专利名称：架空输电线路动态载流量的监测方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及输电线路动态载流量的监测领域，尤其涉及架空输电线路动态 载流量的监测方法及其装置，特别适用于气象参数变化情况下的已运行输电线 路动态载流量监测领域。
背景技术：
架空输电线路的载流量(热定额)是线路设计和运行的主要参数，载流量 计算方法国际上主要釆用的有国际电气和电子工程师协会(正EE)标准 81丄738-2006"裸架空导线电流-温度计算的IEEE标准"[1]、国际电工委员会(IEC) 标准IEC1597-1995 "架空电力导线-裸绞线的计算方法"[2]及国际大电网会议 (CIGRE)22.12工作组报告"架空导线的热特性稳态时导线温度数学模型的评 定和应用"[3]，国内还没有专门的计算标准，通常采用电力行业标准DL/T 5092-1999 "110-500kV架空送电线路设计技术规程"[4]中提供的方法，也就是 摩根(Morgan)公式来计算。架空输电线路在设计时一般是在选定的特定气象条件(如环境温度40°C ，风 速0.5m/s，太阳幅射功率1000W/m、和导线最高允许运行温度(70-90。C)下根据上 述计算方法之一来计算的线路载流量，这是线路的静态载流量也称为静态热定 额，它保证导线强度和线路安全， 一般不应超越，但也是较保守的定额。线路投入运行后，电力企业由于用电量增长等原因，需要充分发挥己建线 路的输送能力，根据实际运行中气象条件的有利因素(如环境温度较低、风速 较高等)，在导线最高允许温度限定范围内对线路运行安全没有大影响的情况 下，适当提高线路的载流量，这就是线路的动态载流量也称为动态热定额。所以线路动态载流量计算时需使用实时气象数据代替规定的气象数据，而最高导 线允许温度与静态计算时相同。IEEE 738-2006 "裸架空导线电流-温度计算的IEEE标准"的方法 稳态热平衡方程为<formula>formula see original document page 5</formula>(1)线路载流量为
<formula>formula see original document page 5</formula>(2)式中/为导线电流(A); 7;为导线温度rc); w(7;)为温度7;时导线每米的交流电阻(Q/m); ^为对流热损失(W/m); ( ,为辐射热损失(W/m);仏为太阳热 增量(W/m)。它们分别以下式计算，强迫对流热损失<formula>formula see original document page 5</formula>(3a)<formula>formula see original document page 5</formula>(3b)方程(3a)用于低风速，方程(3b)用于高风速。 式中"为导线直径(腿)，K为导线处空气流速度(m/s)， ^为空气密度(kg/m3)， //f为空气的动态粘度(Pa-s)， A^为温度T^时空气的热传导率(W/nTC)，尤#为风向系数，7;为周围空气温度rc)， 7;为导线温度('c)。 7>^=(ra+7;)/22)自然对流热损失当风速为零时，自然对流热损失仍存在，热损失方程为<formula>formula see original document page 6</formula>3)辐射热损失-7:+273、4 +273、4100100(5)式中f为导线发射率(0.23-0.91)。 4)太阳热增量《s=o(， (6)式中为导线单位长度的投影面积(m7m)，"为导线的太阳吸收系数 (0.23-0.91)， ^为导线高度修正后太阳和空气总的辐射热量(W/m2)， ^为太阳光的有效入射角r )。上述公式中各项系数的采用条件及计算方法请见IEEE 738-2006标准所述。 上面介绍的载流量计算方法是假设在周围气象参数恒定不变的情况下导出 的，虽然这些方法也适用于采用实时气象数据时的动态载流量计算，但在气象 参数变动，特别是风速、风向变化较大的情况下(而此时的风速和风向也很难 准确测量)，采用这些方法计算的动态载流量波动较大、误差也较大，无法实时 应用。有关文献[1] IEEE Std73 8-2006 IEEE Standard for Calculating the Current-Temperature of Bare OverheadConductors, IEEE Power Engineering Society, Jan.2007. [2] IEC Technical Report 1597, Overhead Electrical Conductors — Calculation Methods forStranded Bare Conductors, IEC 1995-05. [3] CIGRE Working Group 22.12 ELT—144, The thermal behavior of overhand conductors, Eleetra107-125， October 1992〖4] DL/T 5092-1999 110-500kV架空送电线路设计技术规程，北京，中国电力出版社，1999。发明内容本发明的目的在于提供一种架空输电线路动态载流量的监测方法，该方法根据实时测定的带电的实际导线温度和不带电的同型导线温度来确定和计算线 路动态载流量的方法，消除了气象参数变动，特别是风速、风向变动的因素， 使计算过程简化，计算结果波动平稳、正确，为输电线路动态载流量确定和计 算提供了一种新的有效方法。本发明的另一目的在于提供一种架空输电线路动态载流量(动态热定额) 的监测装置，该装置利用上述的监测方法，通过安装在实际导线上的温度测量装置，与实际导线相同材质和尺寸的一段约1.2m长、不带电的同型导线及小型 温度测量装置，可方便地测算出动态载流量，计算结果波动平稳、正确。 本发明是通过以下技术方案达到上述目的一种架空输电线路动态载流量的监测方法，包括如下步骤1) 在带电架空输电线路附近相同方向平行地安装有与带电线路导线同材质同尺寸的不带电的同型导线，设不带电的同型导线温度为7;0,设带电的实际线路导线的温度为r。;；2) 线路动态载流量的计算公式为<formula>formula see original document page 7</formula>式中^为带电的实际线路导线温度rc) ， r。。为不带电的同型导线温度 rc)，"为导线直径(mm)， /为实际线路导线电流(A)， y (乙)为温度乙时导线每米的交流电阻(Q/m)， f为导线发射率，M为等效风速系数； 线路动态载流量的计算公式的弓I导过程为(a)根据IEEE 738-2006标准带电的实际导线的热平衡方程为不带电的同型导线的热平衡方程为:(8)式中/为导线电流(A); 7;为导线温度CC);^为对流热损失(W/m);^为辐射热损失(W/m); ^为太阳热增量(W/m)。二个导线所受的太阳热相同，即^=《w,用式(7)减式(8)可得(9)(b)根据IEEE 738-2006标准强迫对流热损失计算公式:<formula>formula see original document page 8</formula>(3b)方程(3a)用于低风速，方程(3b)用于高风速；式中"为导线直径(mm)， R为导线处空气流速度(m/s)， /^为空气密度 (kg/m3)， /^为空气的动态粘度(Pa-s)， ^为温度7>^时空气的热传导率(w/m°c)，尤^为风向系数，7;为周围空气温度rc)， r。为导线温度rc)。KM)/2; (c)根据IEEE 738-2006标准，辐射热损失公式(5):<formula>formula see original document page 8</formula>(5)式中f为导线发射率(0.23-0.91)得到:<formula>formula see original document page 9</formula>(d)设定一个等效风速系数M，代入强迫对流热损失公式(3a)或(3b)中<formula>formula see original document page 9</formula>(13)根据上述对M的设定，强迫对流热损失的计算公式(3)可简化为<formula>formula see original document page 9</formula>(14)(15)在环境温度7;、风速K、风向AL^等气象条件不变的情况下，随着导线温度7;的变化，在7> 的变化范围内，#的变化仅为1%左右，等效风速系数 i/的值基本不变。(e)将式(10)(11)(14)(15)代入式(9)，并经整理后可得:<formula>formula see original document page 9</formula>式中^为带电的实际导线温度rc)， 7;。为不带电的同型导线温度rc)， "为导线直径(皿)，/为实际导线电流(A)， y (乙)为温度时导线每米的交流电阻(Q/m)， f为导线发射率(0.23-0. 91)， M为等效风速系数。3) 计算等效风速系数M:在导线的材质、尺寸确定的情况下，导线直径"， 导线发射率f为己知参数，然后用测量装置测得:实际电流厶实际导线温 度L、不带电同型导线温度7;。，再用实际导线温度乙计算出交流电阻 / (L)的值，再根据步骤(2)的计算公式计算出等效风速系数M;4) 计算线路动态载流量厶双.在同样气象条件下，即在环境温度、风速、风向等气象条件不变的情况下，我们假设随着导线温度7;的变化，等效风速系数#的值基本不变，等效风速系数M取步骤(3)计算出的值即可，此 时实际导线温度取导线最高允许温度乙二乙m，导线直径Z ，导线发射率f不带电同型导线温度7;。为已知参数，根据步骤(2)的计算公式可计算线 路电流/皿，即线路动态载流量的值。所述的等效风速系数^T，在导线温度L在取值范围20-8(TC内变化时，等效风速系数M值的偏差在1X以内。5)等效风速系数M的值基本不变的证明在IEEE标准的热平衡方程中，辐射热损失^可根据导线温度、环境温度、 导线直径和发射率由式(5)确定，太阳热增量^可根据地理位置和日期变化等由 式(6)来确定，最主要的是对流损失&的计算，它是导线直径、导线温度、环境 温度和风速、风向以及空气性质的函数，它原用式(3)来计算。现在如将公式(3) 中除温度外的所有系数合并为一个系数，称之为等效风速系数M，它实际上包 含了与风速、风向或者说与对流有关的参数，即<formula>formula see original document page 10</formula><formula>formula see original document page 11</formula>式(f1)或(f2)中中风速K和风向角凡^与温度无关，而空气密度"f、空气粘度/^和空气热导率a与导线表面空气层温度7>^有关<formula>formula see original document page 11</formula>，它们分别以下式计算<formula>formula see original document page 11</formula>
式中仗为导线海拔高度。从式(f3-f5)也可以看出，随着温度7>汤的上升， 上升、Pf下降、&上升，相互有一定抵消作用。这里我们提出一个命题假设在环境温度7;、风速K、风向尤 ^等气象条 件不变的情况下，随着导线温度7;的变化，等效风速系数if的值基本不变。下面用大量计算案例来证明根据上述公式，计算分析了多种常用导线型 号(如LGJ 300/50、 400/50、 500/45、 630/55等)和不同海拔高度(Om、 500m)时， 不同风速下(风向设与导线垂直，即尺，,^1)M和7>^的关系。表1为LGJ-400/50导线表面空气层温度与等效风速系数的关系，当LGJ-400/50 导线在海拔高度为Om时，当T)^在0-6(TC范围内变化时，在风速0.3m/s时M 值仅变动0.84% ，在风速5.0m/s时M值仅变动1.21 % 。TfilmVw=0.3Vw=0. 5Vw=0. 7Vw=l. 0Vw=l, 5Vw=2.0Vw=2.5Vw=3.0Vw=4. 0Vw=5, 000. 9551.2391.4711. 7652. 1742. 5212. 8283. 1073. 6044. 044100. 9531. 2361. 4671. 7612. 1682. 5142.8203,0983. 5944. 033200. 9511.2331.4641. 7572. 1632.5082. 8133.0913. 5854. 023300. 9501. 2311.4611. 7542. 1592. 5032.8083. 0843. 5774. 014400. 9491. 2291,4591. 7512. 1552,4992. 8033, 0783. 5714. 007500. 9481. 2281,4571. 7482, 1522. 4952. 7983, 0743. 5654. 000600. 9471. 2271.4561. 7462. 1492. 4922, 7953. 0703. 5603. 995差值 %0.8380,969l扁1,0761.1501.1501.1671.1911.2211.212表2为LGJ-630/55导线表面空气层温度与等效风速系数的关系，当 LGJ-630/55导线在海拔高度为500m时，当7>^在0-6(TC范围内变化时，在风速 0.3m/s时M值仅变动0.87X，在风速5.0m/s时M值仅变动1.23%。表2TfilmVw=0. 3Vw=0. 5Vw=0. 7Vw=l. 0Vw=l. 5Vw=2. 0Vw=2, 5Vw=3. 0Vw=4. 0Vw=5. 001. 0351. 3421. 5941. 9142. 3572. 7343. 0673. 3703.9094. 387101. 0321. 3391. 5901. 9092. 3512. 7263. 0583. 3603. 8984. 375201.0301. 3361. 5861. 9042. 3452. 7203, 0513. 3523. 8894. 364301. 0291. 3341. 5841. 9012. 3412. 7143. 0453. 3453. 8804. 354401. 0271. 3321. 5811.8982. 3372. 7093. 0393. 3393. 8734. 346501. 0261. 3301. 5791. 8952. 3332. 7053. 0343. 3333. 8674. 339601.0261.3291. 5771.8932. 3302. 7023. 0303. 3293. 8614. 333差值 0.8700.969 1.066 1.0971,1461.1701.2061.217 1.228 1.231实际上在最高允许导线温度为8(TC、环境温度为40"C时，T)^为6(TC。导线 温度为40'C、环境温度为2(TC时，T)^为3(TC。如果考虑到在导线温度低于40 'C和环境温度低于2(TC时， 一般不会存在线路动态载流量计算的问题，所以7>^ 取值范围仅为30-60°C，则M的变化在1X以内。同时也说明了在相同的气象条件下，导线的对流热损失&与导线温升(7; -7;)成线性关系。所以大量计算表明在环境温度7;、风速p;、风向1^等气象条件不变的情 况下，随着导线温度7;的变化，在7>^的变化范围内，#的变化仅为1%左右， 等效风速系数#的值基本不变。即证明了所设的命题。一种架空输电线路动态载流量的监测装置，包括l)安装在带电的实际导线上的温度测量装置，所述的温度测量装置包括以 下模块电流互感器，电源整定模块，温度采样模块，电流采样模块，通信 模块，主控模块MCU;电流互感器用于给装置提供电源，并作交流电流的 前期处理，温度采样模块，电流采样模块，通信模块分别与主控模块MCU 连接，电源整定模块用于完成装置工作电压的稳压功能；温度采样模块用于 把温度信息转变为能被MCU读取的数字量输出至主控模块MCU;电流采样 模块用于把交流电流信息转变为能被MCU读取的数字量，输出至主控模块 MCU;主控模块(MCU)用于读取、处理温度和电流的数字量，完成相关计算 和存储数据，完成中央控制中心指令的处理；通信模块用于完成主控模块 MCU发出的数据和控制指令的收发任务；2)与实际导线相同材质和尺寸的一段约1.2m长、不带电的同型导线及 小型温度测量装置；不带电的同型导线长度约为1.2m，与实际导线有相同的材质和尺寸，两 端包有绝热硅像胶圈， 一端采用金属"握手"固定在支架上，另一端用细金 属杆支撑在支架上，支架固定在带电的实际导线安全距离以外较近处的杆塔 上，安装时使同型导线与实际导线为平行方向；不带电的同型导线的小型温度测量装置包括以下模块电池模块、温度 采样模块、RF通信模块；电池模块为温度采样模块、RF通信模块电池模块 提供电源，温度采样模块与RF通信模块连接，用于把温度信息转变为能被 MCU读取的数字量，RF通信模块用于完成与实际导线上测温装置的通信， 发送温度数据。小型温度测量装置由金属盒密封封装，安装在支架上，它的温度传感器安装在同型导线中间，即约0.6m处。本发明的有益效果本发明采用专门的温度测量装置来实时测定带电的实 际导线温度和不带电的同型导线温度，并提出用实际导线温度和同型导线温度 替代动态载流量计算中对流损耗中风速和风向的新算法，消除了气象参数变动， 特别是风速和风向变动的因素，使计算过程简化，计算结果波动平稳、正确， 为输电线路动态载流量测定和计算提供了一种新的有效方法；同时提供了一种装置，装置为实现架空输电线路动态载流量的监测方法而设计，运用本发明的架空输电线路动态载流量的监测方法，仅监测线路电流和2个导线温度，不需 要监测复杂的气象参数，大大简化了监测系统的设备。
图1为架空输电线路动态载流量的监测装置在架空输电线路上的安装示意图；图2为不带电的同型导线的示意图； 图3为带电的实际导线测温装置原理图； 图4为不带电的同型导线小型温度测量装置的原理图；具体实施方式
实施例1:以某220kV输电线路为例，导线型号为LGJ-400/35，在导线1上装有线路温度测量装置，所述的带电的实际导线温度测量装置包括以下模块:电流互感器，电源整定模块，温度采样模块，电流采样模块，通信模块，主控模块MCU;电流互感器用于给装置提供电源，并作交流电流的前期处理，温度采样模块，电流采样模块，通信模块分别与主控模块MCU连接，电源整定模块 用于完成装置工作电压的稳压功能；温度采样模块用于把温度信息转变为能被MCU读取的数字量输出至主控模块MCU;电流采样模块用于把交流电流信息转变为能被MCU读取的数字量，输出至主控模块MCU;主控模块MCU用于读取、处理温度和电流的数字量，完成相关计算和存储数据，完成中央控制中心指令的处理；通信模块用于完成主控模块MCU发出的数据和控制指令的收发 任务；所述的带电的实际导线温度测量装置除温度传感器之外的其它部分都设 置在球形的外壳2内，球形外壳2扣合在带电的实际导线1上，温度传感器固 定在外壳附近的导线1上，这种外壳己申请专利，专利名称 一种输电线路在 线监测装置的外壳，专利申请号2005100493902，具体的结构及描述可见已公 开的专利申请文件。在线路杆塔上装有本发明的支架4，支架4上装有同型号的一段约1.2m长 的LGJ-400/35导线3，两端包有绝热硅橡胶圈9， 10， 一端采用金属握手6固定 在支架4上，另一端用细金属杆7支撑在支架4上，这段同型导线的中间0.6处 装有小型温度测量装置的温度传感器8，这段同型导线3与实际导线1为平行方 向，并未受杆塔等的屏蔽，能感受与实际导线相同的气象条件。不带电的同型导线小型温度测量装置包括以下模块电池模块、温度采样 模块、RF通信模块；电池模块为温度采样模块、RF通信模块电池模块提供电 源，温度采样模块与RF通信模块连接，用于把温度信息转变为能被MCU读取 的数字量，RF通信模块用于完成与实际导线上测温装置的通信，发送温度数据。小型温度测量装置由金属盒5密封封装，安装在支架上，它的温度传感器8 安装在同型导线中间，即约0.6m处。测量时，实际导线温度测量装置测得实际导线温度为36.3°C、小型温度测 量装置测得同型导线温度为30.3°C，通过通信模块发回到中心控制；线路电流为570A，"为26. 82腿，7 (7^)为0. 00007866 ( Q/m)， f为O. 5，M为等效风速系数;将上述数据和导线参数代入式(16)<formula>formula see original document page 16</formula>可得M= 3.9850。设导线最高允许温度为70°C，在同样气象条件下，线路的动态载流量可用式(16)求出<formula>formula see original document page 16</formula>可得线路的动态载流量/= 1388.00A(木运用本发明的架空输电线路动态载流量的监测方法，仅监测线路电流和2 导线温度，不需要监测复杂的气象参数，消除了气象参数变动，特别是风速和风向变动的因素，使计算过程简化，计算结果波动平稳、正确；同时本发明 装置的应用，减少了监测参量，大大简化了监测系统的设备。
权利要求
1. 架空输电线路动态载流量的监测方法，其特征在于包括如下步骤1)在带电架空输电线路附近相同方向平行地安装有与带电线路导线同材质同尺寸的不带电的同型导线，设不带电的同型导线温度为Tc0，设带电的实际线路导线的温度为Tc1；2)线路动态载流量的计算公式为
2、 根据权利要求1所述的架空输电线路动态载流量的监测方法，其特征在于 所述的等效风速系数M，在导线温度7。;在取值范围20-8(TC内变化时，等效风速系数M值的偏差在1 %以内。
3、架空输电线路动态载流量的监测装置，其特征在于包括l)安装在实际导线上的温度测量装置，所述的温度测量装置包括以下模 块电流互感器，电源整定模块，温度采样模块，电流采样模块，通信模块， 主控模块MCU;电流互感器用于给装置提供电源，并作交流电流的前期处 理，温度采样模块，电流采样模块，通信模块分别与主控模块MCU连接， 电源整定模块用于完成装置工作电压的稳压功能；温度采样模块用于把温度 信息转变为能被MCU读取的数字量输出至主控模块MCU;电流采样模块用 于把交流电流信息转变为能被MCU读取的数字量，输出至主控模块MCU; 主控模块MCU用于读取、处理温度和电流的数字量，完成相关计算和存储 数据，完成中央控制中心指令的处理；通信模块用于完成主控模块MCU发 出的数据和控制指令的收发任务；2)与实际导线相同材质和尺寸的一段不带电的同型导线及小型温度测 量装置；不带电的同型导线设在带电架空输电线路附近，与带电架空输电线 路同方向且平行；小型温度测量装置包括以下模块电池模块、温度采样模 块、RF通信模块；电池模块为温度采样模块、RF通信模块电池模块提供电 源，温度采样模块与RF通信模块连接，用于把温度信息转变为能被MCU 读取的数字量，RF通信模块用于完成与实际导线上测温装置的通信模块通 信，发送温度数据；小型温度测量装置安装在不带电的同型导线的支架上， 它的温度传感器设在不带电的同型导线的中间位置。
4、根据权利要求3所述的架空输电线路动态载流量的监测装置，其特 征在于不带电的同型导线的长度为1.2m。
全文摘要
本发明涉及架空输电线路动态载流量的监测方法及其装置，监测方法包括如下步骤1)在带电架空输电线路附近相同方向平行地安装有与带电线路导线同材质同尺寸的不带电的同型导线，设不带电的同型导线温度为T<sub>c0</sub>，设带电的实际线路导线的温度为T<sub>c1</sub>；2)线路动态载流量的计算公式为(见公式)，3)计算等效风速系数M4)计算线路动态载流量Imax即线路动态载流量的值。本发明的有益效果采用专门的温度测量装置来实时测定带电的实际导线温度和不带电的同型导线温度，提出用实际导线温度和同型导线温度替代动态载流量计算中对流损耗中风速和风向的新算法，消除了气象参数变动，使计算过程简化，计算结果波动平稳、正确。
文档编号G01R31/00GK101266274SQ20081006137
公开日2008年9月17日 申请日期2008年5月6日 优先权日2008年5月6日
发明者炜 侯, 季洪献, 徐青松, 王孟龙, 芳 韩 申请人:杭州海康雷鸟信息技术有限公司