架空电缆弧垂计算方法及装置与流程

本发明涉及弧垂检测技术领域，具体而言，涉及一种架空电缆弧垂计算方法及装置。

背景技术

弧垂测量对于架空电缆的安全运行起到重要的作用，当架空电缆与树障之间的净空距离小于安全距离时，将存在严重的安全隐患。

现有技术中，通常采用弧垂检测仪以人工巡线的方式检测架空电缆的弧垂值，当巡线人员发现架空电缆与树障之间的净空距离小于安全距离时，及时通知运维人员调整架空电缆的运行状态。

但是，通过人工巡线的方式测量弧垂值难以获得实时、准确的数据，无法为运维人员提供准确的判断依据，并且无法实现对架空电缆弧垂值的实时监测。

技术实现要素：

为了克服现有技术中的上述不足，本发明的目的在于提供一种架空电缆弧垂计算方法及装置，以解决架空电缆弧垂值实时监测的问题。

为了实现上述目的，本发明较佳实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供一种架空电缆弧垂计算方法，所述方法包括：

对架空电缆进行温度场仿真，得到所述架空电缆在所处环境条件下的径向温度场分布；

获取所述径向温度场分布中的最高温度，根据所述最高温度计算得到所述架空电缆在该最高温度下的当前应力；

根据所述当前应力进行弧垂计算，得到所述架空电缆的弧垂值。

进一步地，在本发明实施例中，所述对架空电缆进行温度场仿真，得到所述架空电缆在所处环境条件下的径向温度场分布的步骤包括：

根据架空电缆的规格参数建立仿真模型；

通过所述架空电缆的载流量及所处环境条件计算得到所述架空电缆的发热参数、受热参数和散热参数；

根据基于所述发热参数、受热参数和散热参数配置的边界条件对所述仿真模型进行温度场仿真，得到所述架空电缆在所处环境条件下的径向温度场分布。

进一步地，在本发明实施例中，所述获取所述径向温度场分布中的最高温度，根据所述最高温度计算得到所述架空电缆在该最高温度下的当前应力的步骤包括：

获取所述架空电缆两端杆塔之间的档距、所述架空电缆的初始应力和初始比载，以及所述架空电缆在所述最高温度下的膨胀系数、弹性模量和当前比载；

根据所述档距、初始应力、初始比载以及所述架空电缆在所述最高温度下的膨胀系数、弹性模量和当前比载进行计算，得到所述架空电缆在所述最高温度下的当前应力。

进一步地，在本发明实施例中，所述根据所述当前应力进行弧垂计算，得到所述架空电缆的弧垂值的步骤包括：

获取所述架空电缆两端杆塔之间的高度差，以及所述架空电缆在所述最高温度下的当前应力和当前比载；

根据所述高度差以及所述架空电缆在所述最高温度下的当前应力和当前比载进行计算，得到所述架空电缆在所述最高温度下的弧垂值。

可选地，在本发明实施例中，所述方法还包括：

获取所述架空电缆两端杆塔之间的障碍物高度以及所述架空电缆的初始弧垂值；

通过所述障碍物高度、初始弧垂值以及所述架空电缆在所述最高温度下的弧垂值进行计算，得到所述架空电缆相对于障碍物的净空距离；

根据所述净空距离以及所述架空电缆的电压等级判定所述架空电缆的安全等级。

第二方面，本发明实施例还提供一种架空电缆弧垂计算装置，所述装置包括：

仿真模块，用于对架空电缆进行温度场仿真，得到所述架空电缆在所处环境条件下的径向温度场分布；

获取模块，用于获取所述径向温度场分布中的最高温度；

计算模块，用于根据所述最高温度计算得到所述架空电缆在该最高温度下的当前应力；以及

根据所述当前应力进行弧垂计算，得到所述架空电缆的弧垂值。

进一步地，在本发明实施例中，所述仿真模块具体用于：

根据架空电缆的规格参数建立仿真模型；

通过所述架空电缆的载流量及所处环境条件计算得到所述架空电缆的发热参数、受热参数和散热参数；

根据基于所述发热参数、受热参数和散热参数配置的边界条件对所述仿真模型进行温度场仿真，得到所述架空电缆在所处环境条件下的径向温度场分布。

进一步地，在本发明实施例中，所述获取模块还用于获取所述架空电缆两端杆塔之间的档距、所述架空电缆的初始应力和初始比载，以及所述架空电缆在所述最高温度下的膨胀系数、弹性模量和当前比载；

所述计算模块还用于根据所述档距、初始应力、初始比载以及所述架空电缆在所述最高温度下的膨胀系数、弹性模量和当前比载进行计算，得到所述架空电缆在所述最高温度下的当前应力。

进一步地，在本发明实施例中，所述获取模块还用于获取所述架空电缆两端杆塔之间的高度差，以及所述架空电缆在所述最高温度下的当前应力和当前比载；

所述计算模块还用于根据所述高度差以及所述架空电缆在所述最高温度下的当前应力和当前比载进行计算，得到所述架空电缆在所述最高温度下的弧垂值。

可选地，在本发明实施例中，所述获取模块还用于获取所述架空电缆两端杆塔之间的障碍物高度以及所述架空电缆的初始弧垂值；

所述计算模块还用于通过所述障碍物高度、初始弧垂值以及所述架空电缆在所述最高温度下的弧垂值进行计算，得到所述架空电缆相对于障碍物的净空距离；

所述装置还包括判定模块，用于根据所述净空距离以及所述架空电缆的电压等级判定所述架空电缆的安全等级。

相对于现有技术而言，本发明具有以下有益效果：

本发明实施例提供的架空电缆弧垂计算方法及装置，通过架空电缆的载流量及所处环境条件进行温度场仿真以得到架空电缆的温度场分布，然后根据所述温度场分布中的最高温度计算出架空电缆在该最高温度下的当前应力和弧垂值，从而实现实时监测架空电缆的弧垂值，提高了架空电缆运行的安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的部分实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它相关的附图。

图1为本发明第一实施例提供的架空电缆弧垂计算方法的步骤流程示意图；

图2为图1中步骤s10的子步骤流程示意图；

图3为图1中步骤s20的子步骤流程示意图；

图4为图1中步骤s30的子步骤流程示意图；

图5为本发明第二实施例提供的架空电缆弧垂计算方法的步骤流程示意图；

图6为图5中步骤s40的子步骤流程示意图；

图7为本发明实施例提供的架空电缆弧垂计算装置的功能模块示意图。

图标：100-架空电缆弧垂计算装置；101-仿真模块；102-获取模块；103-计算模块；104-判定模块。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

第一实施例

请参阅图1，为本发明实施例提供的架空电缆弧垂计算方法的步骤流程示意图，所述方法包括：

步骤s10，对架空电缆进行温度场仿真，得到所述架空电缆在所处环境条件下的径向温度场分布。

在本发明实施例中，考虑到架空电缆的弧垂值会随着电缆温度上升而增大，如果采用弧垂检测仪以人工巡线的方式检测架空电缆的弧垂值，将无法为运维人员提供实时、准确的数据，从而无法实现架空电缆弧垂值的实时监测。针对该问题，在本实施例中，首先根据架空电缆的载流量以及所处的环境条件，采用ansys温度场仿真的方式得出架空电缆的温度场分布。

具体地，请参阅图2，在本发明实施例中，所述步骤s10可以包括以下子步骤：

子步骤s101，根据架空电缆的规格参数建立仿真模型。

在本发明实施例中，所述架空电缆的规格参数可以包括电缆材质及电缆尺寸，所述电缆材质及电缆尺寸可以在建立仿真模型时根据架空电缆的实际情况进行设定。

子步骤s102，通过所述架空电缆的载流量及所处环境条件计算得到所述架空电缆的发热参数、受热参数和散热参数。

本发明实施例中，为了得到架空电缆的准确温度，在仿真过程中充分考虑了电缆的发热、受热和散热参数。其中，所述发热参数主要由于电缆通入载流量后自身发热产生，所述受热参数由于架空电缆受到光照产生，所述散热参数包括辐射散热和对流散热两种方式。

在本实施例中，所述架空电缆包括钢芯和铝绞线两种材质，所述钢芯和铝绞线并联运行，当电缆通入电流i时，所述发热参数可以表示为：

其中，

q1和q2分别为所述架空电缆中钢芯和铝绞线的发热量，r1和r2分别为钢芯和铝绞线的电阻值，i1和i2分别为流经钢芯和铝绞线的电流值，ρ1和ρ1分别为20℃时钢芯和铝绞线的电阻率，s1和s2分别为钢芯和铝绞线的横截面积，l为架空线的长度。

所述受热参数主要受光照强度、架空电缆受光照面积以及架空电缆的热量吸收率影响，可表示为：

qs＝esηsfs

其中，qs为架空电缆的吸热量，es为太阳光照强度，一般为1000w/m²；ηs为架空电缆对太阳光照热量的吸收率，一般取0.9；fs为架空电缆受光照面积，可根据电缆的规格尺寸计算得到。

所述散热参数包括辐射散热和对流散热两种方式，由于物体的散热功率与自身温度存在密切联系，因此，在本发明实施例中，还需要初步计算架空电缆的运行温度。其计算方法可以表示为：

其中，d为架空电缆的直径；e1为架空电缆的吸收系数；θ为架空电缆的温升；t1为环境温度；v为风速；i为流经所述架空电缆的电流；k为交直流电阻比，一般取1；r20为架空电缆在20℃时的直流电阻；α20为架空电缆在20℃时的电阻温度系数；αrad为辐射系数；es为光照强度；θw1为初步计算的架空电缆运行温度。

在经过初步计算得到架空电缆的运行温度之后，即可通过该运行温度计算得到架空电缆的对流散热量，所述对流散热量可以表示为：

qc＝αc(θw1-t1)fc

式中，qc为对流散热量；θw1为架空电缆的运行温度；t1为环境温度；fc为架空电缆的对流换热面积；αc为对流系数，当风速大于0.5m/s时为强制对流系数，小于0.5m/s时为自然对流系数。

进一步地，所述架空电缆的辐射散热量可以表示为：

qr＝5.7×10^-8ε[(273+θw1)⁴-(273+t1)⁴]fr

其中，qr为辐射散热量；ε为架空电缆的相对辐射系数，与电缆材质和新旧程度有关；θw1为架空电缆的运行温度；t1为环境温度；fr为架空电缆的辐射换热面积。

继续参阅图2，所述子步骤s102之后还包括子步骤s103，根据基于所述发热参数、受热参数和散热参数配置的边界条件对所述仿真模型进行温度场仿真，得到所述架空电缆在所处环境条件下的径向温度场分布。

在本发明实施例中，通过所述子步骤s102计算得到架空电缆的发热参数、受热参数和参数后，根据所述发热参数、受热参数和参数为所述子步骤s101中创建的仿真模型配置边界条件，然后基于所述边界条件对所述仿真模型进行仿真，即可得到架空电缆在所处环境条件下的径向温度场分布。

请继续参阅图1，在所述步骤s10之后还包括步骤s20，获取所述径向温度场分布中的最高温度，根据所述最高温度计算得到所述架空电缆在该最高温度下的当前应力。

在本发明实施例中，考虑到架空电缆的弧垂值会随电缆温度上升而增大，因此，为了保证计算结果的可靠性及架空电缆运行的安全性，通过获取所述架空电缆温度场分布中的最高温度以进行计算。

具体地，请参阅图3，所述获取所述径向温度场分布中的最高温度，根据所述最高温度计算得到所述架空电缆在该最高温度下的当前应力的步骤包括以下子步骤：

子步骤s201，获取所述架空电缆两端杆塔之间的档距、所述架空电缆的初始应力和初始比载，以及所述架空电缆在所述最高温度下的膨胀系数、弹性模量和当前比载。

子步骤s202，根据所述档距、初始应力、初始比载以及所述架空电缆在所述最高温度下的膨胀系数、弹性模量和当前比载进行计算，得到所述架空电缆在所述最高温度下的当前应力。

在本实施例中，所述初始应力和初始比载指架空电缆在架设完成时的应力和比载。通过获取所述档距、初始应力、初始比载以及所述架空电缆在所述最高温度下的膨胀系数、弹性模量和当前比载以进行计算，即可得到所述架空电缆在所述最高温度下的当前应力。该计算方法可以表示为：

其中，l为架空电缆两端杆塔之间的档距；α为架空电缆的膨胀系数；e为架空电缆的弹性模量；σ0为架空电缆的初始应力；σ为架空电缆在所述最高温度下的当前应力；g0为架空电缆的初始比载；g为架空电缆在所述最高温度下的比载；t0为所述初始应力和初始比载对应的环境温度；θw2为所述温度场分布中的最高温度。

请继续参阅图1，本发明实施例提供的架空电缆弧垂计算方法在上述步骤s20之后还包括步骤s30，根据所述当前应力进行弧垂计算，得到所述架空电缆的弧垂值。其中，所述弧垂值为所述架空电缆在所述温度场仿真得到的最高温度下的弧垂值。

具体地，请参阅图4，在本发明实施例中，所述步骤s30包括以下子步骤：

子步骤s301，获取所述架空电缆两端杆塔之间的高度差，以及所述架空电缆在所述最高温度下的当前应力和当前比载。

在本发明实施例中，所述架空电缆两端杆塔之间的高度差为其中一端杆塔相对于另一端参考杆塔的相对高度，当一端杆塔低于参考杆塔时，所述高度差可以表示为负数。

子步骤s302，根据所述高度差以及所述架空电缆在所述最高温度下的当前应力和当前比载进行计算，得到所述架空电缆在所述最高温度下的弧垂值。

在本发明实施例中，通过获取所述架空电缆两端杆塔之间的高度差、档距，以及所述架空电缆在所述最高温度下的当前应力和当前比载，进行计算即可得到所述架空电缆在所述最高温度下任意一个计算点的弧垂值。

其计算方法可以表示为：

其中，fx为架空电缆两端杆塔之间的计算点的弧垂值，σ为架空电缆在所述最高温度下的当前应力，g为架空电缆在所述最高温度下的比载，h为架空电缆两端杆塔之间的相对高度差，l为架空电缆两端杆塔之间的档距，x为计算点相对于参考杆塔的距离。

第二实施例

请参阅图5，为了在得到架空电缆的弧垂值之后进一步得到该弧垂值对应的安全等级，在本发明实施例中，所述方法还包括步骤s40，通过所述架空电缆的弧垂值，判定所述架空电缆的安全等级。

具体地，请参阅图6，在本发明实施例中，所述步骤s40可以包括以下子步骤：

子步骤s401，获取所述架空电缆两端杆塔之间的障碍物高度以及所述架空电缆的初始弧垂值。

在本发明实施例中，所述障碍物可以包括架空电缆两端杆塔之间的树障，所述障碍物高度可以是障碍物最高点相对于地面的高度；所述初始弧垂值为架空电缆在架设完成时的弧垂值。

子步骤s402，通过所述障碍物高度、初始弧垂值以及所述架空电缆在所述最高温度下的弧垂值进行计算，得到所述架空电缆相对于障碍物的净空距离。

由于所述障碍物可能存在于所述架空电缆两端杆塔之间的任意一点，因此，在本实施例中，所述初始弧垂值可以是架空电缆两端杆塔之间任意一个计算点对应的初始弧垂值，在通过子步骤s401获取所述架空电缆两端杆塔之间的障碍物高度以及所述架空电缆的初始弧垂值后，通过所述计算点对应的初始离地高度进行计算，即可得到架空电缆在该计算点的净空距离。其计算方法可以表示为：

i＝h-(fx-f0)-h1

其中，i为计算点的净空距离，h为计算点对应的初始离地高度，fx为计算点在最高温度下的弧垂值，f0为计算点的初始弧垂值，h1为障碍物最高点相对于地面的高度。

请继续参阅图6，在本发明实施例中，所述子步骤s402之后还包括子步骤s403，根据所述净空距离以及所述架空电缆的电压等级判定所述架空电缆的安全等级。

在本实施例中还可以根据所述架空电缆的安全等级发出预警，及时提醒相关工作人员调整架空电缆的运行状态，进一步提高架空电缆运行的安全性。

此外，本发明实施例还提供一种架空电缆弧垂计算装置100，所述装置包括：

仿真模块101，用于对架空电缆进行温度场仿真，得到所述架空电缆在所处环境条件下的径向温度场分布；

获取模块102，用于获取所述径向温度场分布中的最高温度；

计算模块103，用于根据所述最高温度计算得到所述架空电缆在该最高温度下的当前应力；以及

根据所述当前应力进行弧垂计算，得到所述架空电缆的弧垂值。

进一步地，在本发明实施例中，所述仿真模块101具体用于：

根据架空电缆的规格参数建立仿真模型；

通过所述架空电缆的载流量及所处环境条件计算得到所述架空电缆的发热参数、受热参数和散热参数；

根据基于所述发热参数、受热参数和散热参数配置的边界条件对所述仿真模型进行温度场仿真，得到所述架空电缆在所处环境条件下的径向温度场分布。

进一步地，在本发明实施例中，所述获取模块102还用于获取所述架空电缆两端杆塔之间的档距、所述架空电缆的初始应力和初始比载，以及所述架空电缆在所述最高温度下的膨胀系数、弹性模量和当前比载；

所述计算模块103还用于根据所述档距、初始应力、初始比载以及所述架空电缆在所述最高温度下的膨胀系数、弹性模量和当前比载进行计算，得到所述架空电缆在所述最高温度下的当前应力。

进一步地，在本发明实施例中，所述获取模块102还用于获取所述架空电缆两端杆塔之间的高度差，以及所述架空电缆在所述最高温度下的当前应力和当前比载；

所述计算模块103还用于根据所述高度差以及所述架空电缆在所述最高温度下的当前应力和当前比载进行计算，得到所述架空电缆在所述最高温度下的弧垂值。

可选地，在本发明实施例中，所述获取模块102还用于获取所述架空电缆两端杆塔之间的障碍物高度以及所述架空电缆的初始弧垂值；

所述计算模块103还用于通过所述障碍物高度、初始弧垂值以及所述架空电缆在所述最高温度下的弧垂值进行计算，得到所述架空电缆相对于障碍物的净空距离；

所述装置还包括判定模块104，用于根据所述净空距离以及所述架空电缆的电压等级判定所述架空电缆的安全等级。

综上所述，本发明实施例提供一种架空电缆弧垂计算方法及装置，所述方法及装置通过架空电缆的载流量及所处环境条件进行温度场仿真以得到架空电缆的温度场分布，并根据所述温度场分布中的最高温度计算出架空电缆在该最高温度下的当前应力和弧垂值，从而实现实时监测架空电缆的弧垂值，提高了架空电缆运行的安全性。

应当注意的是，在本发明实施例中所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。

以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。