CN112036021A - 一种架空线路非接触式载流量测算方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种架空线路非接触式载流量测算方法及系统，属于架空线路载流量测算技术领域。该方法首先利用激光测温传感器非接触式测量架空线路温升参数，同时，测量架空线路的环境参数；之后，利用IEEE标准热平衡方程对比分析架空线路电流大小与温度的计算，最后，在获取气象环境参数和导线电流的导线运行温度的基础上，进一步优化测算实际导线中的载流量，最后给出电流大小。本发明方法能实现对线路实时电流较为准确测算，实施方便，成本低，操作简便，易于推广应用。

Description

一种架空线路非接触式载流量测算方法及系统

技术领域

本发明属于架空线路载流量测算技术领域，具体涉及一种架空线路非接触式载流量测算方法及系统。

背景技术

导线的载流量引起的温升是指在规定条件下，导线在这个电流下的运行温度的值。载流量引起温升的计算与导线的布置方式、绝缘材料、环境条件等有关。对于确定结构和型号的导线，载流量引起温升主要受当前环境条件下的运行温度限制。而导线的温度变化由吸热、散热情况综合决定；吸热组成主要包括了日照吸热、电流焦耳热；散热组成主要包括了空气对流散热、辐射散热。相应地；导线温升的影响因素包括了载流、日照；导线降温的影响因素包括了风速、风向、日照、环境温度。

对于架空导线载流量的计算，主要包括标准模型、数值模拟模型和热路模型。根据标准的发布机构不同，标准模型主要可分为IEEE标准模型、CIGRE标准模型等，对比IEEE标准模型和CIGRE标准模型，最大的差异体现在如何计算日照吸热，相比下CIGRE标准模型对线路的吸散热影响因素考虑更全面、细致，所以按CIGRE标准计算的吸收热量要略大于IEEE标准。由于标准模型中部分参数由经验公式计算得到，与实际环境和运行状态下的真实情况存在差异，造成载流量温升的计算结果存在一定误差。

对于数值模拟模型，它是一种基于数值传热学理论的载流量温升的计算方法，用有限元、有限差分及边界元等数值模拟方法求解数值模型离散后的偏微分方程组，然而由于计算量巨大，并且把导线看成实心圆柱体结构，忽略了导线各线股之间的空气间隙，影响了模型的计算精度。因此如何克服现有技术的不足是目前架空线路载流量测算技术领域亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种架空线路非接触式载流量测算方法及系统，以导线热平衡方程为基础，建立了气象环境条件变化时导线连续载流能力计算方法，由于导线热平衡方程式包括了导线运行温度、环境温度、风速、风向、日照强度、导线电气参数和载流量等因素，本发明在对比研究架空线路载流能力与温度计算方法的基础上，提出了时变气象环境下导线暂态温升计算模型。通过现场在线测量温升变化曲线，配合线路结构参数及测量环境参数，得到对架空线路载流量测算的新方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种架空线路非接触式载流量测算方法，包括如下步骤：

步骤(1)，测量架空线路温升参数；所述的温升参数指的是线路导线本体表面温度T；

步骤(2)，测量架空线路的环境参数；

步骤(3)，对流散热功率的计算：对流散热功率取强迫对流散热功率和自然对流散热功率中的最大值，具体如下：

强迫对流散热功率：

λ_F是空气导热系数，T为导线表面温度，℃；T_a为环境温度，℃，

为风向角为δ_ω时的努塞尔数，K_an为风向修正系数；

其中：

为风向角为δ_ω时的风速，单位为m/s，ρ_F为空气密度，kg/m³；V空气的动态粘度，kg/(m·s)；H为导线的海拔高度，m；D为导体外径，单位m；

表示风与导线轴的夹角；

自然对流散热功率：q_cN＝3.645ρ_F ^0.5D^0.75(T-T_a)^1.25 ⑤

强迫对流散热功率和自然对流散热功率较大的一个主导导线对外部的散热，所以有公式⑥：

q_c＝max{q_cN，q_cF} ⑥

步骤(4)，辐射散热功率的计算：

辐射散热功率：q_r＝πDσ_Bε[(T+237)⁴-(T_a+237)⁴] ⑦

其中，ε是导线表面的辐射系数，σ_B为斯特藩—玻尔兹曼常数；

步骤(5)，日照发热功率的计算：

q_s＝αDQ_s sinθ，α为导线吸热系数，Qs为导线所处地区海拔高度上的太阳辐射功率密度，W/m²；θ为太阳光入射方向与导线走向之间夹角，rad；

q_s与导线所处地区海拔高度上的太阳辐射功率密度Qs(W/m²)以及太阳光入射方向与导线走向之间夹角θ(rad)的正弦成正比。

步骤(6)，载流量测算：

根据公式

因此，将④⑤⑥⑦代入即可得到载流量；其中，I为载流量，r为导线的温度为T时导线单位长度交流电阻值，Ω/m。

进一步，优选的是，步骤(1)中，线路导线本体表面温度利用激光测温传感器非接触式测量。

进一步，优选的是，利用激光测温传感器非接触式测量时，间隔1米以上测量5个测点，去掉最大值和最小值，剩余3个数据取平均值作为测量值T。

进一步，优选的是，步骤(2)中，所述的环境参数包括海拔、风速、空气温度、动态粘度及光照。

进一步，优选的是，光亮导线ε为0.23～0.43，涂黑色防腐剂的导线或者旧线ε为0.90～0.95。

进一步，优选的是，σ_B＝5.67×10^-8。

进一步，优选的是，若强迫对流散热功率较大，有q_c＝q_cF，即

将④代入得到载流量为：

进一步，优选的是，若自然对流散热功率较大，有q_c＝q_cN，即

将④代入得到载流量为：

本发明同时提供一种架空线路非接触式载流量测算系统，包括：

温升参数测量模块，用于测量架空线路温升参数；

环境参数测量模块，用于测量架空线路的环境参数；

第一处理模块，用于计算对流散热功率；

第二处理模块，用于计算辐射散热功率；

第三处理模块，用于计算日照发热功率；

载流量测算模块，用于测算载流量。

本发明方法能实现对线路实时电流较为准确测算，测量精度由温度及其环境温度决定。

本发明以导线热平衡方程为基础，建立了气象环境条件变化时导线连续载流能力计算方法，由于导线热平衡方程式包括了导线运行温度、环境温度、风速、风向、日照强度、导线电气参数和载流量等因素，本发明在对比研究架空线路载流能力与温度计算方法的基础上，提出了时变气象环境下导线暂态温升计算模型。通过现场在线测量温升变化曲线，配合线路结构参数及测量环境参数，得到对架空线路载流量测算的方法。

本发明与现有技术相比，其有益效果为：

当前电力系统对本专利提出解决问题的手段是安装电流互感器测量，然后再通过电流实际值进行，由于电流互感器的安装需要停电进行，安装成本和维护成本较高，实时过程不方便，本发明仅通过激光测温传感器非接触式测量架空线路温升参数；之后，利用IEEE标准热平衡方程对比分析架空线路电流大小与温度的计算后，利用本发明提出的公式计算获得载流量，实施方便，成本低，操作简便。

附图说明

图1是架空线路非接触式载流量测算系统的结构示意图；

图2是应用实例中电气接线图；

图3是应用实例中环境温度与风速的数据图；

图4是应用实例中测算结果图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。

本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用材料或设备未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。

本发明考虑到现场测量载流量实时复杂，提出了一种利用非接触式传感器快速测量架空线路温升参数的方法，具体是利用激光测温传感器非接触式测量架空线路温升参数；之后，以导线热平衡方程为基础，提出适用实际线路型号和架构组成各类标准计算模型；同时，考虑导线暂态温升计算公式和数值迭代计算方法解决潮流转移或者负荷剧烈变化引起电流发生阶跃变化的情况。

IEEE标准热平衡方程(静态热平衡状态)：

0＝q_s+q_j-q_c-q_r ①

焦耳热功率：q_j＝I²rT ②

其中，I为载流量，r为导线的温度为T时导线单位长度交流电阻值，Ω/m

强迫对流散热功率：

其中，λ_F是空气导热系数，T为导线表面温度，℃；T_a为环境温度，℃，

为风向角为δ_ω时的努塞尔数，K_an为风向修正系数；

其中：

为风向角为δ_ω时的风速，单位为m/s，ρ_F为空气密度，kg/m³；V空气的动态粘度，kg/(m·s)；H为导线的海拔高度，m，导体外径D；

自然对流散热功率：q_cN＝3.645ρ_F ^0.5D^0.75(T-T_a)^1.25 ⑤；

q_c＝max{q_cN，q_cF} ⑥

辐射散热功率：q_r＝πDσ_Bε[(T+237)⁴-(T_a+237)⁴] ⑦

ε是导线表面的辐射系数，它取决于导线金属的型号以及金属老化和氧化的程度，光亮导线为0.23～0.43，涂黑色防腐剂的导线或者旧线为0.90～0.95；σ_B为斯特藩—玻尔兹曼常数，σ_B＝5.67×10^-8。

如图1所示，一种架空线路非接触式载流量测算系统，包括：

温升参数测量模块101，用于测量架空线路温升参数；

环境参数测量模块102，用于测量架空线路的环境参数；

第一处理模块103，用于计算对流散热功率；

第二处理模块104，用于计算辐射散热功率；

第三处理模块105，用于计算日照发热功率；

载流量测算模块106，用于测算载流量。

本系统中具体计算方法及过程如上述架空线路非接触式载流量测算方法中所述。

应用实例

下面以某地区110kV供电断面为例，该断面通过双回线路向本地负荷以及下一级线路供电，其中架空线路的型号是2×LGJ-300/25(二分裂导线)，电气接线图如图2所示。

以供电断面的2017年7月27日为例(当天处在极端高温天气下)，其环境预测参数如图3虚线所示，该日实际的环境温度和风速数据如图3实线所示。

在连续高温天气下，当系统通过双回线路向负荷供电，基于实际气象环境参数计算的动态载流量与实际日负荷电流如图4的实线所示。

当前电力系统对本专利提出解决问题的手段是安装电流互感器测量，然后再通过电流实际值进行，由于电流互感器的安装需要停电进行，安装成本和维护成本较高，实时过程不方便，本发明仅通过激光测温传感器非接触式测量架空线路温升参数；之后，利用IEEE标准热平衡方程对比分析架空线路电流大小与温度的计算后，利用本发明提出的公式计算获得载流量。实施方便，成本低，操作简便。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种架空线路非接触式载流量测算方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤(1)，测量架空线路温升参数；所述的温升参数指的是线路导线本体表面温度T；

步骤(2)，测量架空线路的环境参数；

步骤(3)，对流散热功率的计算：对流散热功率取强迫对流散热功率和自然对流散热功率中的最大值，具体如下：

强迫对流散热功率：

λ_F是空气导热系数，T为导线表面温度，℃；T_a为环境温度，℃，

为风向角为δ_ω时的努塞尔数，K_an为风向修正系数；

其中：

为风向角为δ_ω时的风速，单位为m/s，ρ_F为空气密度，kg/m³；V空气的动态粘度，kg/(m·s)；H为导线的海拔高度，m；D为导体外径，单位m；

表示风与导线轴的夹角；

自然对流散热功率：q_cN＝3.645ρ_F ^0.5D^0.75(T-T_a)^1.25 ⑤

q_c＝max{q_cN，q_cF} ⑥

步骤(4)，辐射散热功率的计算：

辐射散热功率：q_r＝πDσ_Bε[(T+237)⁴-(T_a+237)⁴] ⑦

其中，ε是导线表面的辐射系数，σ_B为斯特藩—玻尔兹曼常数；

步骤(5)，日照发热功率的计算：

q_s＝αDQ_s sinθ，α为导线吸热系数，Qs为导线所处地区海拔高度上的太阳辐射功率密度，W/m²；θ为太阳光入射方向与导线走向之间夹角，rad；

步骤(6)，载流量测算：

根据公式

因此，将④⑤⑥⑦代入即可得到载流量；其中，I为载流量，r为导线的温度为T时导线单位长度交流电阻值，Ω/m。

2.根据权利要求1所述的架空线路非接触式载流量测算方法，其特征在于，步骤(1)中，线路导线本体表面温度利用激光测温传感器非接触式测量。

3.根据权利要求2所述的架空线路非接触式载流量测算方法，其特征在于，利用激光测温传感器非接触式测量时，间隔1米以上测量5个测点，去掉最大值和最小值，剩余3个数据取平均值作为测量值T。

4.根据权利要求1所述的架空线路非接触式载流量测算方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的环境参数包括海拔、风速、空气温度、动态粘度及光照。

5.根据权利要求1所述的架空线路非接触式载流量测算方法，其特征在于，光亮导线ε为0.23～0.43，涂黑色防腐剂的导线或者旧线ε为0.90～0.95。

6.根据权利要求1所述的架空线路非接触式载流量测算方法，其特征在于，σ_B＝5.67×10^-8。

7.根据权利要求1所述的架空线路非接触式载流量测算方法，其特征在于，若强迫对流散热功率较大，有q_c＝q_cF，即

将④代入得到载流量为：

8.根据权利要求1所述的架空线路非接触式载流量测算方法，其特征在于，。

若自然对流散热功率较大，有q_c＝q_cN，即

将④代入得到载流量为：

9.一种架空线路非接触式载流量测算系统，其特征在于，包括：

温升参数测量模块，用于测量架空线路温升参数；

环境参数测量模块，用于测量架空线路的环境参数；

第一处理模块，用于计算对流散热功率；

第二处理模块，用于计算辐射散热功率；

第三处理模块，用于计算日照发热功率；

载流量测算模块，用于测算载流量。

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