日照比较强烈，忽略日照对于导线吸热和散热的影响，将使得计算结果存在很大的误差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种架空线路在线测温方法，该方法基于动态增容热路模型，考虑了日照辐射强度，可靠性高。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种架空线路在线测温方法，包括以下步骤：

步骤1、监测架空导线温度值和在线测温设备的外壳温度值；

步骤2、将监测出的架空导线温度值和在线测温设备的外壳温度值代入动态增容热路模型中进行计算，得到实时线路允许最高载流量，即最大增容空间。

所述步骤2中，所述代入动态增容热路模型中进行计算的计算步骤如下：

步骤A、已知架空线载流量I，通过监测架空导线温度θ_c1和在线监测设备外壳温度θ_c2，计算此时的交流电阻R_c，根据所述I、θ_c1、θ_c2、R_c，采用下式计算当前导线电流发热量W_c：

W_c=I²R_c

步骤B、根据所述I、θ_c1、θ_c2、W_c，以及导线与环境之间的热容C_x1，设备外壳与环境之间的热容C₂，比例参数m，采用下式计算当前时刻导线与环境之间的热阻R_x1：

$R_{x1}=\frac{{\mathrm{\θ}}_{c1}-{\mathrm{\θ}}_{c2}}{W_c-C_{x1}\frac{{\mathrm{d\θ}}_{c1}}{\mathrm{dt}}+\frac{1}{m}*C_2\frac{{\mathrm{d\θ}}_{c2}}{\mathrm{dt}}};$

步骤C、根据所述I、θ_c1、θ_c2、W_c，R_x1：采用下式计算当前外界环境条件下架空线的最大允许电流I_max：

$I_{\max }={\left(\frac{70-{\mathrm{\θ}}_{C2}}{R_{x1}*R_C}\right)}^{0.5}.$

所述步骤B中，所述比例参数m的计算公式如下，

$m=\frac{D_S}{D},$

其中，D_S为在线测温设备的外壳直径，D为架空导线的直径。

步骤A中，所述交流电阻R_c的计算公式如下：

$R_c={\mathrm{\ζI}}^{\mathrm{\τ}}{R}_{20}[1+\mathrm{\α}({\mathrm{\θ}}_{C1}-20)],$

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。

所述在线监测设备外壳为环状，所述在线监测设备外壳的监测部分的材质与导线的材质相同，同时排除架空导线以及监测设备内部装置产热的干扰。

所述在线监测设备上具有绝热材料，并对所述在线监测设备外壳的外表面进行热老化处理，使所述外表面与导线表面的老化程度一致或相近。

监测所述在线测温设备的外壳的测温探头置于在线测温设备的外壳内表面上，用绝热材料将所述测温探头与在线测温设备的内部空间隔离开，且在线监测设备装夹在架空线路上时，该探头所处位置对应的设备部分应该向上以朝向天空，使得一天中的大部分时间里，太阳照射在探头所处位置的在线监测设备的外壳上。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

（1）本发明考虑了太阳辐射，基于架空输电线路的动态增容热路模型，使得在低纬度地区或夏季等日照较强烈的地区或时段能够更准确地通过在线监测所得数据及计算模型，实现了架空输电线路的动态增容，测量结果准确可靠。

（2）本发明只需监测导线温度和设备外壳温度，然后通过计算模型计算便可得到架空线路的实时载流能力，即求得线路的增容空间，本发明的架空线路在线测温方法快捷方便，测量效率高。

附图说明

图1是现有的架空导线暂态热路模型的组成示意图。

图2是本发明的动态增容热路模型的组成示意图。

图3是本发明的环状在线测温设备的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图2所示，为本发明的基于动态增容热路模型的架空线路在线测温方法，与基于如图1所示的架空导线暂态热路模型的在线测温方法相比，本发明的在线测温方法考虑了日照辐射强度；所述图2中，Ⅰ为导线部分，Ⅱ为环境，Ⅲ为参考铝线，1A为架空导线日照吸热量(用符号W_s1表示)，10A为虚拟导线日照吸热量(用符号W_s2表示)，2A为导线电流发热量(用符号W_c表示)，3A为架空导线温度(用符号θ_c1表示)，4A为虚拟导线温度(用符号θ_c2表示)，5A为环境温度(用符号T_c3表示)，6A为架空导线热容(用符号C_x1表示)，7A为架空导线与环境间热阻(用符号R_x1表示)，8A为虚拟导线与环境间的热阻(用符号R_x2表示)，9A为虚拟导线热容(用符号C₂表示)；

利用节点法可得：

$W_{s1}+W_c=C_{x1}\frac{{\mathrm{d\θ}}_{c1}}{\mathrm{dt}}+\frac{1}{R_{x1}}({\mathrm{\θ}}_{c1}-T_{c3}),---\left(10\right)$

$W_{s2}=C_2\frac{{\mathrm{d\θ}}_{c2}}{\mathrm{dt}}+\frac{1}{R_{x2}}({\mathrm{\θ}}_{c2}-T_{c3}),---\left(11\right)$

W_c=I²R_C，     （12）

R_c=ζI^τR₂₀[1+α(θ_C1-20)]，     （13）

$R_{x2}=\frac{R_{x1}}{m},---\left(14\right)$

W_s2=mW_s1，     （15）

$m=\frac{D_S}{D},---\left(16\right)$

$R_{x1}=\frac{{\mathrm{\θ}}_{c1}-{\mathrm{\θ}}_{c2}}{W_c-C_{x1}\frac{{\mathrm{d\θ}}_{c1}}{\mathrm{dt}}+\frac{1}{m}*C_2\frac{{\mathrm{d\θ}}_{c2}}{\mathrm{dt}}},---\left(17\right)$

$I_{\max }={\left(\frac{70-{\mathrm{\θ}}_{C2}}{R_{x1}*R_C}\right)}^{0.5},---\left(18\right)$

其中D—导线外径（m）；D_s—参考铝线外径（m）；R_C—当导线温度为θ_c1时，导线的交流电阻；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。

如图3所示，为本发明的环状在线测温设备的结构，包括a、b、c、d、e和f，其中，a为环状在线测温设备的外壳，b为测温探头，分别测量导线温度和外壳温度，c为支撑架，d部分与外界相连通的空气层，e为架空导线，f为绝热材料层；将图2所述的动态增容热路模型用如图3所示实物模型实现，以环状设备外壳代替图2模型中的参考铝线，以监测外壳温度代替监测参考铝线温度，此代替可靠的前提是要求外壳监测部位与导线材质的相似性，同时需要排除架空导线以及监测设备内部装置产热的干扰，因此在监测设备原有基础上包裹一层绝热材料f，绝热材料外部的看作是虚拟导线（参考铝线），该部分材料为铝，为了准确考虑太阳辐射情况，需要对虚拟导线表面进行热老化处理，使之与导线表面老化程度达到一致或相近。与架空导线e相比，虚拟导线（外壳）仅仅外径不同。

本发明的实现方法具体包括以下步骤：

步骤1、监测架空导线温度值和在线测温设备的外壳温度值；

步骤2、将监测出的架空导线温度值和在线测温设备的外壳温度值代入动态增容热路模型中进行计算，得到实时线路允许最高载流量，即最大增容空间。

所述步骤2中，所述代入动态增容热路模型中进行计算的计算步骤如下：

步骤A、已知架空线载流量I，通过监测架空导线温度θ_c1和在线监测设备外壳温度θ_c2，计算此时的交流电阻R_c，根据所述I、θ_c1、θ_c2、R_c，采用下式计算当前导线电流发热量W_c：

W_c=I²R_c;

步骤B、根据所述I、θ_c1、θ_c2、W_c，以及导线与环境之间的热容C_x1，设备外壳与环境之间的热容C₂，比例参数m，采用下式计算当前时刻导线与环境之间的热阻R_x1：

$R_{x1}=\frac{{\mathrm{\θ}}_{c1}-{\mathrm{\θ}}_{c2}}{W_c-C_{x1}\frac{{\mathrm{d\θ}}_{c1}}{\mathrm{dt}}+\frac{1}{m}*C_2\frac{{\mathrm{d\θ}}_{c2}}{\mathrm{dt}}};$

步骤C、根据所述I、θ_c1、θ_c2、W_c，R_x1：采用下式计算当前外界环境条件下架空线的最大允许电流I_max：

$I_{\max }={\left(\frac{70-{\mathrm{\θ}}_{C2}}{R_{x1}*R_C}\right)}^{0.5}.$

所述步骤B中，所述比例参数m的计算公式如下，

$m=\frac{D_S}{D},$

其中，D_S为在线测温设备的外壳直径，D为架空导线的直径。

步骤A中，所述交流电阻R_c的计算公式如下：

$R_c={\mathrm{\ζI}}^{\mathrm{\τ}}{R}_{20}[1+\mathrm{\α}({\mathrm{\θ}}_{C1}-20)],$

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。

所述在线监测设备外壳为环状，所述在线监测设备外壳的监测部分的材质与导线的材质的相同，同时排除架空导线以及监测设备内部装置产热的干扰。

所述在线监测设备上具有绝热材料，并对所述在线监测设备外壳的外表面进行热老化处理，使所述外表面与导线表面的老化程度一致。

监测所述在线测温设备的外壳的测温探头置于在线测温设备的外壳内表面上，用绝热材料将所述测温探头与在线测温设备的内部空间隔离开，且在线监测设备装夹在架空线路上时，该探头所处位置对应的设备部分应该向上以朝向天空，使得一天中的大部分时间里，太阳照射在探头所处位置的在线监测设备的外壳上。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种架空线路在线测温方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、监测架空导线温度值和在线测温设备的外壳温度值；

步骤2、将监测出的架空导线温度值和在线测温设备的外壳温度值代入动态增容热路模型中进行计算，得到实时线路允许最高载流量，即最大增容空间。

2.根据权利要求1所述的架空线路在线测温方法，其特征在于，步骤2中，所述代入动态增容热路模型中进行计算的计算步骤如下：

步骤A、已知架空线载流量I，通过监测架空导线温度θ_c1和在线监测设备外壳温度θ_c2，计算此时的交流电阻R_c，根据所述I、θ_c1、θ_c2、R_c，采用下式计算当前导线电流发热量W_c：

W_c=I²R_c;

步骤B、根据所述I、θ_c1、θ_c2、W_c，以及导线与环境之间的热容C_x1，设备外壳与环境之间的热容C₂，比例参数m，采用下式计算当前时刻导线与环境之间的热阻R_x1：

$R_{x1}=\frac{{\mathrm{\θ}}_{c1}-{\mathrm{\θ}}_{c2}}{W_c-C_{x1}\frac{{\mathrm{d\θ}}_{c1}}{\mathrm{dt}}+\frac{1}{m}*C_2\frac{{\mathrm{d\θ}}_{c2}}{\mathrm{dt}}};$

步骤C、根据所述I、θ_c1、θ_c2、W_c，R_x1：采用下式计算当前外界环境条件下架空线的最大允许电流I_max：

$I_{\max }={\left(\frac{70-{\mathrm{\θ}}_{C2}}{R_{x1}*R_C}\right)}^{0.5}.$

3.根据权利要求2所述的架空线路在线测温方法，其特征在于，步骤B中，所述比例参数m的计算公式如下，

$m=\frac{D_S}{D},$

其中，D_S为在线测温设备的外壳直径，D为架空导线的直径。

4.根据权利要求2所述的架空线路在线测温方法，其特征在于，步骤A中，所述交流电阻R_c的计算公式如下：

$R_c={\mathrm{\ζI}}^{\mathrm{\τ}}{R}_{20}[1+\mathrm{\α}({\mathrm{\θ}}_{C1}-20)],$

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。

5.根据权利要求1所述的架空线路在线测温方法，其特征在于，所述在线监测设备外壳为环状，所述在线监测设备外壳的监测部分的材质与导线的材质的相同。

6.根据权利要求1至5任一项所述的架空线路在线测温方法，其特征在于，所述在线监测设备上具有绝热材料，并对所述在线监测设备外壳的外表面进行热老化处理，使所述外表面与导线表面的老化程度一致。

7.根据权利要求1所述的架空线路在线测温方法，其特征在于，监测所述在线测温设备的外壳的测温探头置于在线测温设备的外壳内表面上，用绝热材料将所述测温探头与在线测温设备的内部空间隔离开。

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