CN117439176A - 自然环境条件下确定架空输电导线动态允许载流量的方法 - Google Patents

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CN117439176A CN202311353906.7A CN202311353906A CN117439176A CN 117439176 A CN117439176 A CN 117439176A CN 202311353906 A CN202311353906 A CN 202311353906A CN 117439176 A CN117439176 A CN 117439176A
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Abstract

本发明公开了自然环境条件下确定架空输电导线动态允许载流量的方法，首先根据自然环境条件，在给定环境参数、线路结构参数、导线参数下确定架空输电导线的辐射散热功率、对流散热功率和日照吸热功率，然后根据确定的辐射散热功率、对流散热功率和日照吸热功率计算确定架空输电导线动态允许载流量。本发明可以实时、精确地确定动态环境条件下运行导线的最大允许载流量，结果可直接为输电线路调度相关部门提供参考，在保证导线安全运行前提下最大限度地发挥其载流能力。

Description

自然环境条件下确定架空输电导线动态允许载流量的方法
技术领域
本发明涉及一种自然环境条件下确定架空输电导线动态允许载流量的方法。
背景技术
夏季高温大负荷期间，易出现输电通道断面过载、线路重过载运行、线路发热缺陷以及交跨距离裕度不足等现象，严重威胁着线路的安全稳定运行，此期间线路实时载流量的合理调度就显得尤为重要。然而传统的载流量计算方法针对的是确定的环境条件，未考虑设备实际运行状况以及实际环境条件影响，计算结果不能准确表征不同环境条件下的设备载流能力。因此，亟需提出一种综合考虑多种环境参数影响的实时线路载流量计算方法，为高温大负荷期间输电线路运维和负荷调度提供依据，保证其长久安全稳定运行。
发明内容
本发明的目的是提出一种自然环境条件下确定架空输电导线动态允许载流量的方法，克服了现有GB规范在日照吸热功率部分计算精度较低的问题；考虑了多种实时环境参数对导线自身热交换过程的影响，可以准确表征导线的实时载流能力，为输电线路负荷调度提供依据，进而保证设备在极端环境下安全高效运行。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
自然环境条件下确定架空输电导线动态允许载流量的方法，首先根据自然环境条件，在给定环境参数、线路结构参数、导线参数下确定架空输电导线的辐射散热功率、对流散热功率和日照吸热功率，然后根据确定的辐射散热功率、对流散热功率和日照吸热功率计算确定架空输电导线动态允许载流量，其中：
所述辐射散热功率通过公式一计算得到；
WR＝πDE1S1[(θs+273.15)4-(θa+273.15)4] 公式一
其中：
D为导线外径(m)；
E1为导线表面的辐射散热系数；
S1为斯特凡-包尔茨曼常数,为5.67×10-8(W/m2)；
θs为导线的长期允许运行温度(℃)；
θa为环境温度(℃)；
所述对流散热功率通过公式二计算得到：
WF＝max(WF,0,WF,L,WF,H) 公式二
其中：
风速为零时的自然对流散热功率；
WF,L＝Kangle(1.01+1.35Re0.52)kair(θs-θa) 风速较低时的强制对流散热功率；
WF,H＝0.754KangleRe0.6kair(θs-θa) 风速较高时的强制对流散热功率；
为风向角因子；
为空气导热系数；
为考虑海拔高度的空气密度(kg/m3)；
为空气动力粘度(kg//(m·s))；
为导线与空气边界层的平均温度(℃)；
Re为雷诺数；
V为有效环境风速(m/s)，即垂直于导线走向的风速；
为风向与导线之间的夹角；
He为导线的海拔高度(m)，取导线2端挂线点绝对高度的平均值；
风速较低：是指雷诺数Re处于[0.1,1000]区间；
风速较高：是指雷诺数Re处于(1000,50000]区间；
所述日照吸热功率通过公式三计算得到：
Ws＝αsQsesin(β)A' 公式三
其中：
β＝arccos[cosHc×cos(Zc-ZL)]，为太阳光入射的有效角(°)；
Hc＝arcsin(cosLat×cosδ×cosω+sinLatsinδ)，为太阳高度角(°)，即太阳光线与当地地平线所交的线面角；
Zc＝S+arctanχ，为太阳方位角(°)，指太阳光线在地面上的投影与所在地的子午线的夹角；
δ＝23.458sin([(284+N)/365×360])；
ω＝15(T-12)；
χ＝sinω/(sinLatcosω-cosLattanδ)；
Qse＝KsolarQs，为日照辐射强度(W/m2)；
Ksolar＝1+1.148×10-4He-1.108×10-8He 2，为太阳高度角的修正系数；
为总辐射热流率；
为导线的方位角(°)；
αs为导线表面的吸热系数；
A’为单位长度导线的投影面积(m2)，即：A’＝D，D为导线外径(m)；
J1、J2和W1、W2分别为导线2侧挂线点所在位置的经纬度；
Lat为导线所处位置的纬度(°),可以采用导线2侧杆塔的纬度平均值；
δ为太阳赤纬角(°)，即地球赤道平面与太阳和地球中心的连线之间的夹角，在-23.45°～23.45°的范围内变化；
ω为相对于正午的小时角(°)；
χ为太阳方位角变量；
N为一年中第几天；
T为一天中的时刻；
S为太阳方位角常数；
所述架空输电导线动态允许载流量通过公式四计算得到：
其中：
R(θs)＝(1+l)RDC；
RDC＝R20[1+α20(θs-20)]；
I为导线的实时允许载流量(A)；
R(θs)为摄氏温度为θs时的交流电阻(Ω/m)；
RDC为温度θs时的导线直流电阻(Ω/m)；
R20为导线温度20℃时的直流电阻(Ω/m)；
α20为20℃时的导线电阻温度系数(℃-1)；
R(θs)为摄氏温度为θs时的交流电阻(Ω/m)；
l为集肤效应系数。
方案进一步是：所述环境参数包括：环境温度，环境风速、风向；
所述线路结构参数包括：导线所处位置2侧挂线点的经纬度、海拔高度和相对于地面的垂直高度；
所述导线参数；包括导线外径、导线截面积、20℃时的导线电阻温度系数、温度20℃时的导线直流电阻。
方案进一步是：在公式一中：
所述导线表面的辐射散热系数：对于光亮的新线取值为0.23～0.43，旧线或涂黑色防腐剂的线取值为0.90～0.95。
方案进一步是：在公式三中：
所述导线表面的吸热系数：对于光亮的新线取值为0.35～0.46，旧线或涂黑色防腐剂的线取值为0.9～0.95；
所述太阳方位角常数根据表1取值：
表1
所述总辐射热流率根据表2取值：
表2
其中：
干净的大气：是指空气污染指数API处于[0,100]区间内；
工业大气：是指空气污染指数API超过100。
方案进一步是：在公式四中：
所述集肤效应系数：导线截面小于或等于400mm2时，取值为0.0025；导线截面大于400mm2时，取值为0.01。
本发明的有益效果是：提供多环境因素作用下确定架空输电导线动态载流量的方法，可以实时、精确地确定动态环境条件下运行导线的最大允许载流量，结果可直接为输电线路调度相关部门提供参考，在保证导线安全运行前提下最大限度地发挥其载流能力。
其一方面通过引入太阳运动规律预测模型，克服了现有GB规范在日照吸热功率部分计算精度较低的问题；另一方面，通过综合考虑多种实时环境参数对载流导线辐射散热、对流散热、日照吸热和自身发热等热交换过程的影响，实现设备载流能力的实时准确表征，可以准确表征导线的实时载流能力，为输电线路负荷调度提供依据，进而保证设备在极端环境下安全高效运行。
下面结合附图和实施例对本发明作详细描述。
附图说明
图1为本发明方法总体流程示意图。
具体实施方式
自然环境条件下确定架空输电导线动态允许载流量的方法，所述方法如图1所示的步骤S1至S6，首先根据自然环境条件，在给定环境参数、线路结构参数、导线参数下确定架空输电导线的辐射散热功率、对流散热功率和日照吸热功率，然后根据确定的辐射散热功率、对流散热功率和日照吸热功率计算确定架空输电导线动态允许载流量。所述的环境参数主要包括：环境温度，环境风速、风向、天气情况以及大气环境清洁程度情况；线路结构参数主要包括：导线所处位置2侧挂线点的经纬度、海拔高度和相对于地面的垂直高度，以及导线参数；导线参数具体包括电气、机械参数，包括：导线外径、导线截面积、20℃时的导线电阻温度系数、导线温度20℃时的直流电阻。
其中：
所述辐射散热功率通过公式一计算得到；
WR＝πDE1S1[(θs+273.15)4-(θa+273.15)4] 公式一
其中：
D为导线外径(m)；
E1为导线表面的辐射散热系数；
S1为斯特凡-包尔茨曼常数,为5.67×10-8(W/m2)；
θs为导线的长期允许运行温度(℃)；
θa为环境温度(℃)；
所述对流散热功率通过公式二计算得到：
WF＝max(WF,0,WF,L,WF,H) 公式二
其中：
风速为零时的自然对流散热功率；
WF,L＝Kangle(1.01+1.35Re0.52)kair(θs-θa) 风速较低时的强制对流散热功率；
WF,H＝0.754KangleRe0.6kair(θs-θa) 风速较高时的强制对流散热功率；
为风向角因子；
为空气导热系数；
为考虑海拔高度的空气密度(kg/m3)；
为空气动力粘度(kg/(m·s))；
为导线与空气边界层的平均温度(℃)；
Re为雷诺数；
V为有效环境风速(m/s)，即垂直于导线走向的风速；
为风向与导线之间的夹角；
He为导线的海拔高度(m)，取导线2端挂线点绝对高度的平均值；
风速较低：是指雷诺数Re处于[0.1,1000]区间；
风速较高：是指雷诺数Re处于(1000,50000]区间；
所述日照吸热功率通过公式三计算得到：
Ws＝αsQsesin(β)A' 公式三
其中：
β＝arccos[cosHc×cos(Zc-ZL)]，为太阳光入射的有效角(°)；
Hc＝arcsin(cosLat×cosδ×cosω+sinLatsinδ)，为太阳高度角(°)，即太阳光线与当地地平线所交的线面角；
Zc＝S+arctanχ，为太阳方位角(°)，指太阳光线在地面上的投影与所在地的子午线的夹角；
δ＝23.458sin([(284+N)/365×360])；
ω＝15(T-12)；
χ＝sinω/(sinLatcosω-cosLattanδ)；
Qse＝KsolarQs，为日照辐射强度(W/m2)；
Ksolar＝1+1.148×10-4He-1.108×10-8He 2，为太阳高度角的修正系数；
为总辐射热流率；
为导线的方位角(°)；
αs为导线表面的吸热系数；
A’为单位长度导线的投影面积(m2)，即：A’＝D，D为导线外径(m)；
J1、J2和W1、W2分别为导线2侧挂线点所在位置的经纬度；
Lat为导线所处位置的纬度(°),可以采用导线2侧杆塔的纬度平均值；
δ为太阳赤纬角(°)，即地球赤道平面与太阳和地球中心的连线之间的夹角，在-23.45°～23.45°的范围内变化；
ω为相对于正午的小时角(°)；
χ为太阳方位角变量；
N为一年中第几天；
T为一天中的时刻；
S为太阳方位角常数；
所述架空输电导线动态允许载流量通过公式四计算得到：
其中：
R(θs)＝(1+l)RDC；
RDC＝R20[1+α20(θs-20)]；
I为导线的实时允许载流量(A)；
R(θs)为摄氏温度为θs时的交流电阻(Ω/m)；
RDC为温度θs时的导线直流电阻(Ω/m)；
R20为导线温度20℃时的直流电阻(Ω/m)；
α20为20℃时的导线电阻温度系数(℃-1)；
R(θs)为摄氏温度为θs时的交流电阻(Ω/m)；
l为集肤效应系数。
实施例中：
所述辐射散热功率计算公式一是基于Stefan-Boltzmann定律(四次方定律)建立的载流导线允许运行温度与周围环境实时温度之间的热量交换关系式。
所述对流散热功率计算公式二是基于Newton对流换热公式，分别计算自然对流散热功率和低、高风速下的强制对流散热功率，并取三者中的最大值作为载流导线的实时对流散热能力上限，采用的单位长度导线对流散热功率。
所述日照吸热功率计算公式三是基于标准IEEE Std 738TM-2012中太阳运动规律预测模型，并结合环境实时气象情况和大气清洁度对载流导线实时吸热量进行计算，采用的单位长度导线日照吸热功率。
所述架空输电导线动态允许载流量通过公式四是基于热力学第零定律(热平衡定律)，在动态环境参数下建立载流导线发热量与散热量的实时热平衡关系，进而得到导线的动态最大允许载流量。
在公式一中：
所述导线表面的辐射散热系数：对于光亮的新线取值为0.23～0.43，旧线或涂黑色防腐剂的线取值为0.90～0.95。
在公式三中：
所述导线表面的吸热系数：对于光亮的新线取值为0.35～0.46，旧线或涂黑色防腐剂的线取值为0.9～0.95；
所述太阳方位角常数根据表1取值：
表1
所述总辐射热流率根据表2取值：
表2
其中：
干净的大气：是指空气污染指数API处于[0,100]区间内；
工业大气：是指空气污染指数API超过100。
在公式四中：
所述集肤效应系数：导线截面小于或等于400mm2时，取值为0.0025；导线截面大于400mm2时，取值为0.01。
上述实施例通过综合考虑多种实时环境参数对载流导线辐射散热、对流散热、日照吸热和自身发热等热交换过程的影响，实现设备载流能力的实时准确表征。通过引入太阳运动规律预测模型，克服了现有GB规范在日照吸热功率部分计算精度较低的问题。
实施例所提计算方法可以实时、精确地计算动态环境条件下运行导线的最大允许载流量，结果可直接为输电线路调度相关部门提供参考，在保证导线安全运行前提下最大限度地发挥其载流能力。本实施例适用于各类复杂环境下的架空输电线路动态载流量计算，计算效率、精度高，可以直接作为线路负荷调度的参考依据。

Claims (5)

1.自然环境条件下确定架空输电导线动态允许载流量的方法，其特征在于，首先根据自然环境条件，在给定环境参数、线路结构参数、导线参数下确定架空输电导线的辐射散热功率、对流散热功率和日照吸热功率，然后根据确定的辐射散热功率、对流散热功率和日照吸热功率计算确定架空输电导线动态允许载流量，其中：
所述辐射散热功率通过公式一计算得到；
WR＝πDE1S1[(θs+273.15)4-(θa+273.15)4]公式一
其中：
D为导线外径(m)；
E1为导线表面的辐射散热系数；
S1为斯特凡-包尔茨曼常数,为5.67×10-8(W/m2)；
θs为导线的长期允许运行温度(℃)；
θa为环境温度(℃)；
所述对流散热功率通过公式二计算得到：
WF＝max(WF,0,WF,L,WF,H)公式二
其中：
风速为零时的自然对流散热功率；
WF,L＝Kangle(1.01+1.35Re0.52)kair(θs-θa)风速较低时的强制对流散热功率；
WF,H＝0.754KangleRe0.6kair(θs-θa)风速较高时的强制对流散热功率；
为风向角因子；
为空气导热系数；
为考虑海拔高度的空气密度(kg/m3)；
为空气动力粘度(kg/m·s))；
为导线与空气边界层的平均温度(℃)；
Re为雷诺数；
V为有效环境风速(m/s)，即垂直于导线走向的风速；
为风向与导线之间的夹角；
He为导线的海拔高度(m)，取导线2端挂线点绝对高度的平均值；
风速较低：是指雷诺数Re处于[0.1,1000]区间；
风速较高：是指雷诺数Re处于(1000,50000]区间；
所述日照吸热功率通过公式三计算得到：
Ws＝αsQsesin(β)A'公式三
其中：
β＝arccos[cosHc×cos(Zc-ZL)]，为太阳光入射的有效角(°)；
Hc＝arcsin(cosLat×cosδ×cosω+sinLatsinδ)，为太阳高度角(°)，即太阳光线与当地地平线所交的线面角；
Zc＝S+arctanχ，为太阳方位角(°)，指太阳光线在地面上的投影与所在地的子午线的夹角；
δ＝23.458sin([(284+N)/365×360])；
ω＝15(T-12)；
χ＝sinω/(sinLatcosω-cosLattanδ)；
Qse＝KsolarQs，为日照辐射强度(W/m2)；
Ksolar＝1+1.148×10-4He-1.108×10-8He 2，为太阳高度角的修正系数；
为总辐射热流率；
为导线的方位角(°)；
αs为导线表面的吸热系数；
A’为单位长度导线的投影面积(m2)，即：A’＝D，D为导线外径(m)；
J1、J2和W1、W2分别为导线2侧挂线点所在位置的经纬度；
Lat为导线所处位置的纬度(°),可以采用导线2侧杆塔的纬度平均值；
δ为太阳赤纬角(°)，即地球赤道平面与太阳和地球中心的连线之间的夹角，在-23.45°～23.45°的范围内变化；
ω为相对于正午的小时角(°)；
χ为太阳方位角变量；
N为一年中第几天；
T为一天中的时刻；
S为太阳方位角常数；
所述架空输电导线动态允许载流量通过公式四计算得到：
其中：
R(θs)＝(1+l)RDC；
RDC＝R20[1+α20(θs-20)]；
I为导线的实时允许载流量(A)；
R(θs)为摄氏温度为θs时的交流电阻(Ω/m)；
RDC为温度θs时的导线直流电阻(Ω/m)；
R20为导线温度20℃时的直流电阻(Ω/m)；
α20为20℃时的导线电阻温度系数(℃-1)；
R(θs)为摄氏温度为θs时的交流电阻(Ω/m)；
l为集肤效应系数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述环境参数包括：环境温度，环境风速、风向；
所述线路结构参数包括：导线所处位置2侧挂线点的经纬度、海拔高度和相对于地面的垂直高度；
所述导线参数；包括导线外径、导线截面积、20℃时的导线电阻温度系数、温度20℃时的导线直流电阻。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在公式一中：
所述导线表面的辐射散热系数：对于光亮的新线取值为0.23～0.43，旧线或涂黑色防腐剂的线取值为0.90～0.95。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在公式三中：
所述导线表面的吸热系数：对于光亮的新线取值为0.35～0.46，旧线或涂黑色防腐剂的线取值为0.9～0.95；
所述太阳方位角常数根据表1取值：
表1
所述总辐射热流率根据表2取值：
表2
其中：
干净的大气：是指空气污染指数API处于[0,100]区间内；
工业大气：是指空气污染指数API超过100。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在公式四中：
所述集肤效应系数：导线截面小于或等于400mm2时，取值为0.0025；导线截面大于400mm2时，取值为0.01。
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