CN109033689B - 基于直流加热电源的自制热输电导线均匀功率设计方法 - Google Patents

Abstract

一种基于直流加热电源的自制热输电导线均匀功率设计方法。自制热输电导线均匀分为2n个任意偶数段单元导线，分段处为节点。导线内导体和外导体之间加有直流电源，负极为电位参考点，电位参考点与外导体连接。均匀功率设计含运行参数计算、运行参数选择和加热材料电阻率计算。运行参数计算时，先对编号为1的节点电流、电压进行计算，然后依次计算出导线的对应分布参数。本发明通过功率均匀设计，采用分段改变加热材料的电阻率，实现整体导线各处均匀加热，防冰融冰效果更好。

Description

基于直流加热电源的自制热输电导线均匀功率设计方法

(一)技术领域

本发明涉及一种电力输电线的在线融冰方法，特别是一种基于直流加热电源的自制热输电导线均匀功率设计方法。

(二)背景技术

随着社会经济的发展，在不断增加电力负荷应用的环境下，对裸露在外的电力线路要求愈来愈高。而在寒冷的冬季，不少地区的线路都会结冰，造成线路的损坏。当结冰超过线路的承受力时，就会发生断线等严重事故。所以，冬季的电力输电线除冰是必不可少，十分重要的。在现有技术中，融冰技术在不断提高。申请号CN201610867150.1《一种自融冰导体以及融冰设备》和申请号CN201810370549.8《嵌入绝缘导热材料的自制热导体和制热设备及其实现方法》公开了两种不同类型的输电线路在线融冰方法，对现有融冰技术有极大提高。但是上述专利文件没有说明在线防冰融冰的工作参数计算方法，特别是基于直流加热电源的自制热输电导线均匀功率的工作参数计算方法,而通过分段改变加热材料的电阻率实现功率均匀设计、从而实现整体导线各处均匀加热，对输电线路在线防冰融冰具有针对性、指导意义，防冰融冰效果进一步增强。

(三)发明内容

在CN201610867150.1《一种自融冰导体以及融冰设备》公开的输电导线，可以实施防冰与融冰工作。通过在内导体与外导体之间加入电源，让嵌入的加热材料产生热量，以实施防冰和融冰作业。本发明的目的是在实施防冰和融冰作业时，计算分析导线工作状态，指导输电线路在线防冰融冰工作状态，使得导线防冰融冰状态可控，并有助于电网的稳定性分析。本发明采用基于直流加热电源的自制热输电导线均匀功率设计方法，通过分段改变加热材料的电阻率，实现整体导线各处均匀加热。本说明书中，“制热”与“加热”具有相同含义。

本发明的目的是这样达到的：

一种基于直流加热电源的自制热输电导线均匀功率设计方法，自制热输电导线的内导体和外导体之间嵌有加热材料，其特征在于：

在自制热输电导线加入直流电源，为自制热导线提供能源，电源加在内导体和外导体之间；直流电源正极与内导体连接。

将长度为La的自制热输电导线均匀分为任意偶数段，设总的分段数为2n，每段长度为Ld,Ld＝La/2n，分段后的每段导线称为单元导线；单元导线编号用自然数表示，为1，2，3，4，……2n-3，2n-2，2n的整数。

导线分段处用虚线表示，虚线称为节点，节点编号用自然数表示，为1，2，3，4，……2n-3，2n-2，2n-1的整数，节点共2n-1个。

直流电源的电压用Vin表示，直流电源负极为电位参考点，电位参考点与外导体连接；每个单元导线上内导体和外导体流过的电流相等，取单元导线内导体电压为导线上平均电压。设单元导线上，内导体两端电阻为Rr,外导体两端电阻为Rw,单元导线内、外导体电阻之和为Rs,Rs＝Rr+Rw。内、外导体之间测量的单元导线制热材料的电阻为R_h。

基于直流加热电源的自制热输电导线均匀功率设计分析含运行参数计算、运行参数选择和单元导线内外导体电阻之和Rs计算与加热材料电阻率计算。

选择2n-1个节点中任一节点编号，设编号为i，选择2n个单元导线中任一单元导线，设编号为i，对如下参数进行分析：

运行参数计算时，先对节点编号为1的电流单元导线内导体和外导体流过的节点电流Ig(1)、节点编号为1节点的单元导线内导体节点电压V(1)、单元导线内、外导体电阻之和Rs进行计算，然后计算各个单元导线的分布参数，包括节点编号为i的单元导线内导体和外导体流过的节点电流Ig(i)，编号为i的单元导线上加热材料流过的电流I_h(i)、节点编号为i的单元导线内导体电压V(i)和编号为i的单元导线加热材料电阻率ρ_h(i)；

所述运行参数选择：

直流电源电压Vin和内、外导体之间测量的单元导线制热材料的电阻Rh(i)的优化选择。

在将自制热输电导线均匀分为每段长度为Ld的2n个单元导线中，离电源最近的单元导线编为2n号，离电源最远的单元导线变为1号，1号单元导线与2n号之间单元导线按序列依次递增，分别编号为2，3，4，……2n-3，2n-2，2n-1。

离电源最近的节点编号为2n-1，离电源最远的节点编号为1；从节点1开始往电源方向的节点编号依次递增，分别为2，3，4，……,2n-4,2n-3,2n-2。

设节点编号为i的单元导线内导体节点电压用V(i)表示；节点编号为i的单元导线内导体和外导体流过的节点电流用Ig(i)表示，编号为i的单元导线上加热材料流过的电流为I_h(i)；以编号为i的节点为界，到1号单元导线之间的导线在节点i处内导体外导体之间的综合节点电阻用R(i)表示；对于编号为i的单元导线，内导体和外导体之间嵌入加热材料后，从内导体和外导体测量得到的单元导线加热材料的电阻为Rh(i)；

运行参数计算是：

设单元导线制热功率为W_min，则节点1的电路参数计算方法如式(3-1)，

其他节点单元导线的参数计算如式(3-2～3-3)：

所述初始运行参数选择是：

进行单元导线内外导体电阻之和Rs计算与加热材料电阻率计算时，设r₁表示内导体的半径，r₂表示加热材料包裹内导体后的半径，r₃表示外导体包裹加热材料后整个导线的半径，r₁、r₂、r₃的单位为米；

内导体横截面积用Sr表示，单位为平方米，外导体横截面积用Sw表示，单位为平方米；则：

(1)单元导线内外导体电阻和Rs计算：

设内导体电阻率为ρ_r，设外导体电阻率为ρ_w，；电阻率单位为欧姆·米；

(2)加热材料电阻率计算：

设编号为i的单元导线加热材料电阻率为ρ_h(i),电阻率单位为欧姆·米；

运行参数计算的具体步骤是：

第一步：设置内导体和外导体允许流过最大电流Imax,最小电源电压Vmin,单元导线总功率Wmin,每次计算电压递增Vstep；

第二步：根据式(3-4)计算编号为1的节点电压V(1)；

第三步：根据式(3-4)计算从内导体和外导体测量得到的编号为1的单元导线加热材料的电阻为Rh(1)；

第四步：计算根据式(3-1)至式(3-3)计算电路分布参数：节点编号为i的单元导线内导体和外导体流过的节点电流I_g(i)、节点编号为i的单元导线内导体节点电压V(i)和编号为i的单元导线加热材料的电阻Rh(i)；i＝1、2、3、4……、2n-1；

第五步：判断Ig(2n-1)是否小于Imax，是：转到第六步，否，转到第七步；

第六步：判断V(2n-1)是否大于Vmin，是：结束，否，转到第七步；

第七步：V(1)＝V(1)+Vstep，转到第三步。

上述运算结束后，Vin＝R_sI_g(2n-1)+V(2n-1)。

本发明的积极效果是：通过分析输电导线工作状态，指导输电导线的设计和运行，有利于防冰融冰工作指导，有利于分析电能质量，有利于电网安全稳定运行。功率均匀设计方法，能够通过分段改变加热材料的电阻率，实现整体导线各处均匀加热，防冰融冰效果更好。操作更简单可靠。

(四)附图说明

图1是将自制热输电导线分段并在内导体和外导体之间加入直流电源后，各导线参数示意图。

图2是分布参数计算步骤图。

图3是本发明所用导线的截面示意图。

图中，1内导体、2加热材料、3外导体。

(五)具体实施方式

本发明所涉及的自制热输电导线，是根据专利CN201610867150.1《一种自融冰导体以及融冰设备》的方法设计的自融冰导线。所分析的整根导线加热材料为分段不同属性的材料，加热材料电阻率根据功率需求分段计算。

将长度为La的自制热输电导线均匀分为任意偶数段，设总的分段数为2n，则每段长度为Ld,Ld＝La/2n，将分段后的导线称为单元导线。La为任意长度输电导线，n为非零的自然数。

参见附图1。

将长度为La的自制热输电导线均匀分为任意偶数段，设总的分段数为2n，每段长度为Ld,分段后的每段导线称为单元导线。单元导线编号用自然数表示，为1，2，3，4，……2n-3，2n-2，2n的整数。

导线分段处用虚线表示，虚线称为节点，节点编号用自然数表示，为1，2，3，4，……2n-3，2n-2，2n-1的整数，节点共2n-1个。

选择2n-1个节点中任一节点编号，设编号为i，选择2n个单元导线中任一单元导线，设编号为i。设单元导线上，内导体两端电阻为Rr,外导体两端电阻为Rw,单元导线内外导体电阻和为Rs,Rs＝Rr+Rw；内导体和外导体之间嵌入加热材料，从内导体和外导体测量得到的编号为i的单元导线加热材料的电阻为R_h(i)；

在自制热输电导线加入直流电源，为自制热导线提供能源，电源加在导体和外导体之间。直流电源负极为电位参考点，电位参考点与外导体连接。直流电源正极与内导体连接。

根据图1，将单元导线编号，离电源最近的单元导线编号为2n号，离电源最远的单元导线编号为1号。1号单元导线与2n号之间单元导线按序列依次递增，分别编号为2，3，4，……2n-3，2n-2，2n-1。编号为2n-1的节点为编号为2n的单元导线与编号为2n-1的单元导线的分界处，离电源最远的节点编号为1，为编号为2的单元导线与编号为1的单元导线的分界处；从节点1开始往电源方向的节点编号依次递增，分别为2，3，4，……,2n-4,2n-3,2n-2,2n-1。

每个单元导线上内导体和外导体流过的电流相等，节点编号为i的单元导线内导体和外导体流过的节点电流用Ig(i)表示；取单元导线内导体电压为导线上平均电压，节点编号为i的单元导线内导体节点电压用V(i)表示；节点为i的单元导线上加热材料流过的电流为I_h(i)；以编号为i的节点为界，到1号单元导线之间的导线在节点i处内导体外导体之间的综合节点电阻用R(i)表示。对于编号为i的单元导线，内导体和外导体之间嵌入加热材料，从内导体和外导体测量得到的单元导线加热材料的电阻为Rh(i)。

直流电源的电压用Vin表示，直流电源负极为电位参考点，电位参考点与外导体连接；每个单元导线上内导体和外导体流过的电流相等，取单元导线内导体电压为导线上平均电压。

基于直流加热电源的自制热输电导线均匀功率设计分析含运行参数计算、运行参数选择和单元导线内外导体电阻之和Rs、单元导线加热材料的电阻Rh(i)计算与单元导线加热材料的电阻率ρ_h(i)计算。

所述运行参数计算时，先对节点编号为1的单元导线内导体和外导体流过的节点电流Ig(1)、节点编号为1的单元导线内导体节点电压V(1)、编号为1的单元导线上加热材料流过的电流I_h(i)；然后计算出各个单元导线的分布参数，节点编号为i的单元导线内导体和外导体流过的节点电流Ig(i)，编号为i的单元导线上加热材料流过的电流I_h(i)、编号为i节点的单元导线内导体节点电压V(i)和编号为i单元导线加热材料的电阻Rh(i)；编号为i单元导线加热材料的加热材料电阻率ρ_h(i)。

设单元导线制热总功率为W_min，则节点1的电路参数计算方法如式(3-1)，

其他节点单元导线单元导线的参数计算如式(3-2～3-3)：

运行参数选择：

内导体和外导体允许流过最大电流为I_max，最小电源电压V_min，单元导线加热材料总功率W_min，每次计算电压递增为Vstep参数的选择根据实验和计算机仿真确定。

参见附图2。

运行参数计算的具体步骤是：

第一步：设置内导体和外导体允许流过最大电流Imax,最小电源电压Vmin,单元导线制热总功率Wmin,每次计算电压递增Vstep；

第二步：根据式(3-1)计算编号为1的节点电压V(1)；

第三步：根据式(3-4)计算从内导体和外导体测量得到的编号为1的单元导线加热材料的电阻为Rh(1)；

第四步：计算根据式(3-1)至式(3-3)计算电路分布参数：节点编号为i的单元导线内导体节点电压V(i)；节点编号为i的单元导线内导体和外导体流过的节点电流Ig(i)，编号为i的单元导线加热材料的电阻Rh(i)；i＝1、2、3、4……、2n-1；

第五步：判断Ig(2n-1)是否小于Imax，是：转到第六步，否，转到第七步；

第六步：判断V(2n-1)是否大于Vmin，是：结束，否，转到第七步；

第七步：V(1)＝V(1)+Vstep，转到第三步。

上述运算结束后，

Vin＝R_sI_g(2n-1)+V(2n-1)

参见附图3。

本发明采用的根据CN201610867150.1《一种自融冰导体以及融冰设备》的方法设计的嵌入均匀加热材料的自制热输电导线，其截面结构如图3所示。

其中，r₁表示内导体的半径，r₂表示加热材料包裹内导体后的半径，r₃表示外导体包裹嵌入材料后整个导线的半径，r₁、r₂、r₃的单位为米；

内导体横截面积用Sr表示，单位为平方米，外导体横截面积用Sw表示，单位为平方米，则：

(1)单元导线内外导体电阻和Rs计算：

设内导体电阻率为ρ_r，设外导体电阻率为ρ_w，电阻率单位为欧姆·米；

(2)加热材料电阻率计算：

设编号为i的单元导线加热材料电阻率为ρ_h(i),电阻率单位为欧姆·米；

Claims (5)

1.一种基于直流加热电源的自制热输电导线均匀功率设计方法，自制热输电导线的内导体和外导体之间嵌有加热材料，其特征在于：

在自制热输电导线加入直流电源，为自制热导线制热提供能源，直流电源加在内导体和外导体之间；直流电源正极与内导体连接；

将长度为La的自制热输电导线均匀分为任意偶数段，设总的分段数为2n，每段长度为Ld,Ld＝La/2n，分段后的每段导线称为单元导线；单元导线编号用自然数表示，为1，2，3，4，……2n-3，2n-2，2n的整数；

导线分段处用虚线表示，虚线称为节点，节点编号用自然数表示，为1，2，3，4，……2n-3，2n-2，2n-1的整数，节点共2n-1个；

直流电源的电压用Vin表示，直流电源负极为电位参考点，电位参考点与外导体连接；每个单元导线上内导体和外导体流过的电流相等，取单元导线内导体电压为导线上平均电压；设单元导线上，内导体两端电阻为Rr,外导体两端电阻为Rw,单元导线内外导体电阻和为Rs,Rs＝Rr+Rw；内、外导体之间测量的单元导线制热材料的电阻为R_h；

基于直流加热电源的自制热输电导线均匀功率设计分析含运行参数计算、运行参数选择和单元导线内、外导体电阻之和Rs计算与加热材料电阻率计算：

选择2n-1个节点中任一节点编号，设编号为i，选择2n个单元导线中任一单元导线，设编号为i，对如下参数进行分析：

运行参数计算时，先对节点编号为1的单元导线内导体和外导体流过的节点电流Ig(1)、节点编号为1的单元导线内导体节点电压V(1)、单元导线内、外导体电阻之和Rs进行计算，然后计算出各单元导线的分布参数，包括节点编号为i的单元导线内导体和外导体流过的节点电流Ig(i)，编号为i的单元导线上加热材料流过的电流I_h(i)、节点编号为i的单元导线内导体节点电压V(i)和节点编号为i单元导线加热材料的电阻Rh(i)；编号为i单元导线的加热材料电阻率ρ_h(i)；

所述运行参数选择是直流电源电压Vin和内、外导体之间测量的单元导线制热材料的电阻R_h(i)的优化选择；

设节点编号为i的单元导线内导体节点电压用V(i)表示；节点编号为i的单元导线内导体和外导体流过的节点电流用Ig(i)表示，编号为i的单元导线上加热材料流过的电流为I_h(i)；以编号为i的节点为界，到1号单元导线之间的导线在节点i处内导体外导体之间的综合节点电阻用R(i)表示；对于编号为i的单元导线，内导体和外导体之间嵌入加热材料后，从内导体和外导体测量得到的单元导线加热材料的电阻为R_h(i)；

运行参数计算时，先进行节点1的电路参数计算：

设单元导线制热总功率为W_min，则节点1的电路参数计算方法如式(3-1)，

其他节点单元导线的参数计算如式(3-2～3-3)：

2.如权利要求1所述的基于直流加热电源的自制热输电导线均匀功率设计方法，其特征在于：在将自制热输电导线均匀分为每段长度为Ld的2n个单元导线中，离电源最近的单元导线编为2n号，离电源最远的单元导线编为1号，1号单元导线与2n号之间单元导线按序列依次递增，分别编号为2，3，4，……2n-3，2n-2，2n-1；

离电源最近的节点编号为2n-1，离电源最远的节点编号为1；从节点1开始往电源方向的节点编号依次递增，分别为2，3，4，……,2n-4,2n-3,2n-2,2n-1。

3.如权利要求1所述的基于直流加热电源的自制热输电导线均匀功率设计方法，其特征在于：初始运行参数选择是：

4.如权利要求1所述的基于直流加热电源的自制热输电导线均匀功率设计方法，其特征在于：进行单元导线内、外导体电阻之和Rs计算与加热材料电阻率计算时，设r₁表示内导体的半径，r₂表示加热材料包裹内导体后的半径，r₃表示外导体包裹加热材料后整个导线的半径，r₁、r₂、r₃的单位为米；

内导体横截面积用Sr表示，单位为平方米，外导体横截面积用Sw表示，单位为平方米；则：

(1)单元导线内外导体电阻和Rs计算：

设内导体电阻率为ρ_r，设外导体电阻率为ρ_w，电阻率单位为欧姆·米；

(2)加热材料电阻率计算：

设编号为i的单元导线加热材料电阻率为ρ_h(i),电阻率单位为欧姆·米；

5.如权利要求1所述的基于直流加热电源的自制热输电导线均匀功率设计方法，其特征在于：运行参数计算的具体步骤是：

第一步：设置内导体和外导体允许流过最大电流Imax,最小电源电压Vmin,单元导线制热总功率Wmin,每次计算电压递增Vstep；

第二步：根据式(3-4)计算编号为1的节点电压V(1)；

第三步：根据式(3-4)计算从内导体和外导体测量得到的编号为1的单元导线加热材料的电阻Rh(1)；

第四步：计算根据式(3-1)至式(3-3)计算电路分布参数：节点编号为i的单元导线内导体节点电压V(i)；节点编号为i的单元导线内导体和外导体流过的节点电流Ig(i)，编号为i的单元导线加热材料的电阻Rh(i)；i＝1、2、3、4……、2n-1；

第五步：判断Ig(2n-1)是否小于Imax，是：转到第六步，否，转到第七步；

第六步：判断V(2n-1)是否大于Vmin，是：结束，否，转到第七步；

第七步：V(1)＝V(1)+Vstep，转到第三步；

上述运算结束后，

Vin＝R_sI_g(2n-1)+V(2n-1)。

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