CN108985525B - 嵌入均匀材料的自加热输电导线直流加热参数优化方法 - Google Patents

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    • H05B3/54—Heating elements having the shape of rods or tubes flexible
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Abstract

一种嵌入均匀材料的自加热输电导线直流加热参数优化方法。自制热输电导线均匀分为2n个任意偶数段单元导线，分段处为节点。导线内导体和外导体之间加有直流电源，负极为电位参考点，电位参考点与外导体连接。每个单元导线上内导体和外导体流过的电流相等，取单元导线内导体电压为平均电压。分析方法包括自制热输电导线直流加热参数的分布分析和运行参数选择。加热参数含节点电流、导体电压，加热材料流过的电流、电阻以及单元导线内外导体功率和，加热材料功率，总功率。运行参数选择含允许流过最大电流、最小电源电压、单元导线制热材料功率、电压递增参数。本发明依据参数分析，得到导线运行最佳参数，使防冰融冰工作可控，有助于电网的稳定性。

Description

嵌入均匀材料的自加热输电导线直流加热参数优化方法
(一)技术领域
本发明涉及一种电力输电线的在线融冰方法，特别是一种嵌入均匀材料的自加热输电导线直流加热参数优化方法。
(二)背景技术
随着社会经济的发展，在不断增加电力负荷应用的环境下，对裸露在外的电力线路要求愈来愈高。而在寒冷的冬季，不少地区的线路都会结冰，造成线路的损坏。当结冰超过线路的承受力时，就会发生断线等严重事故。所以，冬季的电力输电线除冰是必不可少，十分重要。在现有技术中，融冰技术在不断提高。申请号CN201610867150.1《一种自融冰导体以及融冰设备》和申请号CN201810370549.8《嵌入绝缘导热材料的自加热导体和加热设备及其实现方法》公开了两种不同类型的输电线路在线融冰方法，对现有融冰技术有极大提高。但是上述专利文件没有说明在线防冰融冰的工作参数计算方法，更没能对工作参数进行优化，因而，还不能对自融冰导线的融冰功率和融冰工况进行准确控制。
(三)发明内容
本发明的目的是针对CN201610867150.1《一种自融冰导体以及融冰设备》，对一种嵌入均匀加热材料的自加热输电导线实施防冰和融冰作业的工作状态进行分析。均匀加热材料是指整根导线的加热材料采用同样属性的材料。在实施防冰和融冰作业时，计算分析导线工作状态，对自加热输电导线直流加热参数进行分析，在参数分析基础上，对导线直流加热参数进行优化，使得导线防冰融冰工作可控，并有助于电网的稳定性。
本发明的目的是这样达到的：一种嵌入均匀材料的自加热输电导线直流加热参数优化方法,自加热输电导线的内导体和外导体之间嵌有均匀加热材料。
在自加热输电导线加入直流电源，为自加热导线加热提供能源，直流电源加在内导体和外导体之间；直流电源正极与内导体连接。
将长度为La的自加热输电导线均匀分为任意偶数段，设总的分段数为2n，每段长度为Ld,Ld＝La/2n，分段后的每段导线称为单元导线。单元导线编号用自然是表示，1，2，3，4，……2n-3，2n-2，2n的整数。
导线分段处用虚线表示，虚线称为节点，节点编号用自然数表示，为1，2，3，4，……2n-3，2n-2，2n-1的整数，节点共2n-1个。
直流电源电压用Vin表示，直流电源负极为电位参考点，电位参考点与外导体连接；每个单元导线上内导体和外导体流过的电流相等，取单元导线内导体电压为导线上平均电压；设单元导线上，内导体两端电阻为Rr,外导体两端电阻为Rw,单元导线内外导体电阻和为Rs,Rs＝Rr+Rw，内、外导体之间测量的单元导线加热材料的电阻为Rh。
自制热输电导线直流加热参数优化包括对自加热输电导线直流加热运行参数的分布分析和自加热导线运行参数优化选择：
选择2n-1个节点中任一节点，设编号为i，2n个单元导线中任一单元导线，设编号为i；进行如下单元参数进行分析：
对节点编号为i的单元导线内导体和外导体流过的节点电流Ig(i)、节点编号为i的单元导线内导体节点电压V(i)、节点编号为i的单元导线上加热材料流过的电流Ih(i)、以编号为i的节点为界，到1号单元导线之间的导线在节点i处内、外导体之间综合节点电阻R(i)，编号为i的单元导线内、外导体功率之和Wg(i)，编号为i的单元导线加热材料功率Wh(i)，编号为i的单元导线总功率Wa(i)，i＝1，2，……，2n-1功率参数分析
自加热导线运行参数优化选择：
内导体和外导体允许流过最大电流为Imax，最小电源电压Vmin，单元导线加热材料功率Wmin，每次计算电压递增为Vstep参数的选择。
在将自加热输电导线均匀分为每段长度为Ld的2n个单元导线中，离电源最近的单元导线编为2n号，离电源最远的单元导线编为1号，1号单元导线与2n号之间单元导线按序列依次递增，分别编号为2，3，4，……2n-3，2n-2，2n-1。
离电源最近的节点编号为2n-1，离电源最远的节点编号为1；从节点1开始往电源方向的节点编号依次递增，分别为2，3，4，……,2n-4,2n-3,2n-2。
所述自加热输电导线直流加热运行参数的分布分析；
参数计算为：
Figure BDA0001767633800000031
Figure BDA0001767633800000032
Figure BDA0001767633800000033
Figure BDA0001767633800000034
Wh(i)表示编号为i的单元导线加热材料功率，Wa(i)表示编号为i的单元导线总功率，i＝1，2，……，2n-1
Figure BDA0001767633800000035
自加热导线运行参数优化选择：
内导体和外导体允许流过最大电流为Imax，最小电源电压Vmin，单元导线加热材料功率Wmin，每次计算电压递增为Vstep参数的选择。
所述自加热导线直流加热运行参数优化选择：
设内导体和外导体允许流过最大电流为Imax；最小电源电压Vmin，
选择中间节点为初始值参数计算节点，设中间节点的初始节点电压V(n)为最小电压Vmin的0.8倍，则初始节点电压V(n)计算方法如式(3-7)所示，根据热学原理进行计算分析，设单元导线加热材料功率为Wmin，初始单元导线加热材料的电阻计算如式(3-8)所示，设每次计算电压递增为Vstep；内导体和外导体允许流过最大电流为Imax，最小电源电压Vmin，单元导线制热材料功率Wmin，每次计算电压递增为Vstep参数的选择通过实验和仿真分析确定。
V(n)＝0.8Vmin (3-7)
Figure BDA0001767633800000041
直流加热参数分析以及对直流电源电压Vin和内、外导体之间测量的单元导线制热材料的电阻Rh的优化选择的步骤是：
第一步：设置内、外导体最大电流Imax,最小电源电压Vmin,单元导线加热材料功率Wmin,每次计算电压递增Vstep；
第二步：计算根据式(3-7)计算中间节点的节点电压V(n)；
第三步：计算根据式(3-8)计算单元导线加热材料的电阻Rh；
第四步：根据式(3-2)-(3-6)计算分布参数；
第五步：判断节点编号为1的单元导线总功率Wa(1)是否大于0.9Wmin，是,进入第六步，否，进入第八步；
第六步：判断节点编号为2n-1的单元导线内导体和外导体流过的节点电流Ig(2n-1)是否小于Imax；是：进入第七步，否，进入第八步；
第七步：判断节点编号为2n-1的单元导线内导体和外导体之间的节点电压V(2n-1)是否大于最小电源电压Vmin，是：运算结束；否，进入第八步；
第八步：节点电压V(n)＝V(n)+Vstep，进入第三步。
通过上述计算得到直流电源电压Vin和内、外导体之间测量的单元导线制热材料的电阻Rh为优化后的直流电源电压Vin和内、外导体之间测量的单元导线制热材料的电阻Rh。
单元导线内、外导体电阻之和Rs计算方法是：
设r1表示内导体的半径，r2表示加热材料包裹内导体后的半径，r3表示外导体包裹嵌入材料后整个导线的半径，r1、r2、r3的单位为米，设内导体电阻率为ρr，设外导体电阻率为ρw，；电阻率单位为欧姆·米；
Figure BDA0001767633800000042
Figure BDA0001767633800000051
加热材料电阻率计算方法是：
设加热材料电阻率为ρh,电阻率单位为欧姆·米；
Figure BDA0001767633800000052
本发明的积极效果是：
现有技术公开的输电线路在线融冰方法能够在控制中心控制下实施融冰防冰，实现在高压输电线工作时在线防冰融冰，保证用电设备安全。但是没有进一步说明在线防冰融冰的工作参数计算方法，更没有对工作参数进行优化。而工作参数的计算分析和参数的优化选择对融冰系统的控制和电网稳定运行具有举足轻重的作用。本发明通过对嵌入均匀加热材料的自加热输电导线实施防冰和融冰作业的工作状态进行分析，依据对自加热输电导线直流加热运行参数的分布分析，得到自加热导线运行参数的优化选择。使得导线防冰融冰工作可控，并有助于电网的稳定性分析。
(四)附图说明
图1是嵌入均匀加热材料的自加热输电导线分段并在内导体和外导体之间加入直流电源后，各导线参数示意图。
图中，1内导体，2均匀加热材料，3外导体，虚线为节点，虚线下边编号为节点编号，两根虚线之间的编号为单元导线编号。
图2是自加热输电导线直流加热运行参数分布计算步骤图。
图3自加热输电导线截面示意图。
图中，r1表示内导体的半径，r2表示加热材料包裹内导体后的半径，r3表示外导体包裹嵌入材料后整个导线的半径。
(五)具体实施方式
本发明所涉及的自加热输电导线，是根据专利CN201610867150.1《一种自融冰导体以及融冰设备》的方法设计的自融冰导线。所分析的整根导线加热材料为属性处处相同的材料。
参见附图1。
将长度为La的自加热输电导线均匀分为任意偶数段，设总的分段数为2n，则每段长度为Ld,Ld＝La/2n；将分段后的导线称为单元导线。La为任意长度输电导线，n为非零的自然数。分段后的每段导线称为单元导线。单元导线编号用自然数表示，为1，2，3，4，……2n-3，2n-2，2n的整数。
导线分段处用虚线表示，虚线称为节点，节点编号用自然数表示，为1，2，3，4，……2n-3，2n-2，2n-1的整数，节点共2n-1个。
Figure BDA0001767633800000061
设单元导线上，内导体两端电阻为Rr,外导体两端电阻为Rw,单元导线内外导体电阻和为Rs,Rs＝Rr+Rw；从内导体和外导体之间嵌入加热材料，且从内导体和外导体测量得到的单元导线加热材料的电阻为Rh。
在自加热输电导线加入直流电源，为自加热导线提供能源，直流电源加在导体和外导体之间。直流电源电压用Vin表示，直流电源负极为电位参考点，电位参考点与外导体连接；直流电源正极与内导体连接。
如图1，各虚线之间的分段导线或虚线与导线两端端点之间的分段导线称为单元导线；将单元导线编号，离电源最近的单元导线编为2n号，离电源最远的单元导线编为1号，1号单元导线与2n号之间单元导线按序列依次递增，分别编号为2，3，4，……2n-3，2n-2，2n-1。
将图1表示自加热输电导线分段的虚线称为节点。共2n-1个节点，将自加热输电导线均匀分成2n段。离直流电源最近的节点编号为2n-1，编号为2n-1的节点为编号为2n的单元导线与编号为2n-1的单元导线的分界处，离电源最远的节点编号为1，编号为1的节点为编号为2的单元导线与编号为1的单元导线的分界处；从节点1开始往电源方向的节点编号依次递增，分别为2，3，4，……,2n-4,2n-3,2n-2,2n-1。
选择2n-1个节点中任一节点，设编号为i，选择2n个单元导线中任一单元导线，设编号为i；
每个单元导线上内导体和外导体流过的电流相等，节点编号为i的单元导线内导体和外导体流过的节点电流用Ig(i)表示；取单元导线内导体节点电压为导线上平均电压，节点编号为i的单元导线内导体节点电压用V(i)表示；节点编号为i的单元导线上加热材料流过的电流为Ih(i)；以编号为i的节点为界，到1号单元导线之间的导线在节点i处内导体外导体之间的电阻用综合节点电阻R(i)表示。
自制热输电导线直流加热参数优化包括对自制热输电导线直流加热运行功率参数的分布分析：
对节点编号为i的单元导线内导体和外导体流过的节点电流Ig(i)、节点编号为i的单元导线内导体节点电压V(i)、节点编号为i的单元导线上加热材料流过的电流Ih(i)、以编号为i的节点为界，到1号单元导线之间的导线在节点i处内导体外导体之间的综合节点电阻R(i)，编号为i的单元导线内、外导体功率之和Wg(i)，编号为i的单元导线加热材料功率Wh(i)，编号为i的单元导线总功率Wa(i)，i＝1，2，……，2n-1功率参数分析。因为以节点i为中心的单元导线参数、节点为i的左边单元导线参数、节点为i的右边单元导线参数的计算分析参数近似相等，上述参数是以节点i为中心的单元导线参数，或节点为i的左边单元导线参数，或是节点为i的右边单元导线参数。
自加热导线直流加热运行参数优化选择：内导体和外导体允许流过最大电流为Imax，最小电源电压Vmin，单元导线加热材料功率Wmin，每次计算电压递增为Vstep参数、直流电源电压Vin和内、外导体之间测量的单元导线制热材料的电阻Rh的优化选择。运行参数计算分析：
Figure BDA0001767633800000071
Figure BDA0001767633800000072
Figure BDA0001767633800000073
Figure BDA0001767633800000074
Wh(i)表示编号为i的单元导线加热材料功率，Wa(i)表示编号为i的单元导
线总功率，i＝1，2，……，2n-1
Figure BDA0001767633800000081
自加热导线直流加热运行参数优化选择：
设内导体和外导体允许流过最大电流为Imax；最小电源电压Vmin，单元导线制热材料功率Wmin，每次计算电压递增为Vstep参数的选择，内导体和外导体允许流过最大电流为Imax，最小电源电压Vmin，单元导线制热材料功率Wmin，每次计算电压递增为Vstep参数的选择通过实验和仿真分析确定。
选择中间节点为初始值参数计算节点，设中间节点的初始节点电压V(n)为最小电压Vmin的0.8倍，则初始电压V(n)计算方法如式(3-7)所示，根据热学原理进行计算分析，设单元导线加热材料功率为Wmin，初始单元导线加热材料的电阻Rh计算如式(3-8)所示，设每次计算电压递增为Vstep
V(n)＝0.8Vmin (3-7)
Figure BDA0001767633800000082
参见附图2。
自制热输电导线直流加热运行参数的分布分析步骤和直流电源电压Vin和内、外导体之间测量的单元导线制热材料的电阻Rh的优化选择步骤步骤是：
第一步：设置内、外导体最大电流Imax,最小电源电压Vmin,单元导线加热材料功率Wmin,每次计算电压递增Vstep；
第二步：计算根据式(3-7)计算中间节点的节点电压V(n)；
第三步：计算根据式(3-8)计算单元导线加热材料的电阻Rh；
第四步：根据式(3-2)-(3-6)计算分布参数；
第五步：判断节点编号为1的单元导线总功率Wa(1)是否大于0.9Wmin，是,进入第六步，否，进入第八步；
第六步：判断节点编号为2n-1的单元导线内导体和外导体流过的电流Ig(2n-1)是否小于Imax；是：进入第七步，否，进八入第步；
第七步：判断节点编号为2n-1的单元导线内导体和外导体流过的电压V(2n-1)是否大于最小电源电压Vmin，是：运算结束；否，进入第八步；
第八步：节点电压V(n)＝V(n)+Vstep，进入第三步。
通过上述计算得到直流电源电压Vin和内、外导体之间测量的单元导线制热材料的电阻Rh为优化后的直流电源电压Vin和内、外导体之间测量的单元导线制热材料的电阻Rh。
参见附图3。
单元导线内外导体电阻和Rs计算方法是：
设r1表示内导体的半径，r2表示加热材料包裹内导体后的半径，r3表示外导体包裹嵌入材料后整个导线的半径，r1、r2、r3的单位为米。设内导体电阻率为ρr，设外导体电阻率为ρw，电阻率单位为欧姆·米；
Figure BDA0001767633800000091
Figure BDA0001767633800000092
加热材料电阻率计算方法是：
设加热材料电阻率为ρh,电阻率单位为欧姆·米；
Figure BDA0001767633800000093
优选直流加热参数后的自制热输电导线在防冰融冰时工作状态随时可控，电网的稳定性更高。

Claims (4)

1.一种嵌入均匀材料的自制热输电导线直流加热参数优化方法,自制热输电导线的内导体和外导体之间嵌有均匀加热材料，其特征在于：
在自制热输电导线加入直流电源，为自制热导线制热提供能源，直流电源加在内导体和外导体之间；直流电源正极与内导体连接；
将长度为La的自制热输电导线均匀分为任意偶数段，设总的分段数为2n，每段长度为Ld,Ld＝La/2n，分段后的每段导线称为单元导线；单元导线编号用自然数表示，为1，2，3，4，……2n-3，2n-2，2n的整数；
导线分段处用虚线表示，虚线称为节点，节点编号用自然数表示，为1，2，3，4，……2n-3，2n-2，2n-1的整数，节点共2n-1个；
直流电源电压用Vin表示，直流电源负极为电位参考点，电位参考点与外导体连接；每个单元导线上内导体和外导体流过的电流相等，取单元导线内导体电压为导线上平均电压；设单元导线上，内导体两端电阻为Rr,外导体两端电阻为Rw,单元导线内外导体电阻和为Rs,Rs＝Rr+Rw，内、外导体之间测量的单元导线制热材料的电阻为Rh；
自制热输电导线直流加热参数优化包括对自制热输电导线直流加热运行参数的分析和自制热导线运行参数优化选择：
选择2n-1个节点中任一节点编号，设编号为i，选择2n个单元导线中任一单元导线，设编号为i，对如下参数进行分析：
对节点编号为i的单元导线内导体和外导体流过的节点电流Ig(i)、节点编号为i的单元导线内导体节点电压V(i)、节点编号为i的单元导线上加热材料流过的电流Ih(i)、以编号为i的节点为界，到1号单元导线之间的导线在节点i处内、外导体之间综合节点电阻R(i)，编号为i的单元导线内、外导线功率之和Wg(i)，编号为i的单元导线加热材料功率Wh(i)，编号为i的单元导线总功率Wa(i)，i＝1，2，……，2n-1进行功率参数分析；
自制热导线运行参数优化选择：
直流电源电压Vin和内、外导体之间测量的单元导线制热材料的电阻Rh的优化选择；
所述自制热输电导线直流加热运行参数的分布分析；
参数计算为：
Figure FDA0003154344800000021
Figure FDA0003154344800000022
Figure FDA0003154344800000023
Figure FDA0003154344800000024
Wh(i)表示编号为i的单元导线加热材料功率，Wa(i)表示编号为i的单元导线总功率，i＝1，2，……，2n-1
Figure FDA0003154344800000025
所述自制热导线运行参数优化选择为对直流电源电压Vin和内、外导体之间测量的单元导线制热材料的电阻Rh的优化选择：
设内导体和外导体允许流过最大电流为Imax；最小电源电压Vmin
选择中间节点为初始值参数计算节点，设中间节点的初始节点电压V(n)为最小电压Vmin的0.8倍，则初始节点电压V(n)计算方法如式(3-7)所示，根据热学原理进行计算分析，设单元导线制热材料功率为Wmin，初始单元导线制热材料的电阻计算如式(3-8)所示，设每次计算电压递增为Vstep
V(n)＝0.8Vmin (3-7)
Figure FDA0003154344800000031
直流加热参数分析以及对直流电源电压Vin和内、外导体之间测量的单元导线制热材料的电阻Rh的优化选择的步骤是：
第一步：设置内、外导体最大电流Imax,最小电源电压Vmin,单元导线制热材料功率Wmin,每次计算电压递增Vstep；
第二步：计算根据式(3-7)计算中间节点的节点电压V(n)；
第三步：计算根据式(3-8)计算单元导线制热材料的电阻Rh；
第四步：根据式(3-2)-(3-6)计算分布参数；
第五步：判断节点编号为1的单元导线总功率Wa(1)是否大于0.9Wmin，是,进入第六步，否，进入第八步；
第六步：判断节点编号为2n-1的单元导线内导体和外导体流过的节点电流Ig(2n-1)是否小于Imax；是：进入第七步，否，进入第八步；
第七步：判断节点编号为2n-1的单元导线内导体和外导体之间的节点电压V(2n-1)是否大于最小电源电压Vmin，是：运算结束；否，进入第八步；
第八步：节点电压V(n)＝V(n)+Vstep，进入第三步；
通过上述计算得到直流电源电压Vin和内、外导体之间测量的单元导线制热材料的电阻Rh为优化后的直流电源电压Vin和内、外导体之间测量的单元导线制热材料的电阻Rh。
2.如权利要求1所述的嵌入均匀材料的自制热输电导线直流加热参数优化方法，其特征在于：在将自制热输电导线均匀分为每段长度为Ld的2n个单元导线中，离电源最近的单元导线编为2n号，离电源最远的单元导线编为1号，1号单元导线与2n号之间单元导线按序列依次递增，分别编号为2，3，4，……2n-3，2n-2，2n-1；离电源最近的节点编号为2n-1，离电源最远的节点编号为1；从节点1开始往电源方向的节点编号依次递增，分别为2，3，4，……,2n-4,2n-3,2n-2。
3.如权利要求1所述嵌入均匀材料的自制热输电导线直流加热参数优化方法，其特征在于：单元导线内、外导体电阻之和Rs计算方法是：
设r1表示内导体的半径，r2表示加热材料包裹内导体后的半径，r3表示外导体包裹嵌入材料后整个导线的半径，r1、r2、r3的单位为米，设内导体电阻率为ρr，设外导体电阻率为ρw；电阻率单位为欧姆·米；
Figure FDA0003154344800000041
Figure FDA0003154344800000042
4.如权利要求1所述的嵌入均匀材料的自制热输电导线直流加热参数优化方法，其特征在于：加热材料电阻率计算方法是：
设加热材料电阻率为ρh,电阻率单位为欧姆·米；
Figure FDA0003154344800000043
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