一种高温天气下架空导线弧垂实时计算方法

摘要

本发明涉及一种高温天气下架空导线弧垂实时计算方法，该方法包括：收集待测架空导线所处位置的环境温度和负荷电流；建立导线负荷电流、环境温度、导线温度三者之间的函数关系式(1)；建立导线负荷电流、环境温度和导线弧垂建立三者之间的函数关系式(4)；根据函数关系式(4)计算被测导线在所测环境温度和负荷电流下的导线弧垂计算值f

说明书

技术领域

本发明涉及导线弧垂的实时计算，具体地指一种高温天气下架空导线 弧垂实时计算方法。

背景技术

弧垂，又称弛度，架空导线下垂的最大幅度。弧垂与架空线路防 火关系密切，如线路的弧垂不符合规定的要求，过大或过小都可能因 导线应力超过允许值而造成断线接地故障，甚至破坏架设导线的杆塔 结构或风吹摆线造成相间短路，产生电弧、电火花引燃周围可燃物。 尤其是迎风度夏供电期间，线路负荷重，环境温度高，弧垂下降幅度 大，极易出现弧垂不满足运行规定的要求，导致对地短路或相间短路 进而发生跳闸停电的恶劣事故，严重威胁着架空线路的安全稳定运 行。

现有的评估架空线路弧垂的方法主要有根据状态方程法和应力积 累法进行理论计算、通过拍摄架空导线运行图片然后进行数据转换、 通过现场实测。状态方程是将钢芯和铝线看作一个整体进行计算，但 当导线温度升高，铝股不再承受拉力时，继续提高温度，铝股将产生 径向膨胀，则整条导线的力学性能完全显现为钢芯的力学性能，此 时，状态方程的计算结果将产生一定的误差，而应力积累法将总长度 相等作为迭代终结的判据，同样不适用于铝股产生径向膨胀之后的情 况，即当导线温度较高时，以上两种方法的计算误差都会变大。利用 图像处理分析架空导线的弧垂变化，取决于所采集图像的精度和转换 模型的准确度，但现场运行条件的复杂性，往往导致转换结果的不理 想。通过现场实测和观测所得到的弧垂结果跟实际值相当，但所需工 作量大，劳动强度高，不适合对整条线路的弧垂情况进行评估和掌 控。

公告日为2012年9月12日，公告号为CN202432991U的中国专利 公开了一种架空输电线路的弧垂监测系统，包括用于供电的供电装 置，还包括：用于发出激光信号并当该激光信号遇到障碍物时能够反 射回来的激光测距传感器；与所述激光测距传感器连接的用于记录所 述激光测距传感器从发出到接收到激光信号的时间并根据该时间计算 输电线路弧垂高度的主控装置；与所述主控装置连接的用于将所述弧 垂高度发送至监控中心的通讯装置；其中，所述激光测距传感器设置 在所述架空输电线路上，所述供电装置与所述主控装置电连接。该系 统能够及时通过在线监测精确监测架空输电线路的弧垂高度，该监测 系统的测量精度高，实用性强，降低维护人员的监管难度。

公告日为2013年3月20日，公告号为CN202814349U的中国专利 涉及架空输电线路的弧垂在线监测系统，其包括监测终端、监测基站和监 控中心；所述监测终端安装在一个档距中所需监测的输电线路的最低弧垂 点位置，监测基站安装在杆塔顶部；监控终端的RF数据发送模块通过射 频信号与监测基站的RF数据接收模块连接；监测基站的GPRS数据发送模 块通过移动通讯网络与监控中心连接。监控终端利用数字温度传感器及激 光传感器采集输电线路的温度及对地距离数据，并通过无线网络传输给监 控中心，不仅提高了工作效率，还达到了实时监测的目的，保证了输电线 路的安全性。

公告日为2012年4月25日，公告号为CN202204614U的中国专利 涉及一种测量架空电力输电线路导线弧垂及导线温度的监测装置，其包括 监测主控板、设置在主控板上的雷达测距单元、导线温度测量单元、通讯 单元及电源模块。监测主控板设有中央处理器；雷达测距单元设有高速采 样单元和微波雷达测距传感器；导线温度测量单元设有高精度采样单元和 温度传感器；电源模块设有可充电电池及高压感应取能模块；与监测中心 或其它数据接收装置通讯的通讯单元。本实用新型所述的监测装置可以监 测架空电力线路的导线弧垂及导线温度变化情况，在超过预警值时及时报 警，避免了架空电力线路导线由于温度增加或导线覆冰引起的对地、树、 建筑物距离过小而引起接地、短路等电力线路事故的发生。

公告日为2014年4月9日，公告号为CN203534752U的中国专利 公开了一种基于GPS架空输电线路全天候弧垂观测控制系统，其特征在 于：它包括导线张力测量传感器、导线最低点GPS测量仪和地面工作站； 导线张力测量传感器与紧线装置或挂线侧串联于导线上；导线最低点GPS 测量仪通过铁塔横担安装的滑轮送抵导线最低点处并通过导线滑轮附着在 导线上；导线张力测量传感器和导线最低点GPS测量仪分别通过无线传输 与地面工作站互通信息，地面工作站为笔记本电脑；笔记本电脑内安装有 GPS测量单元Ⅰ、气温风速测量单元、无线收发模块Ⅲ。本实用新型有效 地解决输电线路雾天无法通视而影响弧垂测量面临的困难和问题，与传统 测量仪器相比更加简便操作易行，测量精确度和准确度更高。

公告日为2014年7月30日，公告号为CN103954242A的中国专利 公开了一种基于UWB测距技术的架空输电线路弧垂在线监测方法，包括 以下步骤：步骤1、选点安装UWB测距装置；步骤2、UWB装置实行测 距；步骤3、对测量的数据进行处理以及进行弧垂计算。具有测量精度高 和可靠性好等优点。

公告日为2013年9月11日，公告号为CN103292659A的中国专利 公开的基于角度传感器的输电线路导线弧垂测量方法，1)安装倾角式 角度传感器测量输电线路导线的弧垂；2)监测分机接收监控中心发送 的工作信号后通过安装在现场杆塔绝缘子上的倾角式角度传感器采集 输电线路导线两端的风偏倾角数据，并将获取的所有风偏倾角数据依 次传输至监测分机和监控中心；3)利用监控中心内嵌的专家软件和输 电线路导线的风偏倾角数据计算输电线路导线的弧垂值f；4)根据输电 线路导线的弧垂值f判断其是否处于安全范围内。本发明的基于角度传 感器的输电线路导线弧垂测量方法能够快速检测输电线路导线弧垂的 大小，预防因导线弧垂过大或过小造成的架空线路事故。

上述三个实用新型专利和发明专利[201310159467.6]所需设备多， 在应用中结果受现场环境影响大，长时间运行受限。

公告日为2014年7月30日，公告号为CN103954242A的中国专利 方法简单，但无线传输距离受限，不适合对架空线路全线的弧垂进行评 估。

因此如何采用简单方便经济的方法即可实现对整条架空线路的弧 垂进行实时准确评估尤其是迎风度夏高温天气时成为了运行管理部门 亟待解决的重要问题。

发明内容

本发明目的在于克服上述现有技术的不足而提供一种高温天气下架空 导线弧垂实时计算方法，本发明方法需要检测的数据和设备少，减小工作 人员的工作时间和劳动强度，实现对导线弧垂的实时掌控，减少不必要的 故障和停电事故的发生。

实现本发明目的采用的技术方案是一种高温天气下架空导线弧垂实时 计算方法，该方法包括以下步骤：

(1)收集待测架空导线所处位置的环境温度以及待测架空导线的负荷 电流，获得至少两组导线负荷电流和环境温度值；

(2)基于热平衡理论，建立导线负荷电流、环境温度、导线温度三者 之间的函数关系式：

(3)根据步骤(2)所得函数关系式、导线状态方程式和任意一点导线 弧垂计算式，建立导线负荷电流、环境温度和导线弧垂建立三者之间的函 数关系式；

(4)根据步骤(3)所得函数关系式计算被测导线在所测环境温度和负 荷电流下的导线的弧垂计算值f₁，并利用测距仪现场测量待测导线的弧垂 测量值f₂；

(5)对比导线的弧垂计算值f₁和导线的弧垂测量值f₂，并对步骤(3) 所得函数关系式进行修正，直到导线弧垂计算值和测量值之间的差值在允 许范围内；

(6)根据气象部门所传输的实时环境温度值和调度部门所传输的实时 导线负荷电流值，实时计算架空导线的弧垂值。

进一步地，步骤(2)中，基于热平衡理论，建立导线负荷电流、环境 温度、导线温度三者之间的函数关系式步骤包括：

根据富氏定律，建立热量平衡方程式如下：

$\mathrm{\Phi c}=I^{2}R=C_1\frac{d{\theta }_c}{\mathrm{dt}}+\frac{{\theta }_c-{\theta }_s}{T_1}---\left(1\right)$

式中，C₁为导线单位截面热容，Φ_c为单位时间单位截面导线发热热 量，I为导线负荷电流，R为导线单位截面电阻，C_s为环境热容，T₁为架空 导线所处位置的热阻，T_s为架空导线之外的环境热阻，θ_c为导线温度，θ_s为环境温度。

进一步地，根据所述函数关系式(1)、导线状态方程式和任意一点导 线弧垂计算式，建立导线负荷电流、环境温度和导线弧垂建立三者之间的 函数关系式步骤如下：

导线状态方程式为：

${\sigma }_n^2({\sigma }_n+A)=B---\left(2\right)$

其中$\left(\begin{array}{cc}A=-[{\sigma }_m-\frac{g_m^2{l}^2}{24\beta {\sigma }_m^2}-\frac{\alpha }{\beta }({\theta }_n-{\theta }_m)]& B=\frac{g_n^2{l}^2}{24\beta }\end{array}\right)$

式中，g_n、g_m分别为初始环境温度条件下和待求环境温度条件的比 载，σ_n为在温度θ_n和比载g_n时的应力，σ_m为在温度θ_m和比载g_m时的应 力，θ_n、θ_m分别为初始环境温度θ_s1条件下的导线温度和待求环境温度θ_s条 件下的导线温度，α为导线热膨胀系数，β为导线的弹性伸长系数，l为档 距；

根据式(1)、(2)进而可以求得待求环境温度θ_s2下导线的应力σ_m，即

σ_m＝F(I,θ_s)                    (3)

高温条件下最低点弧垂计算公式为：

$f=\frac{g_m^2}{8{\sigma }_m}$

结合式(3)得到

$f=\frac{g_m^2}{8F(I,{\theta }_s)}---\left(4\right)$

进一步地，步骤(5)中修正的过程如下：

如果在允许范围内，则将函数关系式(4)用于高温条件下导 线弧垂的计算，否则对函数关系式(4)进行修正，直到导线弧垂计算值f₁和弧垂测量值f₂之间的差值在允许范围内。

本发明方法需要检测的数据和设备少，避免了检测数据多所造成的累 积误差，且数据运算过程简单，结果可靠性高，在保证精度的同时，大大 降低了检测成本。此外，本发明方法不需要工作人员到达现场采集数据， 就可以根据气象部门所传输的实时环境温度数据和调度部门所传输的导线 实时负荷电流值实时计算得到架空导线的弧垂值，尤其是高温、负荷高峰 期，可以实现对导线弧垂的实时掌控，减少不必要的故障和停电事故的发 生，提高导线的输电能力，同时还可以大大减小工作人员的工作时间和劳 动强度，特别是在迎风度夏期间对于保障超特高压输电网的安全稳定运行 具有普遍推广应用的重要意义

附图说明

图1为本发明高温天气下架空导线弧垂实时计算方法的流程图。

图2为单位截面导线径向热路图。

图3为实时计算弧垂的软件界面示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

为了更加清晰本发明的技术方案，下面结合图1阐述本发明高温天气 下架空导线弧垂实时计算方法的实现过程，具体步骤如下：

S001、收集待测架空导线所处位置的环境温度以及待测架空导线的负 荷电流，获得至少两组导线负荷电流和环境温度值。

其中，在实际操作应用中，导线负荷电流值可以向调度部门索取，导 线所处位置环境温度值可以由巡线人员携带温度计深入导线所处位置离线 采集。本实施例采用一条500kV输电线路的一个档距，具体参数如下表所 示：

S002、基于热平衡理论，建立导线负荷电流、环境温度、导线温度三 者之间的函数关系式。

单位截面导线在传热过程中，主要发生径向传热，因此忽略纵向传 热，考虑与环境的热量平衡，建立如图2的径向热路图。

图中，其中C₁为导线单位截面热容，Φ_c为单位时间单位截面导线发热 热量，满足Φ_c＝I²R，I为导线负荷电流，R为导线单位截面电阻，C_s为环境 热容，T₁为架空导线所处位置的热阻，T_s为架空导线外任意一点(也即离 架空导线10m处)的环境热阻，θ_c为导线温度，θ_s为环境温度。

然后根据富氏定律，建立热量平衡方程式也即导线负荷电流、环境温 度、导线温度三者之间的函数关系式如下：

$\mathrm{\Phi c}=I^{2}R=C_1\frac{d{\theta }_c}{\mathrm{dt}}+\frac{{\theta }_c-{\theta }_s}{T_1}---\left(1\right)$

由于架空导线时刻与外界环境发生热交换，式(1)中导线负荷电流、 环境温度、导线温度三者之间的函数关系式描述了待测推导架空导线当前 环境中与外界环境的热交换情况。

S003、根据式(1)、导线状态方程式和任意一点导线弧垂计算式，建 立导线负荷电流、环境温度和导线弧垂三者之间的函数关系式；

导线状态方程式为：${\sigma }_n^2({\sigma }_n+A)=B---\left(2\right)$

其中$\left(\begin{array}{cc}A=-[{\sigma }_m-\frac{g_m^2{l}^2}{24\beta {\sigma }_m^2}-\frac{\alpha }{\beta }({\theta }_n-{\theta }_m)]& B=\frac{g_1^2{l}^2}{24\beta }\end{array}\right)$

g_n、g_m-分别为初始环境温度条件下和待求环境温度条件的比载， N/(m·mm²)；

σ_n-在温度θ_n和比载g_n时的应力，MPa；

σ_m-在温度θ_m和比载g_m时的应力，MPa；

θ_n、θ_m-分别为初始环境温度θ_s1条件下的导线温度和待求环境温度θ_s条 件下的导线温度，℃；

α-导线热膨胀系数，1/℃；

β-导线的弹性伸长系数，1/MPa；

l-档距，m。

上述各参数中，初始环境温度下的导线温度θ_n和待求环境温度下的导 线温度θ_m为可以通过函数关系式(1)所求得，比载g_n、g_m，为θ_n和θ_m对应 的比载，可以通过查阅相关数据表获得，α、β、l也可以通过查阅相关数据 表获得。

本实施例采用第V类气象区，第V类气象区的气象条件参数和比载如 下表所示：

气象条件 风速(m/s) 气温(℃) 冰厚(mm) 比载[N/(m.mm²)] 最低气温 0 -10 0 31.100×10^-3平均气温 0 15 0 31.100×10^-3最高气温 0 40 0 31.100×10^-3

根据式(2)进而可以求得待求环境温度θ_m下导线的应力σ_m，简写为

σ_m＝F(I,θ_s)                    (3)

高温条件下最低点弧垂计算公式为：

$f=\frac{g_m^2}{8{\sigma }_m}$

结合式3，可以得到

$f=\frac{g_m^2}{8F(I,{\theta }_s)}---\left(4\right)$

式(3)和式(4)关系式可以通过已有实例数据直接计算所得，也可 以借助编程工具通过编程计算所得，采用编程工具编程，直接输入所需数 据计算所得，此处不再赘述。

步骤S004、根据所述函数关系式(4)计算被测导线在所测环境温度和 负荷电流下的导线的弧垂计算值，利用测距仪现场测量待测导线的弧垂测 量值；

基于函数关系式(4)计算被测导线在所测环境温度和负荷电流下的导 线弧垂计算值f₁，本实施例中，环境温度和导线负荷电流为步骤S001所获 得的值，可以任意选用一组。

利用测距仪测量被测导线在所测环境温度和负荷电流下的导线的弧垂 测量值f₂，具体地，本实施例中f₂可以由巡视人员携带测距仪到被测导线 所处位置现场测量。

步骤S005、对比函数关系式(4)计算得到的导线的弧垂计算值f₁和利 用测距仪测量得到的导线的弧垂测量值f₂，并对关系式(4)进行修正，直 到导线弧垂计算值和测量值之间的差值在允许范围内，修正过程如下：

计算f₁和f₂差值，如果在允许范围内，如取则 认为函数关系式(4)可以用于高温条件下导线弧垂的计算，反之就对所述 关系式进行修正，直到导线弧垂计算值和测量值之间的差值在允许范围 内。

作为本发明的一种优选实施方式，确定修正后的函数关系式(4)后， 利用编程软件将函数关系式(4)编程软件计算程序，方便在应用中直接计 算。如图3所示：

S006、根据气象部门所传输的实时环境温度值和调度部门所传输的实 时导线负荷电流值，实时计算架空导线的弧垂值。

收集气象部门所传输架空导线所在区域的实时环境温度值。

收集电力调度部门所传输的所需要测量导线的实时负荷电流值。

利用修正后函数关系式实时计算所需要评估导线的弧垂。

作为一个实施例，上述实时环境温度值由运行管理人员直接向气象部 门索取，实施负荷电流值由运行管理人员直接向电力调度部门索取。

最后，还可以由运行管理部门直接利用如3所示的计算程序也即函数 关系式(4)进行计算即可实时得到导线弧垂。

本发明方法不需要大量的监测设备，仅需在确定计算模型的前期需要 运行人员携带温度计和测距仪现场测量环境温度、导线弧垂值，一旦模型 确定后，所需监测的导线负荷电流设备、环境温度设备都为电力调度部门 和气象部门已有的监测设备，无需新安装。且在模型确定后，也无需运行 管理人员深入现场采集任何数据，仅需通过电力调度部门和气象部门传递 的数据即可实现实时评估架空线路弧垂的状态，可以快速确定架空导线弧 垂值，对于架空线路的安全运行，尤其是高温、负荷高峰期，可以实现对 导线弧垂的实时掌控，减少不必要的故障和停电事故的发生，提高导线的 输电能力，同时还可以大大减小工作人员的工作时间和劳动强度，特别是 在迎风度夏期间对于保障超特高压输电网的安全稳定运行具有普遍推广应 用的重要意义。

以上所述实例仅表达了本发明的几种实现方式，其描述较为具体和详 细，但并不能因此而理解为对发明专利的限制，应当指出的是，对于本领 域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干 变形和这些都属于本发明的保护范围，因此，本专利的保护范围应以所附 权利要求为准。