CN108519406B - 一种架空地线轴向的导体热阻和对流热阻的计算方法 - Google Patents

一种架空地线轴向的导体热阻和对流热阻的计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种架空地线轴向导体热阻和对流热阻的计算方法，包括以下步骤：S1、选取架空地线中的待测线段，设置测量点；S2、对待测线段加载恒定电流，检测并记录其轴向表面离散温度和环境温度；S3、建立架空地线待测线段的轴向热路模型；S4、根据上述测定的温度信息，将热平衡方程按时间进行离散化，分别计算地线待测线段每一个轴向位置的温升计算值；S5、通过遗传算法计算得到地线轴向导体热阻和对流热阻。本发明能有效避免传统计算公式误差大等缺陷，尤其对于采用热路法分析电流流经架空地线下的暂态温升情况，具有普遍推广使用的意义。

Description

一种架空地线轴向的导体热阻和对流热阻的计算方法
技术领域
本发明属于导线热参数求解的领域，特别涉及一种架空地线轴向的导体热阻和对流热阻的计算方法。
背景技术
架空地线悬垂串中一些电接触部位，如预绞丝接触端口、悬垂线夹内部等，因为有接触电阻的存在，所以当工频短路电流或者雷电流流经地线时，往往会发热严重、温度过高，导致地线机械性能大幅度降低，甚至会引发断线事故。因此，对架空地线进行暂态温升分析具有重要的意义。
在现有的暂态温升分析手段中，主要是数值模拟法和热路法。其中，热路法因为其建模简单且计算方便，广泛应用于相关的传热研究分析中。然而，热路法的一个最重要的问题为热参数的确定。因为绞线内部存在空气间隙，每股钢线表面也不平整，采用传统的热阻计算公式往往会造成很大的误差。
发明内容
本发明的主要目的在于克服架空地线中如导体热阻、对流热阻等热参数难以确定的问题，提出一种架空地线轴向的导体热阻和对流热阻的计算方法。
一种架空地线轴向的导体热阻和对流热阻的计算方法，具体步骤包括：
S1、选取架空地线中的待测线段，在所述待测线段上设置测量点；
S2、对待测线段加载恒定电流，检测并记录其轴向表面离散温度和环境温度；
S3、根据传热学原理，建立架空地线热平衡方程，构建架空地线待测线段的轴向热路模型；
S4、根据上述测定的温度信息，将热平衡方程按时间进行离散化，分别计算地线待测线段每一个轴向位置的温升计算值；
S5、以轴向传热热阻和对流热阻作为未知量，根据地线温度计算值与实验值的误差，建立遗传算法的目标函数，通过遗传算法计算得到地线轴向导体热阻和对流热阻。
具体地，在步骤S1中，为了得到架空地线的轴向温差，架空地线的待测线段，具体选取架空地线悬垂串部件中的架空地线与预绞丝的接触端口及附近区域部分作为架空地线的待测线段，上述选取部分存在接触电阻。
具体地，在步骤S1中，每个测量点之间间隔2cm。
具体地，在步骤S2中，利用大电流发生器，在架空地线的待测线段上加载恒定电流，在每个测量点处检测并记录两到三组地线表面轴向温度分布和环境温度值。
更进一步地，每个测量点采用热电偶进行实时检测，时间间隔为一设定值，在架空地线的待测线段上加载电流的时长由架空地线的实际情况决定。
具体地，在步骤S3中，将架空地线分成若干个微元，根据传热学原理，架空地线热平衡方程的表示方式如下：
Figure BDA0001606927880000021
其中，C为微元热容，R为轴向传热热阻，RE为第i个微元的对流热阻，Ti为第i个微元的温度，qr为辐射热功率，TE为环境温度，qJ为微元热源功率。
进一步地，所述微元热源功率，计算方式为：
qJ＝I2r (2)
其中，I为加载在架空地线待测线段的交流电流大小，r为微元在工作温度下的交流电阻。
进一步地，所述架空地线微元热容，计算方式为：
C＝mc (3)
其中，m为微元质量，c为微元比热容。
进一步地，所述架空地线的辐射热功率，计算方式为：
qr＝εBσ[(Ti+273)4-(TE+273)4] (4)
其中，ε为发射率，B为微元辐射表面积，σ为黑体辐射常数，Ti为第i个微元温度。
具体地，在步骤S4中，根据采用热电偶测定的多个测温点测得的多组温度值以及对待测线段加载的交流电的值，对热平衡方程中的时间进行离散化处理，得到基于轴向传热热路模型和初始温度值的架空地线温度的计算公式，如下所示：
Figure BDA0001606927880000031
其中，Yi (k)为第i个微元在k时刻温度的计算值，Ti (k-1)为第i个微元在k-1时刻温度的测量值，Δt为k时刻和k-1时刻之间的时间间隔。
具体地，在步骤S5中，根据所述架空地线温度计算公式，以轴向传热热阻R和对流热阻RE作为未知量，建立基于温度计算值与实验测量值误差的遗传算法目标函数：
F＝min||E||
Figure BDA0001606927880000032
Ei (k)＝|Yi (k)-Ti (k)|。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
本发明通过采用热平衡方程来建立架空地线的轴向热路模型，并结合大电流温升实验来获取架空地线的温升数据，最终采用遗传算法来计算得到架空地线轴向的导体热阻和对流热阻。相较于传统的计算公式，本发明所计算的导体热阻和对流热阻等热参数具有较高的准确度，尤其是使用热路法分析架空地线的暂态温升特性，具有普遍推广使用的意义。
附图说明
图1为本发明一种架空地线轴向的导体热阻和对流热阻的计算方法流程图；
图2为本实施例中用于验证的实验平台布置示意图；
图3本实施例中温度测量点示意图；
图4为本实施例中架空地线稳态温度轴向分布的示意图。
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
S1、选取架空地线中的待测线段，在所述线段上设置测量点。
为了得到架空地线中待测线段的轴向温差，在本实施例中，架空地线的待测线段，具体选取为架空地线悬垂串部件中的架空地线与预绞丝的接触端口及附近区域部分。上述选取部分存在接触电阻。
在本实施例中，每个测量点之间间隔2cm。
S2、对待测线段加载恒定电流，检测并记录其轴向表面离散温度和环境温度。
在本实施例中，为了地线表面产生轴向温差，利用大电流发生器，在架空地线的待测线段上加载恒定电流，利用T型热电偶在测量点位置对温升数据进行实时检测和采集，检测时间间隔为1s，每个测量点检测记录两组或三组架空地线中待测线段表面轴向温度分布和环境温度值。在待测线段的每个测量点位置上设置两个或三个热电偶，避免实验误差对计算结果产生影响。
S3、根据传热学原理，建立架空地线热平衡方程，构建架空地线待测线段的轴向热路模型。
将架空地线分成若干个微元，对所述单个微元计算微元热源功率、热容以及辐射热功率，并将架空地线导体与空气的对流散热功率等效为架空地线与空气的对流热阻，根据热平衡方程建立架空地线的轴向热路模型。架空地线热平衡方程的表示方式如下：
Figure BDA0001606927880000041
其中，C为微元热容，R为轴向传热热阻，RE为对流热阻，Ti为第i个微元的温度，qr为辐射热功率，TE为环境温度，qJ为微元热源功率。
本实施例中，所建立的架空地线轴向热路模型遵循以下假设条件：
(1)架空地线材质的物理性质为各向同性；
(2)架空地线径向上假设不存在温差，即架空地线表面温度和中心温度相等。具体地，所述微元热源功率，计算方式为：
qJ＝I2r (2)
其中，I为加载在架空地线待测线段的交流电流大小，r为微元在工作温度下的交流电阻。所述架空地线微元热容，计算方式为：
C＝mc (3)
其中，m为微元质量，c为微元比热容。
所述架空地线的辐射热功率，计算方式为：
qr＝εBσ[(Ti+273)4-(TE+273)4] (4)
其中，ε为发射率，B为微元辐射表面积，σ为黑体辐射常数，Ti为第i个微元温度。
由于架空地线时刻与外界环境发生热交换，上述架空地线轴向传热热路模型描述了加载电流温升暂态过程中，架空地线待测线段在当前环境中与外界环境的热交换情况。
S4、根据上述测定的温度信息，将热平衡方程按时间进行离散化，分别计算地线待测线段每一个轴向位置的温升计算值。
在本实施例中，结合公式(1)～(4)，根据采用热电偶测定的多个测温点测得的多组温度值以及对待测线段加载的交流电的值，对热平衡方程中的时间进行离散化处理，得到基于轴向传热热路模型和初始温度值的架空地线温度的计算公式，表示方式为：
Figure BDA0001606927880000051
其中，Yi (k)为第i个微元在k时刻温度的计算值，Ti (k-1)为第i个微元在k-1时刻温度的测量值，Δt为k时刻和k-1时刻之间的时间间隔。
S5、运用遗传算法对架空地线轴向的导体热阻和对流热阻进行计算。
根据所述架空地线温度计算公式，以轴向传热热阻R和对流热阻RE作为未知量，建立基于温度计算值与实验测量值误差的遗传算法目标函数：
F＝min||E||
Figure BDA0001606927880000061
Ei (k)＝|Yi (k)-Ti (k)|
实验平台布置图如图2所示，图中1表示热电偶。所述实验平台用于验证的实验装置主要由五部分构成：无功补偿电容、调压器、升流器、试验地线(型号为GJ-50)；实验地线段的测温点分布如图3所示，其中GJ-50实验地线和的基本参数如表1所示。
表1 GJ-50地线的几何参数
Figure BDA0001606927880000062
为了检测待测地线在温度上升的暂态过程中的热阻，实验中利用热电偶1实时监测地线各个测量点温度值Ti和环境温度值TE。
在实施例中对实验地线加载88A的电流，由于在环境条件稳定的室内条件下，室内环境温度变化小于1℃，在工程应用中，为避免偶然误差，通常对1min内同一测温点的温度值取算术平均值，由于预绞丝接触端口处存在接触电阻，地线稳态温度轴向分布如图4所示。
对平均处理后的温度数值代入遗传算法中进行计算，得到热阻和对流热阻。
对辨识得到的热阻和对流热阻进行误差分析，运用计算得到的热阻和对流热阻，根据式(5)得到的温度计算值，与实验值误差为1.78％，符合工程要求。
综上所述，本发明的技术提供了一种架空地线轴向导体热阻和对流热阻的计算方法，相比较于传统的计算公式，该方法所计算的导体热阻和对流热阻等热参数具有较高的准确度，尤其是在运用热路法分析架空地线暂态温升特性，具有普遍推广使用的重要意义。
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)

1.一种架空地线轴向的导体热阻和对流热阻的计算方法，其特征在于，具体步骤包括：
S1、选取架空地线悬垂串部件中的架空地线与预绞丝的接触端口及附近区域部分作为架空地线的待测线段；上述选取部分存在接触电阻；在所述待测线段上设置多个测量点；
S2、对待测线段加载恒定电流，检测并记录其轴向表面离散温度和环境温度；
S3、根据传热学原理，建立架空地线热平衡方程，构建架空地线待测线段的轴向热路模型；在步骤S3中，将架空地线分成若干个微元，根据传热学原理，架空地线热平衡方程的表示方式如下：
Figure FDA0003043140730000011
其中，C为微元热容，R为轴向传热热阻，RE为对流热阻，Ti为第i个微元的温度，qr为辐射热功率，TE为环境温度，qJ为微元热源功率；
S4、根据多个测量点测定的多组温度信息以及对待测线段加载的交流电的值将热平衡方程按时间进行离散化，分别计算地线待测线段每一个轴向位置的温度计算值；
S5、以轴向传热热阻和对流热阻作为未知量，建立基于温度计算值与实验测量值误差的遗传算法目标函数，通过遗传算法计算得到地线轴向导体热阻和对流热阻。
2.根据权利要求1所述的一种架空地线轴向的导体热阻和对流热阻的计算方法，其特征在于，在步骤S2中，利用大电流发生器，在架空地线的待测线段上加载恒定电流，加载在架空地线的待测线段上的电流持续时间，视实际架空地线情况而定；每个温度测量点采用热电偶进行实时检测，检测时间间隔为一设定值，每个测量点检测记录两组或三组架空地线表面轴向温度分布和环境温度值。
3.根据权利要求2所述的一种架空地线轴向的导体热阻和对流热阻的计算方法，其特征在于，单个所述微元热源功率，计算公式为：
qJ＝I2r
其中，I为电流，r为微元在工作温度下的交流电阻。
4.根据权利要求1所述的一种架空地线轴向的导体热阻和对流热阻的计算方法，其特征在于，所述单个微元热容，计算公式为：
C＝mc
式中，m为微元质量，c为微元比热容。
5.根据权利要求1所述的一种架空地线轴向的导体热阻和对流热阻的计算方法，其特征在于，所述单个微元的辐射热功率，计算公式为：
qr＝εBσ[(Ti+273)4-(TE+273)4]
式中，ε为发射率，B为微元辐射表面积，σ为黑体辐射常数，Ti为第i个微元温度，TE为环境温度。
6.根据权利要求1所述的一种架空地线轴向的导体热阻和对流热阻的计算方法，其特征在于，在步骤S4中，地线轴向每个测量点的温度计算值，计算公式为：
Figure FDA0003043140730000021
式中，Yi (k)为第i个微元在k时刻温度的计算值，Ti (k-1)为第i个微元在k-1时刻温度的测量值，Δt为k时刻和k-1时刻之间的时间间隔。
7.根据权利要求6所述的一种架空地线轴向的导体热阻和对流热阻的计算方法，其特征在于，在步骤S5中，所述遗传算法的目标函数，具体为：
F＝min||E||
Figure FDA0003043140730000031
Ei (k)＝|Yi (k)-Ti (k)|。
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