CN116050060A - 绝缘导线融冰热路模型建立方法 - Google Patents

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CN116050060A CN202211449614.9A CN202211449614A CN116050060A CN 116050060 A CN116050060 A CN 116050060A CN 202211449614 A CN202211449614 A CN 202211449614A CN 116050060 A CN116050060 A CN 116050060A
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毛新果
朱思国
周秀冬
朱远
朱俊玮
蔡翔
李子昂
陈泽弘
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State Grid Hunan Electric Power Co Ltd
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Abstract

本发明涉及电气工程技术领域，公开一种绝缘导线融冰热路模型建立方法，以指导绝缘导线现场融冰，提高配网安全性。方法包括：将融冰前、融冰时、融冰后共三个阶段等效为不同的热路传导过程，建立一个完整的热路模型，模拟绝缘导线融冰动态及稳态过程；在该热路模型中，导线内热阻、绝缘层热阻、覆冰传导热阻和空气换热热阻以从内到外发散的顺序串联，将导线热容、覆冰热容与融冰潜热支路之间并联，并在达到稳态的时候，忽略热容的影响；根据该热路模型在不同阶段的等效电路求解融冰过程的关键参数，该关键参数至少包括最小融冰电流、最大融冰电流和融冰时间。

Description

绝缘导线融冰热路模型建立方法
技术领域
本发明涉及电气工程技术领域，尤其涉及一种绝缘导线融冰热路模型建立方法。
背景技术
与传统裸导线相比，架空绝缘导线由于增加了外部绝缘层，可以减少相间短路故障的发生，并防止导体被腐蚀，从而有利于增加线路的使用寿命，提高配电系统的安全性和可靠性，并有效降低触电和死亡的风险。因此，架空绝缘导线在配电网中得到了广泛的应用。但由于外部绝缘层的增加，架空绝缘导线在实际运行过程中表面温度低于裸导线，因此在微地形微气候区域发生覆冰事故的可能性更大。由于覆冰引起线路的过荷载、舞动等，又会进一步造成倒杆断线等事故。例如，江西庐山地区就出现过绝缘导线覆冰导致倒杆断线事故的情况。为了降低上述情况对配网供电造成的安全威胁，对架空绝缘导线进行直流融冰是目前最有效的解决方法。因此，架空绝缘导线在不同环境条件下的融冰特性是配网融冰除冰技术应用时必须重点考虑和研究的一部分。
目前，融冰特性的研究多针对裸导线开展，对绝缘导线的相关研究还比较薄弱。例如，有研究建立了模拟导线直流融冰时的椭圆覆冰物理及数学模型，并通过仿真分析了其表面温度分布的动态变化过程。另外，有学者通过建立裸导线短路电流融冰的物理过程，提出了融冰时间、融冰电流和融冰导线表面最高温度的计算方法，并分析了融冰导线的动态温度分布特征。在上述两项研究中，通过理论仿真等方式研究了影响裸导线直流融冰的各种因素，如风速、环境温度、覆冰厚度等。在人工气候室和自然覆冰试验站进行了大量的融冰试验，以验证试验结果与模拟结果的一致性。也有研究通过运用传热的基本原理，分析了输电线路直流融冰的热平衡过程，提出了临界融冰电流和融冰时间的计算模型，并通过对LGJ-70、LGJ-120等型号的裸导线进行融冰试验，验证了模型的正确性。因此，针对现有绝缘导线融冰特性研究存在的不足，迫切需要开发一种绝缘导线融冰热路模型建立方法，能够准确模拟各因素对绝缘导线融冰通流过程的影响，以更好地研究绝缘导线融冰特性，为绝缘导线实际融冰提供理论指导。
发明内容
本发明目的在于公开一种绝缘导线融冰热路模型建立方法，以绝缘导线为主体，建立直观有效的热路分析模型，研究绝缘导线融冰特性，为绝缘导线融冰装置参数设计和融冰过程中融冰电流的选择提供实践依据，从而更好地指导绝缘导线现场融冰，提高配网安全性。
为达上述目的，本发明公开的绝缘导线融冰热路模型建立方法包括：
将融冰前、融冰时、融冰后共三个阶段等效为不同的热路传导过程，建立一个完整的热路模型，模拟绝缘导线融冰动态及稳态过程；在该热路模型中，导线内热阻、绝缘层热阻、覆冰传导热阻和空气换热热阻以从内到外发散的顺序串联，将导线热容、覆冰热容与融冰潜热支路之间并联，并在达到稳态的时候，忽略热容的影响；
根据该热路模型在不同阶段的等效电路求解融冰过程的关键参数，该关键参数至少包括最小融冰电流、最大融冰电流和融冰时间。
优选地，最小融冰电流Imin的求解具体为：
Figure BDA0003951048190000021
Figure BDA0003951048190000022
其中，Tk为环境温度；RT0为等效冰层传导热阻；R0为0 ℃时导线的单位长度电阻；RT1为对流及辐射等效热阻；Pmin为临界发热功率；T0为0 ℃。
优选地，最大融冰电流Imax的求解具体为：
当风速＞2米/秒时：
Figure BDA0003951048190000023
当风速≤2米/秒时：
Figure BDA0003951048190000024
其中，Σi为辐射系数，d为导线直径；Tmax为导线内表面最高温度；V为风速。
优选地，融冰时间Tr的求解具体为：
Figure BDA0003951048190000025
其中，D为导体覆冰后的外径；g0为冰的比重；b为冰层厚度；Δt为导体温度外界气温之差；Ir为融冰电流。
本发明具有以下有益效果：
结合绝缘导线本身及环境的物理条件约束，通过将绝缘导线融冰动态过程等效为各个热路元件的组合，从而更直观准确地研究最小融冰电流、最大融冰电流、融冰时间等融冰过程的关键参数，为绝缘导线融冰提供理论指导。
下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明实施例公开的绝缘导线融冰过程等效热路模型。
图2为融冰过程中热平衡态时的简化融冰等效热路模型；其中，图2A为正在融冰时，图2B为融冰但不化时。
图3覆冰融化后的绝缘导线通流发热模型。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例1
本实施例公开一种绝缘导线融冰热路模型建立方法。基于覆冰绝缘导线内外结构、热量传导过程、温度场分布、温度约束条件等物理本质，建立了覆冰绝缘导线融冰过程等效热路模型。为实现前述目标，本发明所提的解决方案是将融冰前、融冰时、融冰后共三个阶段等效为不同的热路传导过程，建立一个完整的热路模型，模拟绝缘导线融冰动态及稳态过程。
本实施例原理是：从能量传递角度分析，导线通流后产生的焦耳热等效为一个发热源，热量传递到金属芯表皮使其温度上升，热量再从内部金属芯传递到绝缘层，从而向外部发散。由于金属芯本身有一定热阻性且其温度的上升不是骤然变化的，因此用导线内热阻以及导线热容来等效。热量传递到绝缘层的外表皮，绝缘层外表皮吸收热量后升温，因此在这里用绝缘热阻来等效。同时，绝缘层的表面处于覆冰状态，冰层温度从环境温度上升到0℃也需要吸收热量，因此用覆冰热容来等效。这里的模型是对绝缘导线融冰动态过程的模拟，在达到稳态的时候，就不再考虑热容的影响。热量通过覆冰层向外传递，因此用覆冰传导热阻来模拟这一过程，覆冰层越厚，相对来说热阻越大，散热越困难，最后用空气换热热阻等效辐射及对流扩散情况下传递出去的热量。即，
1、绝缘导线融冰模型
从能量角度分析，绝缘导线通流产生的焦耳热主要消耗在五部分：(1)导线自身升温吸收热量；(2)绝缘层升温吸收热量；(3)覆冰层升温吸收热量；(4)覆冰融化吸收热量；(5)热量通过辐射和对流扩散到空气中。在融冰过程中，裸导线通流后产生的焦耳热经覆冰层即可向外部空气传导，同时融化覆冰；相对于裸导线，绝缘导线在结构上增加了一层绝缘层，因而绝缘导线内层线芯的通流发热量经绝缘层、覆冰层后向外部空气扩散，同时融化覆冰。对通流时的覆冰绝缘导线模型采用简化假设，得到绝缘导线等效热路模型如图1所示。
图中：T01为线芯温度(℃)；T02为导线表面温度(℃)；T03为覆冰层内表面温度(℃)；T04为覆冰层外表面温度(℃)；Tk为环境温度(℃)。Call为导线热容，用于表征导线从初始温度上升到融冰时吸收的热量Q01；Cice为覆冰热容，表征导线覆冰从初始温度上升到融化前温度时吸收的热量Q02；RD为线芯等效内热阻(℃·cm/W)；RJ为绝缘层热阻(℃·cm/W)；RT0为等效冰层传导热阻(℃·cm/W)。其中RT0按下式计算：
Figure BDA0003951048190000041
RT1为对流及辐射等效热阻(度.厘米/瓦)，一般按雨凇计算如下式：
Figure BDA0003951048190000042
上两式中，D为导体覆冰后的外径(cm)；d为导线直径(cm)；λ为导热系数(w/cm·℃)，取雨淞λ＝2.27×10-2；V为风速(m/s)。
从热路模型上看，绝缘导线热路模型的建立涉及覆冰层、覆冰融化过程及融化条件、空气换热等，并且相比裸导线增加了一层绝缘层热阻。
为了给绝缘导线融冰提供更好的理论指导，需要进一步对最小融冰电流、最大融冰电流、融冰时间等融冰过程的关键参数进行研究，具体如下：
【绝缘导线最小融冰电流】
根据前述模型，在热平衡状态下，当导线通流功率较小时，冰层内表面温度低于0℃，导线通流产生的焦耳热经覆冰层通过辐射和对流散热后全部扩散到空气中，此过程中覆冰不会融化；当导线通流功率大于覆冰层传导及空气换热功率时，导线总发热量中可以有剩余的部分用于融化导线内层覆冰，此时覆冰内层温度维持在0℃。藉此，可得到图2所示的融冰过程中热平衡态时的简化融冰等效热路模型；其中，图2A为正在融冰时，图2B为融冰但不化时。
根据上述临界状态，可以得到临界发热功率及最小融冰电流：
Figure BDA0003951048190000051
Figure BDA0003951048190000052
式中：Imin—最小融冰电流(A)；R0—0℃时导线的单位长度电阻(Ω/m)。
在相同线芯截面积下，因表面增加的绝缘层，绝缘导线外径变大。因此，在相同覆冰厚度下，绝缘导线的覆冰层传导热阻比裸导线要小；并且其覆冰层外表面面积增大，覆冰层与外界空气换热面积增大、向空气散热能力增强，因而换热热阻也相对减小。所以在融冰模型中其整体热阻比裸导线要小，热量更易通过对流及辐射扩散到空气中。在外界环境温度相同时，绝缘导线融冰时需要向空气中传导更大的热量才能将覆冰层内表面温度加热到零度以上，因此其最小融冰电流比裸导线大。
【绝缘导线最大融冰电流】
最大融冰电流的计算主要考虑覆冰已全部融化后的安全通流极限。当覆冰全部融化后，绝缘导线从融冰状态变为加热导线与空气接触时的散热状态，其对应热路模型如图3所示。
根据经验公式，可以得到最大融冰电流的解析计算公式：
a)当风速＞2米/秒时：
Figure BDA0003951048190000053
b)当风速≤2米/秒时：
Figure BDA0003951048190000054
上式中：Σi为辐射系数，取值如下：铜0.6，铝0.11，铁0.25。
由于融冰时导线电流远大于正常运行工况，导线内外层温差明显，为确保架空绝缘输电线路安全，一般要求其线芯及绝缘层最高允许温度不超过一定的安全裕度，例如裸导线通常按照表面温度不超过90℃来确定安全通流极限。而基于目前对于绝缘导线的研究，认为在环境温度0℃左右时，以线芯温度最高可达70℃计算，可用于融化绝缘导线覆冰，且考虑到绝缘材料的散热裕度，融冰时温度未超出绝缘材料允许的长期运行温度。所以，绝缘导线融冰时需按照导线内表面温度不超过70℃来确定安全通流极限。
【融冰时间】
融冰时间按下式进行计算：式中：Ir为融冰电流(A)；Δt为导体温度外界气温之差(℃)；g0为冰的比重(一般按雨淞取0.9)；b为冰层厚度，即覆冰每边冰厚(cm)。
Figure BDA0003951048190000061
由上式可以分析，在通过相同融冰电流即导线总发热功率相同时，绝缘导线向空气中扩散更多的热量，因此剩下用于融化覆冰的功率较裸导线少；同时，在相同导线截面和覆冰厚度下，绝缘导线的覆冰量比裸导线多，即其上覆冰融化所需总潜热更多，因此绝缘导线融冰时间比裸导线长。
综上，本实施例方法，绝缘导线融冰过程参数变化可分别用以下热路元件来等效：总发热功率、导线内热阻、导线热容、绝缘热阻来、覆冰热容、覆冰传导热阻、空气换热热阻。结合绝缘导线本身及环境的物理条件约束，通过将绝缘导线融冰动态过程等效为各个热路元件的组合，从而更直观准确地研究最小融冰电流、最大融冰电流、融冰时间等融冰过程的关键参数，为绝缘导线融冰提供理论指导。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种绝缘导线融冰热路模型建立方法，其特征在于，包括：
将融冰前、融冰时、融冰后共三个阶段等效为不同的热路传导过程，建立一个完整的热路模型，模拟绝缘导线融冰动态及稳态过程；在该热路模型中，导线内热阻、绝缘层热阻、覆冰传导热阻和空气换热热阻以从内到外发散的顺序串联，将导线热容、覆冰热容与融冰潜热支路之间并联，并在达到稳态的时候，忽略热容的影响；
根据该热路模型在不同阶段的等效电路求解融冰过程的关键参数，该关键参数至少包括最小融冰电流、最大融冰电流和融冰时间。
2.根据权利要求1所述绝缘导线融冰热路模型建立方法，其特征在于，最小融冰电流Imin的求解具体为：
Figure FDA0003951048180000011
Figure FDA0003951048180000012
其中，Tk为环境温度；RT0为等效冰层传导热阻；R0为0℃时导线的单位长度电阻；RT1为对流及辐射等效热阻；Pmin为临界发热功率；T0为0℃。
3.根据权利要求2所述绝缘导线融冰热路模型建立方法，其特征在于，最大融冰电流Imax的求解具体为：
当风速＞2米/秒时：
Figure FDA0003951048180000013
当风速≤2米/秒时：
Figure FDA0003951048180000014
其中，Σi为辐射系数，d为导线直径；Tmax为导线内表面最高温度；V为风速。
4.根据权利要求3所述绝缘导线融冰热路模型建立方法，其特征在于，融冰时间Tr的求解具体为：
Figure FDA0003951048180000015
其中，D为导体覆冰后的外径；g0为冰的比重；b为冰层厚度；Δt为导体温度外界气温之差；Ir为融冰电流。
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CN117538661A (zh) * 2023-11-20 2024-02-09 湖南防灾科技有限公司 接触网防覆冰保线电流特性的试验装置、方法及处理器

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