CN104897993A - 一种架空输电线路载流量评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种架空输电线路载流量评估方法，在杆塔上安装倾角传感器，通过导线悬挂倾角和风偏角计算导线温度，通过温度传感器测量环境温度和日照强度，通过安装在线路上的电流传感器测量导线实时负荷，利用热传递系数代表风速风向等微气候条件对导线的综合影响，最后根据导线温度模型，计算评估导线的实时最大载流量。本发明降低了现有导线温度测量方法的误差，缩短了装置设备安装时间，降低了数据分析复杂度，避免了风速风向测量不准确的问题，增加了导线载流量计算的可靠性。

Description

一种架空输电线路载流量评估方法

技术领域

本发明涉及一种架空输电线路载流量评估方法。

背景技术

随着我国经济飞速增长，电力需求急速上升，自上世纪70年代起，我国就逐步进入了电力紧缺的局面。同时，输电网络的建设又受到建设周期长、一期投资巨大、征地困难、环保问题等因素制约，尤其在用地紧张的大中城市周边，新建输电线路极为困难。在这种背景之下，提高现有电网输送能力成为亟待解决的问题之一。

对于现有线路而言，在不改变已有网络结构并确保电网安全可靠运行的前提下，根据导线的环境参数(环境温度、风速、风向、日照强度等)、导线温度和导线负荷实时评估输电线路的最大载流量，可以在保证输电线路安全稳定运行的基础上，最大限度的提升线路载流量，使许多新建线路可以缓建或者暂时不建，能很大程度上缓解负荷骤增后的输电瓶颈问题。

现有输电线路载流量评估***中，对于导线温度，一般有以下几种测量方法：通过传感器直接测量导线温度，由于导线一般很长，所处气象条件并非完全一致，因此测得某一点的温度很难代表导线的均温，且传感器所测导线表面温度与内部温度也存在一些误差；通过张力传感器测量导线张力，利用导线张力温度拟合曲线计算导线温度，这种方法可以较为准确地获得导线均温，但在一次侧安装张力计需要长时间停电，对电力***运行造成一定影响；通过图像传感器测量导线弧垂，利用弧垂温度曲线求得导线温度，这种方法只需在导线下方安装几个摄像头，但在图像处理中计算量较大且存在一定误差。对于导线载流量计算模型，现有评估***多采用气候模型，但气候条件的选取较为笼统，与导线所处的微气候条件存在一定偏差，且所需计算参数中风速风向变化一般较大，很难准确测量。

因此本***利用倾角传感器推算导线温度，基于导线温度模型，利用热传递系数代表环境温度、风速风向对导线的综合影响，利用温度传感器测量环境温度和日照强度，通过挂线的电流传感器测量负荷电流，利用导线温度、环境温度、日照强度、负荷电流评估导线实时载流量，设备安装便捷，无需测量风速风向，避免了风速风向测不准的问题，提高了计算准确性。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出了一种基于导线微气候条件(环境温度、日照强度)和导线倾角测量的架空输电线路载流量实时评估方法。

本发明的原理：

架空输电线路的载流量主要与环境因素以及导线温度、导线材料尺寸等导线自身因素有关。其计算主要根据导线的稳态热平衡方程，如下

Q_r+Q_f＝Q_s+I²R′_t    (1)

其中Q_r为辐射散热功率，Q_f为对流散热功率，Q_s为日照吸热功率，I²R′_t为导线交流电阻的发热功率。在确定导线型号即导线各项参数后，(1)式中四种功率的物理意义和计算如下。

辐射散热功率Q_r表示了导线表面的热辐射功率，与导线自身参数、导线温度T_c、环境温度T_a有关，具体计算见下式。

Q_r＝πDE₁S₁[(T_c+273)⁴-(T_a+273)⁴]    (2)

其中，D为导线外径；E₁为导线表面的热辐射散热系数，我国标准中，一般取0.9；S₁为斯特凡—包尔茨曼常数，取5.67×10^-8，W/m²；T_a、T_c为导线温度和环境温度，℃。

日照吸热功率Q_s表示了导线对日照辐射吸收的功率，与导线的尺寸和日照强度有关。

Q_s＝α_SJ_SD    (3)

其中，α_S为导线表面的吸热系数，我国标准中，一般与导线辐射系数相等；J_s为日照强度，保守起见，我国标准中，一般取为1000W/m²。

导线交流电阻的发热功率I²R′_t由导线的稳态载流量I和导线的交流电阻计算而来，导线温度为T_c时的交流电阻R(T_c)与导线温度T_c有关：

R(T_c)＝(1+k)R₂₀[1+α₂₀(T_c-20)]    (4)

其中，k为导线的集肤效应系数，与导线的横截面积有关，当横截面积不大于400mm²时，取k＝0.0025大于400mm²时，取k＝0.01；R₂₀为导线20℃时的材料温度系数，对于铝材料，可以取0.00403/℃。

对流散热功率Q_f由导线温度T_c、环境温度T_a和热传递系数h(t)计算得出，如下式。

Q_f＝h(t)(T_c-T_a)    (5)

其中，热传递系数h(t)表示了环境温度、风速、风向对对流散热功率的综合影响，在风速风向的测量不够准确是时，导线温度模型可以很好地避免其带来的误差。

在已知导线当前负荷电流I₀、导线温度T_c、环境温度T_a、日照强度J_S和导线自身参数时，可以通过将(2)、(3)、(4)式带入下式计算得出h(t)。

$h\left(t\right)=\frac{{I_0}^{2}R\left(T_c\right)+Q_s-Q_r}{T_c-T_a}---\left(6\right)$

在环境温度的风速变化不大时，热传递系数h(t)的变化极其微小，基本在千分之一以内。因此可以取导线温度为最大允许温度70℃时对应的热传递系数。

本发明的技术解决方案如下：

一种架空输电线路载流量评估方法，其特点在于，该方法包括如下步骤：

步骤S1，在铁塔上的导线侧安装倾角传感器，用以测量导线垂直投影平面内悬挂倾角θ_A和风偏角η；在导线上悬挂电流传感器，用以测量导线的负荷电流I₀；在铁塔上安装温度传感器，用以测量环境温度T_a和日照强度J_s；

步骤S2，选取导线空载、负荷电流为零I＝0时的导线状态作为初始状态，即已知状态，利用温度传感器测得环境温度为T_a0，此时的导线温度应等于环境温度，即T_c0＝T_a0，利用倾角传感器测量导线垂直投影平面内初始悬挂倾角θ_A0和初始风偏角η₀；

在导线正常运行状态，即待求状态，负荷电流不为零时，利用倾角传感器测量实时导线悬挂倾角θ_A1和实时风偏角η₁，利用温度传感器测量实时环境温度为T_a1；

步骤S3，计算初始和实时状态的导线水平应力σ₀和σ₁，公式如下：

$\tan {\mathrm{\θ}}_{A0}=\frac{{\mathrm{\γ}}_{v}l}{{2\mathrm{\σ}}_0\cos \mathrm{\β}}-\tan \mathrm{\β},$

$\tan {\mathrm{\θ}}_{A1}=\frac{{\mathrm{\γ}}_{v}l}{{2\mathrm{\σ}}_1\cos \mathrm{\β}}-\tan \mathrm{\β}$

式中，θ_A0和θ_A1为导线初始和实时状态的悬挂倾角，l为线路档距，β为高角差，可在本条线路的设计参数中查到，γ_v为垂直比载，通过下式计算

${\mathrm{\γ}}_v=\frac{9.80665q}{S}$

其中，q为单位长度导线质量，S为导线截面积；

步骤S4，计算初始和实时状态的导线综合比载γ₀和γ₁，公式如下：

${\mathrm{\γ}}_0=\frac{{\mathrm{\γ}}_v}{\cos {\mathrm{\η}}_0},$

${\mathrm{\γ}}_1=\frac{{\mathrm{\γ}}_v}{\cos {\mathrm{\η}}_1}$

式中，η₀和η₁为初始状态和实时状态的导线风偏角；

步骤S5，计算导线实时温度T_c1，公式如下：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_1-\frac{{\mathrm{E\γ}}_1^2{l}^2{\cos }^3\mathrm{\β}}{{24\mathrm{\σ}}_1^2}(1+{\tan }^2\mathrm{\β}{\sin }^2{\mathrm{\η}}_1)\\ =-\mathrm{\αE}\cos \mathrm{\β}(T_{c1}-T_{c0})+{\mathrm{\σ}}_0-\frac{{\mathrm{E\γ}}_0^2{l}^2{\cos }^3\mathrm{\β}}{{24\mathrm{\σ}}_0^2}(1+{\tan }^2{\mathrm{\β}\sin }^2{\mathrm{\η}}_0)\end{array}$

其中，σ₀和σ₁为初始和实时状态的水平应力；γ₀和γ₁为初始和实时状态的导线综合比载；η₀和η₁为初始和实时状态的导线风偏角；T_c0和T_c1为初始和实时状态下的导线温度；α为导线温度线膨胀系数；E为弹性系数；

步骤S6，利用电流传感器测量导线的实时负荷I₀，利用温度传感器测量导线实时环境温度T_a1及日照强度J_s，计算当前环境条件的导线热传递系数h(t)，公式如下：

$h\left(t\right)=\frac{{I_0}^{2}R\left(T_{c1}\right)+Q_s-Q_r(T_{c1},T_{a1})}{T_{c1}-T_{a1}}$

式中，I₀为导线实时负荷电流、T_c1、T_a1为导线实时温度和环境实时温度、R(T_c1)导线温度为T_c1时的交流电阻，Q_r(T_c1,T_a1)为辐射散热功率、Q_s为日照吸热功率；

步骤S7，用导线最高允许温度T_max替换导线实时温度T_c，计算当前状态下导线最大载流量I_max，公式如下：

$I_{\max }=\sqrt{\frac{h_{\max }\left(t\right)(T_{\max }-T_{a1})+Q_r(T_{\max },T_{a1})-Q_s}{R\left(T_{\max }\right)}}.$

根据我国规程导线最高允许温度T_max为70℃或80℃。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)通过过安装在杆塔处的倾角传感器测量导线的悬挂倾角和风偏角得到导线温度，通过温度传感器测量环境温度和日照强度，通过安装在线路上的电流传感器测量导线实时负荷，最后将导线温度、负荷、环境温度和日照强度带入导线温度模型以评估导线实时最大负荷，提高了导线温度计算的精度。

2)降低了现有导线温度测量方法的误差，降低了数据分析复杂度，增加了导线载流量计算的可靠性。

3)缩短了装置设备安装时间，避免了设备安装长时间停电和风速风向测量不准确的问题，具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明安装示意图；

图2为悬挂点不等高架空输电线路风偏受力图；

图3为架空输电线路载流量评估过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

一种架空输电线路载流量评估方法，包括如下步骤：

步骤S1，如图1所示，在铁塔上的导线侧安装倾角传感器，用以测量图2中导线的悬挂倾角θ_A和风偏角η；电流传感器悬挂在导线上，测量导线的负荷电流I₀；温度传感器安装在铁塔上，测量环境温度T_a和日照强度J_s。

步骤S2，选取导线空载，即负荷电流为零(I＝0)时的导线状态作为初始状态(已知状态)，利用温度传感器测得环境温度为T_a0，此时的导线温度应等于环境温度，即T_c0＝T_a0，利用倾角传感器测量导线垂直投影平面内初始悬挂倾角θ_A0和初始风偏角η₀；

在导线正常运行状态(待求状态)，即负荷电流不为零时，利用倾角传感器测量实时导线悬挂倾角θ_A1和实时风偏角η₁，利用温度传感器测量实时环境温度为T_a1；

步骤S3，计算初始和实时状态的导线水平应力σ₀和σ₁，公式如下：

$\tan {\mathrm{\θ}}_{A0}=\frac{{\mathrm{\γ}}_{v}l}{{2\mathrm{\σ}}_0\cos \mathrm{\β}}-\tan \mathrm{\β},\tan {\mathrm{\θ}}_{A1}=\frac{{\mathrm{\γ}}_{v}l}{{2\mathrm{\σ}}_1\cos \mathrm{\β}}-\tan \mathrm{\β}$

式中，θ_A0和θ_A1为导线初始和实时状态的悬挂倾角，l为线路档距，β为高角差，如图2所示，可在本条线路的设计参数中查到；γ_v为垂直比载，通过下式计算

${\mathrm{\γ}}_v=\frac{9.80665q}{S}$

其中，q为单位长度导线质量；S为导线截面积；

步骤S4，计算初始和实时状态的导线综合比载γ₀和γ₁，公式如下：

${\mathrm{\γ}}_0=\frac{{\mathrm{\γ}}_v}{\cos {\mathrm{\η}}_0},{\mathrm{\γ}}_1=\frac{{\mathrm{\γ}}_v}{\cos {\mathrm{\η}}_1}$

式中，η₀和η₁为初始状态和实时状态的导线风偏角；

步骤S5，计算导线实时温度T_c1，公式如下：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_1-\frac{{\mathrm{E\γ}}_1^2{l}^2{\cos }^3\mathrm{\β}}{{24\mathrm{\σ}}_1^2}(1+{\tan }^2\mathrm{\β}{\sin }^2{\mathrm{\η}}_1)\\ =-\mathrm{\αE}\cos \mathrm{\β}(T_{c1}-T_{c0})+{\mathrm{\σ}}_0-\frac{{\mathrm{E\γ}}_0^2{l}^2{\cos }^3\mathrm{\β}}{{24\mathrm{\σ}}_0^2}(1+{\tan }^2{\mathrm{\β}\sin }^2{\mathrm{\η}}_0)\end{array}$

其中，σ₀和σ₁为初始和实时状态的水平应力；γ₀和γ₁为初始和实时状态的导线综合比载；η₀和η₁为初始和实时状态的导线风偏角；T_c0和T_c1为初始和实时状态下的导线温度；α为导线温度线膨胀系数；E为弹性系数。

步骤S6，利用电流传感器测量导线的实时负荷I₀，利用温度传感器测量导线实时环境温度T_a1及日照强度J_s，计算当前环境条件的导线热传递系数h(t)，公式如下：

$h\left(t\right)=\frac{{I_0}^{2}R\left(T_{c1}\right)+Q_s-Q_r(T_{c1},T_{a1})}{T_{c1}-T_{a1}}$

式中，I₀为导线实时负荷电流、T_c1，T_a1为导线实时温度和环境实时温度、R(T_c1)导线温度为T_c1时的交流电阻，Q_r(T_c1,T_a1)为辐射散热功率、Q_s为日照吸热功率；

步骤S7，用导线最高允许温度T_max替换导线实时温度T_c，本实施例中取导线温度为最大允许温度70℃时对应的热传递系数，

h₇₀(t)≈h(t)

计算当前状态下导线最大载流量I_max，公式如下：

$I=\sqrt{\frac{h_{70}\left(t\right)(70-T_{a1})+Q_r-Q_s}{R\left(70\right)}}.$

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种架空输电线路载流量评估方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤S1，在铁塔上的导线侧安装倾角传感器，用以测量导线垂直投影平面内悬挂倾角θ_A和风偏角η；在导线上悬挂电流传感器，用以测量导线的负荷电流I₀；在铁塔上安装温度传感器，用以测量环境温度T_a和日照强度J_s；

步骤S2，选取导线空载、负荷电流为零I＝0时的导线状态作为初始状态，即已知状态，利用温度传感器测得环境温度为T_a0，此时的导线温度应等于环境温度，即T_c0＝T_a0，利用倾角传感器测量导线垂直投影平面内初始悬挂倾角θ_A0和初始风偏角η₀；

在导线正常运行状态，即待求状态，负荷电流不为零时，利用倾角传感器测量实时导线悬挂倾角θ_A1和实时风偏角η₁，利用温度传感器测量实时环境温度为T_a1；

步骤S3，计算初始和实时状态的导线水平应力σ₀和σ₁，公式如下：

$\tan {\mathrm{\θ}}_{A0}=\frac{{\mathrm{\γ}}_{v}l}{{2\mathrm{\σ}}_0\cos \mathrm{\β}}-\tan \mathrm{\β},$

$\tan {\mathrm{\θ}}_{A1}=\frac{{\mathrm{\γ}}_{v}l}{{2\mathrm{\σ}}_1\cos \mathrm{\β}}-\tan \mathrm{\β}$

式中，θ_A0和θ_A1为导线初始和实时状态的悬挂倾角，l为线路档距，β为高角差，可在本条线路的设计参数中查到，γ_v为垂直比载，通过下式计算

${\mathrm{\γ}}_v=\frac{9.80665q}{\text{S}}$

其中，q为单位长度导线质量，S为导线截面积；

步骤S4，计算初始和实时状态的导线综合比载γ₀和γ₁，公式如下：

${\mathrm{\γ}}_0=\frac{{\mathrm{\γ}}_v}{\cos {\mathrm{\η}}_0},$

${\mathrm{\γ}}_1=\frac{{\mathrm{\γ}}_v}{\cos {\mathrm{\η}}_1}$

式中，η₀和η₁为初始状态和实时状态的导线风偏角；

步骤S5，计算导线实时温度T_c1，公式如下：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_1-\frac{E{\mathrm{\γ}}_1^2{l}^2{\cos }^3\mathrm{\β}}{24{\mathrm{\σ}}_1^2}(1+{\tan }^2\mathrm{\β}{\sin }^2{\mathrm{\η}}_1)\\ =-\mathrm{\α}E\cos \mathrm{\β}(T_{c1}-T_{c0})+{\mathrm{\σ}}_0-\frac{{\mathrm{E\γ}}_0^2{l}^2{\cos }^3\mathrm{\β}}{{24\mathrm{\σ}}_0^2}(1+{\tan }^2\mathrm{\β}{\sin }^2{\mathrm{\η}}_0)\end{array}$

其中，σ₀和σ₁为初始和实时状态的水平应力；γ₀和γ₁为初始和实时状态的导线综合比载；η₀和η₁为初始和实时状态的导线风偏角；T_c0和T_c1为初始和实时状态下的导线温度；α为导线温度线膨胀系数；E为弹性系数；

步骤S6，利用电流传感器测量导线的实时负荷I₀，利用温度传感器测量导线实时环境温度T_a1及日照强度J_s，计算当前环境条件的导线热传递系数h(t)，公式如下：

$h\left(t\right)=\frac{{I_0}^{2}R\left(T_{c1}\right)+Q_s-Q_r(T_{c1},T_{a1})}{T_{c1}-T_{a1}}$

式中，I₀为导线实时负荷电流、T_c1、T_a1为导线实时温度和环境实时温度、R(T_c1)导线温度为T_c1时的交流电阻，Q_r(T_c1,T_a1)为辐射散热功率、Q_s为日照吸热功率；

步骤S7，用导线最高允许温度T_max替换导线实时温度T_c1，计算当前状态下导线最大载流量I_max，公式如下：

$I_{\max }=\sqrt{\frac{h_{\max }\left(t\right)(T_{\max }-T_{a1})+Q_r(T_{\max },T_{a1})-Q_s}{R\left(T_{\max }\right)}}.$