專利名稱：基于暫態(tài)熱路模型的架空導(dǎo)線允許電流的確定方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高壓架空輸電技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于暫態(tài)熱路模型的架空導(dǎo)線允許電流的確定方法與裝置。
背景技術(shù)：
導(dǎo)線中沒(méi)有通過(guò)電流時(shí)，其溫度與周圍介質(zhì)溫度相等；通過(guò)電流時(shí)，電阻將電能轉(zhuǎn)化為熱能，導(dǎo)線溫度高于環(huán)境溫度，再加上對(duì)流換熱、熱輻射以及日照等的影響，處于動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中。當(dāng)輸電線路負(fù)荷持續(xù)增加時(shí)，線路將出現(xiàn)過(guò)熱故障，為了防止這種現(xiàn)象發(fā)生， 出現(xiàn)了最大允許電流的概念。我國(guó)《110_500kV架空送電線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定鋼芯鋁絞線的允許溫度是 +700C (大跨越可采用+90°C )。因此，最大允許電流即指架空導(dǎo)線或者說(shuō)輸電線路運(yùn)行在氣象環(huán)境中，導(dǎo)線溫度達(dá)到+70°C時(shí)的電流。了解架空導(dǎo)線的最大允許電流，有利于充分挖掘現(xiàn)有輸電線路的輸電能力，為調(diào)度部門(mén)的調(diào)度、線路檢修、新建線路規(guī)劃等提供依據(jù)。但現(xiàn)有的最大允許電流的確定方法需要測(cè)量的參數(shù)、考慮的因素太多，如風(fēng)速、空氣密度、導(dǎo)線直徑、太陽(yáng)光有效入射角等，使得測(cè)量投入成本高、運(yùn)算復(fù)雜、結(jié)果可靠性不高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)上述問(wèn)題，提出一種基于暫態(tài)熱路模型的架空導(dǎo)線允許電流的確定方法與裝置，以減少監(jiān)測(cè)量，簡(jiǎn)化運(yùn)算過(guò)程。本發(fā)明基于暫態(tài)熱路模型的架空導(dǎo)線允許電流的確定方法，包括步驟向架空導(dǎo)線加載電流I;實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)導(dǎo)線溫度T1及導(dǎo)線周圍特定距離處的環(huán)境溫度T2 ；計(jì)算待測(cè)時(shí)刻的交流電阻R。，根據(jù)所述Ι、 \、Τ2、Κ。，采用下式計(jì)算待測(cè)時(shí)刻的環(huán)境熱阻Rx
R = Hx j2r c dTx
c x dt根據(jù)所述 \、T2、R。、Rx，釆用下式，計(jì)算待測(cè)時(shí)刻外界環(huán)境下架空導(dǎo)線的最大允許電流Iniax :
, l70-T2Imax =--
Vκκ優(yōu)選地，采用下式計(jì)算所述交流電阻Rc = ζ ΙτΚ20[1+α (Tr20)]式中，ζ和τ表示與導(dǎo)線標(biāo)準(zhǔn)截面有關(guān)的常量，a為溫度系數(shù)，R2tl表示導(dǎo)線溫度 20°C時(shí)的直流電阻。
優(yōu)選地，所述導(dǎo)線周圍特定距離具體為距導(dǎo)線表面30cm的任意位置。優(yōu)選地，所述導(dǎo)線溫度為導(dǎo)線表面溫度。本發(fā)明基于暫態(tài)熱路模型的架空導(dǎo)線允許電流的確定裝置，包括電流加載模塊，用于向架空導(dǎo)線加載電流I ;溫度監(jiān)測(cè)模塊，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)導(dǎo)線溫度T1及導(dǎo)線周圍特定距離處的環(huán)境溫度T2 ；環(huán)境熱阻確定模塊，用于計(jì)算待測(cè)時(shí)刻的交流電阻R。，根據(jù)所述I、T1, T2, R。，采用下式計(jì)算待測(cè)時(shí)刻的環(huán)境熱阻Rx 最大允許電流確定模塊，用于根據(jù)所述1\、T2, R。、Rx,采用下式，計(jì)算待測(cè)時(shí)刻外界環(huán)境下架空導(dǎo)線的最大允許電流Imax 優(yōu)選地，所述環(huán)境熱阻確定模塊還用于采用下式計(jì)算所述交流電阻Rc = ζ Γ R20 [1+ α (Τ「20)]式中，ζ和τ表示與導(dǎo)線標(biāo)準(zhǔn)截面有關(guān)的常量，α為溫度系數(shù)，R2tl表示導(dǎo)線溫度 20°C時(shí)的直流電阻。優(yōu)選地，所述導(dǎo)線周圍特定距離具體為距導(dǎo)線表面30cm的任意位置。優(yōu)選地，所述導(dǎo)線溫度為導(dǎo)線表面溫度。本發(fā)明基于暫態(tài)熱路模型的架空導(dǎo)線允許電流的確定方法，首先向架空導(dǎo)線加載電流，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)導(dǎo)線溫度及導(dǎo)線所處環(huán)境的環(huán)境溫度，并計(jì)算待測(cè)時(shí)刻的交流電阻，根據(jù)電流、導(dǎo)線溫度、環(huán)境溫度和交流電阻，采用特定的公式計(jì)算待測(cè)時(shí)刻的環(huán)境熱阻，再根據(jù)導(dǎo)線溫度、環(huán)境溫度、交流電阻和環(huán)境熱阻，采用特定的公式計(jì)算待測(cè)時(shí)刻外界環(huán)境下，導(dǎo)線溫度達(dá)到70度時(shí)的最大允許電流。對(duì)比待測(cè)時(shí)刻的實(shí)時(shí)電流和最大允許電流即可對(duì)待測(cè)時(shí)刻架空導(dǎo)線進(jìn)行相應(yīng)的增容，為負(fù)荷轉(zhuǎn)移、調(diào)度計(jì)劃等提供了依據(jù)。其中，計(jì)算環(huán)境熱阻和最大允許電流的公式是建立在暫態(tài)熱路模型基礎(chǔ)上的，只需測(cè)量導(dǎo)線溫度及導(dǎo)線所處環(huán)境溫度兩個(gè)參數(shù)并經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的運(yùn)算，即可得出最大允許電流，經(jīng)驗(yàn)證，結(jié)果的誤差在允許范圍內(nèi)。另外，本發(fā)明基于暫態(tài)熱路模型的架空導(dǎo)線允許電流的確定裝置是與上述確定方法對(duì)應(yīng)的裝置，有益效果不再贅述。


圖I是只監(jiān)測(cè)導(dǎo)線溫度的物理模型示意圖；圖2是監(jiān)測(cè)導(dǎo)線溫度和導(dǎo)線所處環(huán)境溫度的物理模型示意圖；圖3是圖I對(duì)應(yīng)的熱路|旲型不意圖；圖4是圖2對(duì)應(yīng)的熱路|旲型不意圖；圖5是本發(fā)明架空導(dǎo)線允許電流確定方法的模型基礎(chǔ)-暫態(tài)熱路模型示意圖；圖6是本發(fā)明基于暫態(tài)熱路模型的架空導(dǎo)線允許電流的確定方法的流程示意圖；圖7是本發(fā)明基于暫態(tài)熱路模型的架空導(dǎo)線允許電流的確定裝置的結(jié)構(gòu)示意圖8是本發(fā)明基于暫態(tài)熱路模型的架空導(dǎo)線允許電流的確定方法的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)裝置不意圖；圖9是24h內(nèi)環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)速、太陽(yáng)輻射、導(dǎo)線溫度的測(cè)量值及最大允許電流的計(jì)算值示意圖。
具體實(shí)施例方式為了實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化運(yùn)算的目的，發(fā)明人首先構(gòu)建了架空導(dǎo)線的暫態(tài)熱路模型，從而推導(dǎo)出最大允許電流的公式。下面從模型建立開(kāi)始詳細(xì)解釋本發(fā)明。由導(dǎo)線熱平衡方程可知導(dǎo)線吸收的熱量包括導(dǎo)線自身的發(fā)熱、日照吸熱，散熱包括對(duì)流換熱以及熱輻射。由電場(chǎng)中電壓、電阻、電容與熱路中的溫度差、熱阻、熱容之間的
對(duì)應(yīng)的關(guān)系，可以以導(dǎo)線為核心建立相應(yīng)的熱路模型。當(dāng)只監(jiān)測(cè)導(dǎo)線表面溫度Tl時(shí)，導(dǎo)線的物理模型如圖I所示，監(jiān)測(cè)導(dǎo)線表面溫度Tl 以及導(dǎo)線周圍的環(huán)境溫度T2的物理模型如圖2所示。對(duì)應(yīng)于圖1、2的物理模型，可得以架空導(dǎo)線為中心的熱路模型，如圖3、4所示。圖3、4中，F(xiàn)(t)為日照吸熱所等效的熱流量，該部分隨天氣情況、地理位置、時(shí)間而變化，但對(duì)于某一具體位置的導(dǎo)線某一段時(shí)間范圍內(nèi)可以認(rèn)為是不變的。I\、T2*別為導(dǎo)線溫度、導(dǎo)線所處環(huán)境溫度，Rx為導(dǎo)線到T2監(jiān)測(cè)點(diǎn)的熱阻，Cx2為鋼芯鋁絞線鋁的熱容，Cxl為鋼芯鋁絞線鋼芯的熱容。Rn、Cn為環(huán)境T2點(diǎn)以外的熱阻、熱容，Φ。= I2R。為導(dǎo)線自身發(fā)熱量，Rc為導(dǎo)線溫度T1時(shí)的交流電阻。由3、4對(duì)比可知，由于圖3只有一個(gè)導(dǎo)線表面溫度T1，根據(jù)模型無(wú)法求解Rx。同時(shí)，由于在一定時(shí)間范圍內(nèi)導(dǎo)線周圍環(huán)境溫度T2可以認(rèn)為不變，根據(jù)測(cè)量！\、T2兩點(diǎn)溫度， 圖4模型是可以求解的，所以本發(fā)明選擇了監(jiān)測(cè)兩點(diǎn)溫度的熱路模型進(jìn)行研究。監(jiān)測(cè)點(diǎn)T2距離導(dǎo)線的距離不宜太近或太遠(yuǎn)，太近則受到導(dǎo)線自身溫度的影響，太遠(yuǎn)又不足以表征導(dǎo)線所處環(huán)境的環(huán)境溫度。作為一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例，取單位長(zhǎng)度的架空導(dǎo)線以及距離導(dǎo)線表面30cm處的T2監(jiān)測(cè)點(diǎn)為研究對(duì)象。對(duì)于導(dǎo)線LGJ-240/30，所選位置的空氣等效集中熱容為導(dǎo)線熱容的35倍，所以在本發(fā)明中，環(huán)境熱容可以忽略不計(jì)。當(dāng)導(dǎo)線的吸熱與散熱兩者達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，也即導(dǎo)線溫度基本穩(wěn)定，此時(shí)導(dǎo)線熱容不起作用。因?yàn)?，日照吸熱?duì)載流量的影響只在I. 2%以內(nèi)，所以在此忽略不計(jì)?；蛘呖紤]當(dāng)沒(méi)有日照時(shí)，F(xiàn)(t)為零，此時(shí)對(duì)應(yīng)的暫態(tài)熱路模型如圖5所示。在圖5所示模型基礎(chǔ)上，根據(jù)傳熱學(xué)的基本理論，可得環(huán)境熱阻及最大允許電流的公式
T -T
R -I 2⑴" j2R c dTx
c~ x dt T l70-T2
100491 7- = J 瓦(2)式⑵中的70表示70°C。有了上述兩個(gè)公式，即可對(duì)最大允許電流進(jìn)行計(jì)算。本發(fā)明基于暫態(tài)熱路模型的架空導(dǎo)線允許電流的確定方法，如圖6所示，按照以下步驟進(jìn)行
步驟I、向架空導(dǎo)線加載電流I ;步驟2、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)導(dǎo)線溫度T1及導(dǎo)線周圍特定距離處的環(huán)境溫度T2 ；步驟3、計(jì)算待測(cè)時(shí)刻的交流電阻R。，根據(jù)所述I、T1, T2, R。，采用式⑴計(jì)算待測(cè)時(shí)刻的環(huán)境熱阻Rx;步驟4、根據(jù)所述1\、T2, R。、Rx，采用式(2)，計(jì)算待測(cè)時(shí)刻外界環(huán)境下架空導(dǎo)線的最大允許電流Iniax。本發(fā)明基于暫態(tài)熱路模型的架空導(dǎo)線允許電流的確定裝置是與上述方法對(duì)應(yīng)的裝置，如圖7所示,包括電流加載模塊，用于向架空導(dǎo)線加載電流I ;溫度監(jiān)測(cè)模塊，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)導(dǎo)線溫度T1及導(dǎo)線周圍特定距離處的環(huán)境溫度T2 ；環(huán)境熱阻確定模塊，用于計(jì)算待測(cè)時(shí)刻的交流電阻R。，根據(jù)所述I、T1, T2, R。，采用
(I)式計(jì)算待測(cè)時(shí)刻的環(huán)境熱阻Rx 最大允許電流確定模塊，用于根據(jù)所述TpT2H，采用⑵式，計(jì)算待測(cè)時(shí)刻外界環(huán)境下架空導(dǎo)線的最大允許電流1_。如圖7所示，本確定裝置各模塊的連接關(guān)系如下環(huán)境熱阻確定模塊分別與電流加載模塊、溫度監(jiān)測(cè)模塊、最大允許電流確定模塊相連，最大允許電流確定模塊再分別與電流加載模塊和溫度監(jiān)測(cè)模塊相連。由各模塊的功能可知，電流加載模塊、溫度監(jiān)測(cè)模塊、環(huán)境熱阻確定模塊和最大允許電流確定模塊分別與上述確定方法的步驟I、步驟2、步驟3和步驟4相對(duì)應(yīng)。下面上述確定方法為例所作的說(shuō)明同樣適用于本確定裝置。由于交流電阻的運(yùn)算比較復(fù)雜，摩爾根公式不僅考慮因素比較多，而且存在較大誤差。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)可知，交直流電阻比與電流成非線性關(guān)系，可以簡(jiǎn)化交流電阻的計(jì)算， 計(jì)算過(guò)程如式(3)、(4)所示，其中β = ζΓ。通過(guò)計(jì)算可知采用該算法與摩爾根標(biāo)準(zhǔn)公式計(jì)算結(jié)果相對(duì)誤差在I. 4%以內(nèi)。當(dāng)導(dǎo)線標(biāo)準(zhǔn)截面確定后，ζ和τ都是常量。Rd = R2(l[l+a (T「20)](3)Rc = β Rd(4)綜合式⑶、⑷可得式(5)Rc = ζ 11R20 [1+a (Tr20) ](5)式中，ζ和τ表示與導(dǎo)線標(biāo)準(zhǔn)截面有關(guān)的常量，α為溫度系數(shù)，Rd表示直流電阻， R20表示導(dǎo)線溫度20°C時(shí)的直流電阻。作為一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例，所述導(dǎo)線溫度為導(dǎo)線表面溫度。為了驗(yàn)證架空導(dǎo)線暫態(tài)熱路模型的正確性及其應(yīng)用場(chǎng)合，證明架空導(dǎo)線增容的可行性，設(shè)計(jì)了架空導(dǎo)線暫態(tài)熱路模型驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)裝置如圖8所示。實(shí)驗(yàn)裝置主要由5部分構(gòu)成無(wú)功補(bǔ)償電容、調(diào)壓器、升流器、試驗(yàn)線路(型號(hào)為 LGJ-240/30)、自動(dòng)氣象站。在室外、室內(nèi)裝設(shè)有導(dǎo)線溫度與導(dǎo)線環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)。其中 LGJ-240/30實(shí)驗(yàn)導(dǎo)線的基本參數(shù)如表I所示，其額定電流為445A。表I LJG-240/30導(dǎo)線基本參數(shù)
權(quán)利要求
1.一種基于暫態(tài)熱路模型的架空導(dǎo)線允許電流的確定方法，其特征在于，包括步驟 向架空導(dǎo)線加載電流I ;實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)導(dǎo)線溫度T1及導(dǎo)線周圍特定距離處的環(huán)境溫度T2 ；計(jì)算待測(cè)時(shí)刻的交流電阻R。，根據(jù)所述Ι、 \、Τ2、Κ。，采用下式計(jì)算待測(cè)時(shí)刻的環(huán)境熱阻
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于暫態(tài)熱路模型的架空導(dǎo)線允許電流的確定方法，其特征在于，采用下式計(jì)算所述交流電阻
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的基于暫態(tài)熱路模型的架空導(dǎo)線允許電流的確定方法，其特征在于，所述導(dǎo)線周圍特定距離具體為距導(dǎo)線表面30cm的任意位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的基于暫態(tài)熱路模型的架空導(dǎo)線允許電流的確定方法，其特征在于，所述導(dǎo)線溫度為導(dǎo)線表面溫度。
5.一種基于暫態(tài)熱路模型的架空導(dǎo)線允許電流的確定裝置，其特征在于，包括電流加載模塊，用于向架空導(dǎo)線加載電流I ;溫度監(jiān)測(cè)模塊，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)導(dǎo)線溫度T1及導(dǎo)線周圍特定距離處的環(huán)境溫度T2 ；環(huán)境熱阻確定模塊，用于計(jì)算待測(cè)時(shí)刻的交流電阻R。，根據(jù)所述I、T1, T2, R。，采用下式計(jì)算待測(cè)時(shí)刻的環(huán)境熱阻Rx:
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于暫態(tài)熱路模型的架空導(dǎo)線最大允許電流的確定裝置，其特征在于，所述環(huán)境熱阻確定模塊還用于采用下式計(jì)算所述交流電阻
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的基于暫態(tài)熱路模型的架空導(dǎo)線允許電流的確定裝置，其特征在于，所述導(dǎo)線周圍特定距離具體為距導(dǎo)線表面30cm的任意位置。
8.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的基于暫態(tài)熱路模型的架空導(dǎo)線允許電流的確定裝置，其特征在于，所述導(dǎo)線溫度為導(dǎo)線表面溫度。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于暫態(tài)熱路模型的架空導(dǎo)線允許電流的確定方法與裝置，首先向架空導(dǎo)線加載電流，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)導(dǎo)線溫度及導(dǎo)線所處環(huán)境的環(huán)境溫度，若想了解某一時(shí)刻的最大允許電流，則計(jì)算此時(shí)的交流電阻，再采用特定的公式，依次計(jì)算待測(cè)時(shí)刻的環(huán)境熱阻、交流電阻，以及待測(cè)時(shí)刻外界環(huán)境下導(dǎo)線溫度達(dá)到70度時(shí)的最大允許電流。對(duì)比待測(cè)時(shí)刻實(shí)時(shí)電流和最大允許電流即可對(duì)架空導(dǎo)線進(jìn)行相應(yīng)的增容，為負(fù)荷轉(zhuǎn)移、調(diào)度計(jì)劃等提供依據(jù)。其中，計(jì)算環(huán)境熱阻和最大允許電流的公式是建立在暫態(tài)熱路模型基礎(chǔ)上的，只需測(cè)量導(dǎo)線溫度及導(dǎo)線所處環(huán)境溫度兩個(gè)參數(shù)并經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的運(yùn)算，即可得出最大允許電流，經(jīng)驗(yàn)證，結(jié)果的誤差在允許范圍內(nèi)。
文檔編號(hào)G01R19/00GK102590594SQ20121005950
公開(kāi)日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年3月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月7日
發(fā)明者劉剛, 張鳴, 阮班義 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué), 廣東電網(wǎng)公司佛山供電局