本發(fā)明屬于線路仿真，尤其涉及一種基于集總參數(shù)熱網(wǎng)絡(luò)模型的gil溫升快速計(jì)算方法。

背景技術(shù)：

1、氣體絕緣輸電線路（gas-insulated?transmission?lines，gil）因其高可靠性、低電磁場干擾、大容量傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，在特定場合下成為傳統(tǒng)架空線路和電纜的有力替代方案。

2、為了確保電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，在投運(yùn)前需對輸電線路溫升特性進(jìn)行深入分析，從而合理調(diào)整導(dǎo)體的載流量，使得導(dǎo)體截面利用率最大化，并為設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)提供反饋指導(dǎo)。溫升特性直接影響輸電線路負(fù)載能力、熱穩(wěn)定性、絕緣性能及設(shè)備使用壽命。相較于傳統(tǒng)架空線路和電纜，gil因其結(jié)構(gòu)特殊性和工作原理使得溫升計(jì)算面臨著更多挑戰(zhàn)。gil的溫升不僅受負(fù)載大小、材料損耗和絕緣介質(zhì)特性等因素的影響，還與散熱條件、環(huán)境溫度及導(dǎo)體布置方式密切相關(guān)，計(jì)算過程尤為復(fù)雜。因此，gil溫升特性的深入研究，對于確保gil截面利用率最大化、保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行、提高輸電效率、降低成本以及推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步等方面具有重要意義。

3、目前現(xiàn)有技術(shù)對溫升特性的主流研究方法包括實(shí)驗(yàn)測量法、解析計(jì)算法和數(shù)值模擬法。其中，實(shí)驗(yàn)測量法通過搭建gil輸電模型，模擬gil實(shí)際運(yùn)行情況下的溫升效果并進(jìn)行測量，但該方法局限性較強(qiáng)、成本較高，應(yīng)用不廣泛。解析計(jì)算法主要基于gil的熱回路特性，構(gòu)建等值熱回路模型，通過計(jì)算導(dǎo)體及外殼的電阻、絕緣氣體的熱阻來估算gil溫升，但目前尚無熱特性解析計(jì)算的規(guī)程規(guī)范。

4、數(shù)值模擬技術(shù)包含熱網(wǎng)絡(luò)模型（thermal?network?models，tnm）和計(jì)算流體力學(xué)（computational?fluid?dynamics，cfd）方法。

5、熱網(wǎng)絡(luò)法以少量節(jié)點(diǎn)溫升為求解對象建立熱力學(xué)微分方程，將線纜及周圍環(huán)境簡化為一個(gè)電路網(wǎng)絡(luò)模型，通過構(gòu)建熱平衡方程來確定gil各個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫升。cfd仿真采用有限元法、有限體積法或時(shí)域有限差分法求解電磁-流-熱耦合偏微分方程，通過ansys、comsol等仿真軟件建立gil多場耦合模型，對gil的熱場及電場進(jìn)行模擬計(jì)算，相比之下該方法計(jì)算量較大、耗時(shí)較長，且需要多學(xué)科知識儲備。但是，解析計(jì)算法簡單但計(jì)算精度不夠，cfd利用多學(xué)科交叉耦合使得計(jì)算過程復(fù)雜，計(jì)算結(jié)果精度高但所需計(jì)算資源過多，工程應(yīng)用困難?，F(xiàn)有技術(shù)中多利用comsol仿真結(jié)果模擬熱源，并未對gil系統(tǒng)的氣體對流參數(shù)、趨膚效應(yīng)因子和其他關(guān)鍵變量進(jìn)行統(tǒng)一整合，未真正發(fā)揮熱網(wǎng)絡(luò)法節(jié)省計(jì)算時(shí)間與資源的優(yōu)勢。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種基于集總參數(shù)熱網(wǎng)絡(luò)模型的gil溫升快速計(jì)算方法，以解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于集總參數(shù)熱網(wǎng)絡(luò)模型的gil溫升快速計(jì)算方法，包括：

3、根據(jù)氣體絕緣輸電線路，構(gòu)建集總參數(shù)熱網(wǎng)絡(luò)模型；其中所述集總參數(shù)熱網(wǎng)絡(luò)模型為氣體絕緣輸電線路中的熱傳遞過程類比的電路的模型；

4、構(gòu)建所述集總參數(shù)熱網(wǎng)絡(luò)模型的模型控制方程，其中所述模型控制方程用于對所述氣體絕緣輸電線路進(jìn)行迭代溫升計(jì)算；

5、獲取氣體絕緣輸電線路的初始參數(shù)，其中所述初始參數(shù)包括幾何參數(shù)、電磁參數(shù)及熱參數(shù)，通過所述模型控制方程對初始參數(shù)進(jìn)行迭代計(jì)算，得到氣體絕緣輸電線路溫升計(jì)算結(jié)果。

6、可選的，所述集總參數(shù)熱網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建過程包括：

7、獲取所述氣體絕緣輸電線路的基本結(jié)構(gòu)，對將所述基本結(jié)構(gòu)中的物理性質(zhì)轉(zhuǎn)換到截面的體節(jié)點(diǎn)上，并獲取體節(jié)點(diǎn)上的熱傳遞路徑，通過熱阻、熱容和熱流源將所述熱傳遞路徑進(jìn)行具象化，得到具象化結(jié)構(gòu)，對具象化結(jié)構(gòu)進(jìn)行等效及降階，得到集總參數(shù)熱網(wǎng)絡(luò)模型；其中將氣體域的對流與固體間的輻射分別等效為熱阻，將金屬吸熱過程的溫度滯后等效為熱容，將損耗等效為熱流源。

8、可選的，其中所述模型控制方程包括：氣體絕緣輸電線路中導(dǎo)體與殼體的集膚效應(yīng)系數(shù)計(jì)算方程、導(dǎo)體和殼體運(yùn)行溫度下的直流電阻計(jì)算方程、殼體與導(dǎo)體的損耗計(jì)算方程及集總參數(shù)熱網(wǎng)絡(luò)模型的差分方程。

9、可選的，通過所述模型控制方程對初始參數(shù)進(jìn)行迭代計(jì)算的過程包括：

10、通過集膚效應(yīng)系數(shù)計(jì)算方程對初始參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得到導(dǎo)體與殼體的集膚效應(yīng)系數(shù)；

11、根據(jù)導(dǎo)體與殼體的集膚效應(yīng)系數(shù)和初始參數(shù)，通過直流電阻計(jì)算方程計(jì)算得到導(dǎo)體和殼體運(yùn)行溫度下的直流電阻；

12、根據(jù)導(dǎo)體和殼體運(yùn)行溫度下的直流電阻及集膚效應(yīng)系數(shù)，通過損耗計(jì)算方程，得到殼體與導(dǎo)體的損耗；

13、根據(jù)所述殼體與導(dǎo)體的損耗，通過集總參數(shù)熱網(wǎng)絡(luò)模型的差分方程計(jì)算得到下一時(shí)刻的導(dǎo)體和殼體的節(jié)點(diǎn)溫度信息；

14、根據(jù)下一時(shí)刻的導(dǎo)體和殼體的節(jié)點(diǎn)溫度信息重復(fù)上述計(jì)算過程，得到氣體絕緣輸電線路溫升計(jì)算結(jié)果。

15、可選的，所述集膚效應(yīng)系數(shù)計(jì)算方程為：

16、

17、其中，為導(dǎo)體集膚效應(yīng)系數(shù)，為殼體集膚效應(yīng)系數(shù)，和分別為導(dǎo)體內(nèi)半徑與外半徑，和分別為殼體內(nèi)半徑與外半徑。

18、可選的，直流電阻計(jì)算方程為：

19、

20、其中，和分別為導(dǎo)體和殼體運(yùn)行溫度下的直流電阻，和分別為導(dǎo)體和殼體環(huán)境溫度下的直流電阻，由參考電阻率計(jì)算得到，和分別為導(dǎo)體和殼體的電阻率溫度系數(shù)。

21、可選的，損耗計(jì)算方程為：

22、

23、其中，i為導(dǎo)體通入的交變電流有效值。

24、可選的，集總參數(shù)熱網(wǎng)絡(luò)模型的差分方程為：

25、

26、其中，i-1為上一時(shí)刻，i為當(dāng)前時(shí)刻，為導(dǎo)體溫度節(jié)點(diǎn)，為gil上部絕緣氣體域的特征溫度，為gil頂部殼體溫度，為環(huán)境溫度，為導(dǎo)體熱容，為殼體熱容，為導(dǎo)體損耗，為殼體上部損耗，表示絕緣氣體上部分的熱對流阻力，表示上部分導(dǎo)體與殼體間的熱輻射阻力，表示殼體上部分空氣域的熱對流阻力，表示殼體上部分對空氣域的熱輻射阻力。

27、可選的，在計(jì)算得到下一時(shí)刻的導(dǎo)體和殼體的節(jié)點(diǎn)溫度信息之前還包括：

28、獲取計(jì)算參數(shù)，計(jì)算參數(shù)包括：導(dǎo)體與殼體對流熱阻，導(dǎo)體與殼體輻射熱阻、殼體與外界環(huán)境對流熱阻、殼體與外界輻射換熱及導(dǎo)體與殼體熱容；通過所述計(jì)算參數(shù)對集總參數(shù)熱網(wǎng)絡(luò)模型的差分方程進(jìn)行計(jì)算。

29、可選的，獲取氣體絕緣輸電線路的初始參數(shù)之后包括：

30、通過有限元法對所述氣體絕緣輸電線路進(jìn)行多場耦合建模，得到多場耦合模型，通過多場耦合模型對所述氣體絕緣輸電線路進(jìn)行仿真。

31、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)效果：

32、針對gil溫升特性計(jì)算精度與復(fù)雜度難以平衡問題，提出了一種集總參數(shù)熱網(wǎng)絡(luò)（lumped-parameter?thermal?network，lptn）模型，該模型考慮了重力和浮力共同影響下絕緣氣體的分布式熱對流，通過整合對流參數(shù)、趨膚效應(yīng)因子和其他關(guān)鍵變量，將重力和浮力影響下的氣體對流效應(yīng)簡化為等效熱傳導(dǎo)項(xiàng)。通過分析傳熱機(jī)制和熱路徑來定義體節(jié)點(diǎn)，形成lptn模型的基于熱電類比的結(jié)構(gòu)框架。然后，基于基本物理原理，通過時(shí)域分析推導(dǎo)出模型控制方程。將lptn模型計(jì)算結(jié)果與樣機(jī)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗(yàn)證了模型的可行性，并在不同的電流等級下研究了gil溫升特性，為其發(fā)熱評估和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。