本发明涉及特高压电气输电、气体绝缘输电线路(gil)热特性、长距离特高压gil设备热可靠性等领域，特别是涉及一种廊管内gil运行温度评估方法。
背景技术：
气体绝缘输电线路(gil)是一种采用气体作为绝缘介质的长距离输电装置，与传统电缆输电相比，具有容量大，损耗低，使用寿命长等优点。常见的gil故障如放电、绝缘子击穿等发生时都伴随有导体或外壳温度异常等现象。不仅如此，gil母线温度过高还会发生母线拱顶，甚至盆式绝缘子破裂，盆子防水胶开裂等故障。gil热特性的研究对提高gil的热可靠性和保障gil安全稳定运行具有重要意义。现阶段多采用有限元计算方法对gil热特性进行研究，但是有限元仿真方法计算量大，一般不能作为子程序嵌入到gil温度监测系统中。
因此，如何创新的提出一种快速有效的廊管内gil运行温度评估方法以满足实际应用的需求是重中之重。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题在于解决现有有限元数值模拟计算方法不能快速得到廊管内gil运行温度，并且不能作为子程序嵌入到gil温度实时监测系统中的问题，从而提出一种廊管内gil运行温度评估方法,采用解析方法对gil的热特性进行求解，不仅能够快速的对gil热特性问题进行求解，还可作为子程序嵌入到gil温度监测系统中。对gil运行温度的快速掌握更有助于提高gil的热可靠性和更好保障gil安全稳定运行，该方法还能作为子程序嵌入到gil温度实时监测系统中。
为解决上述问题，本发明的技术方案为：
一种廊管内gil运行温度评估方法，包括以下步骤：
步骤s1：建立gil物理模型，模型涉及电阻焦耳发热效应、外界空气的自然对流层流流动或强迫湍流对流、内部绝缘气体(如sf6气体)自然对流的层流流动、辐射传热等电、热、流、固多物理场，是一个多物理场耦合模型。因此本模型评估廊管内gil运行温度参数指标包括导体与外壳的焦耳热损、导体与外壳间的对流传热量和热辐射量、外壳与空气间的对流传热量和热辐射量。
步骤s2：计算导体初始功率损耗，根据上述的物理模型，涉及计算的流体和固体材质属性均考虑随局部温度的变化，即外界空气、内部绝缘气体、导体和外壳材质热物性参数均为温度的函数公式，所述的外壳材质热物性参数包括粘性系数，传导系数，定常比压，比热容、热膨胀系数，由此使得计算时热物性参量的数值更贴近运行实际情况；在实际求解中根据导体的热物性参数和集肤效应系数，确定导体的初始温度，假定初始温度与环境温度相等，根据给定的初始工况参数计算gil管道启动运行工况下迭代求解出相应公况下导体的生热量；
步骤s3：计算外壳初始功率损耗，计算外壳电阻焦耳发热量时考虑外壳电阻的集肤效应，即外壳截面上，中心电流密度小，靠近表面的电流密度大，根据步骤s1的物理模型，在确定了外壳的热物性参数和集肤效应系数后，确定导体的初始温度，根据给定的初始工况参数计算gil管道启动工况下迭代求解出相应公况下导体的生热量。
步骤s4：计算外壳与空气的热对流和热辐射量，判断gil导体整体的产热量与散热量误差是否小于程序设定误差，误差不超过5％，gil导体整体的产热量由导体的产热量和外壳的产热量组成；gil导体的散热通过与外界空气直接接触的外壳进行，故gil导体整体的散热量由外壳与外界空气间的的对流传热量和辐射传热量组成；计算涉及的外壳和外界空气的热物性参数均为温度的函数，通过判断gil导体整体的产热量和散热量误差是否小于设定误差来判断gil导体整体的产热和散热是否达到平衡，即gil导体运行是否已经达到稳态。
步骤s5：若步骤s4误差小于设定误差，则进行下一步骤，否则外壳初始温度增大0.1℃返回步骤s3；
步骤s6：计算导体与外壳间的热对流和热辐射量，判断导体的产热量与散热量误差是否小于设定误差；导体的功率损耗的直接表示形式即为导体的产热量，导体的散热主要通过绝缘气体进行，故导体的散热量由导体与外壳间的自然对流传热量和辐射传热量组成，导体和外壳间的热对流和热辐射量的计算，主要涉及导体和外壳的运行温度，以及绝缘气体的动力粘度、导热系数、定压比热容、容积膨胀系数等热物性参数，其中所有的热物性参数均是温度的函数。通过判断导体的产热量与散热量误差是否小于设定误差来判断导体产热和散热是否达到平衡，即导体运行是否已经达到稳态。
步骤s7：若步骤s6误差小于设定误差，则计算结束输出结果，否则导体温度增大0.1℃返回步骤s2。当导体的产热量与散热量误差小于设定误差时，说明导体的运行达到稳态，可以得到稳定运行时导体的运行温度。若导体的产热量与散热量误差大于设定误差，即导体运行未达到稳态，此时需要增加导体温度再进行迭代计算，直至误差满足条件即可跳出循环，输出gil运行稳定时接近实际的导体和外壳的温度。
所述步骤s1中gil物理模型涉及的未知量包括空气与绝缘气体的对流换热系数、热扩散率、热导率、动力粘度、比热容等为温度函数的热物性参数，为温度函数的导体和外壳的导热系数和集肤效应系数，通过采用与温度联系的参数，可以使结果更加贴近实际。
所述步骤s1中初始工况参数包括导体负载电流、廊管内环境温度、gil管道内压、廊管内空气流速、gil管道结构参数。
所述步骤s2中，导体存在集肤效应，计算导体电阻焦耳发热量时考虑了导体的集肤效应；确定导体初始温度后，可根据初始工况条件确定导体初始功率损耗，其中相关计算公式为：
式中，rc为导体的电阻，kfc为导体的集肤效应系数，ρc20为20℃时导体的直流电阻率，tc为导体的运行温度，αc20为导体的电阻温度系数，sc为导体的横截面积，dc为导体外径，cc为导体壁厚，pc为导体的每米损耗，i为导体额定电流。
所述步骤s3中，外壳存在集肤效应，计算外壳电阻焦耳发热量时考虑了外壳的集肤效应；确定外壳初始温度后，可根据初始工况条件确定外壳初始功率损耗。其中相关计算公式为：
式中，rt为外壳的电阻，kft为外壳的集肤效应系数，ρta为20℃时外壳的直流电阻率，tt为外壳的运行温度，αta为外壳的电阻温度系数，st为外壳的横截面积，dt为外壳外径，ct为外壳壁厚，pt为外壳的每米损耗，i为外壳额定电流。
所述步骤s4中，gil导体整体的产热量由导体的产热量和外壳的产热量组成，散热量由外壳与外界空气间的的对流传热量和辐射传热量组成，相关计算公式为：
式中，qtc为外壳每米对流散热量，qtr为外壳每米辐射散热量，αa为空气对流换热系数，ta为环境空气温度，εt为外壳内表面黑度，nu为外界空气的努塞尔数，λa为空气的导热系数，gra为空气的普朗特数，g为重力加速度，βa为空气的容积膨胀系数，μa为空气的动力粘度，tda为空气定型温度，δ1为gil导体的产热量与散热量误差。
所述步骤s6中，导体的功率损耗即为导体的产热量，导体的散热量由导体与外壳间的自然对流传热量和辐射传热量组成，相关计算公式为：
式中，qcc为导体每米对流散热量，qcr为导体每米辐射散热量，εc为导体外表面黑度，εe为全组物体的相当黑度，λe为当量导热系数，λ为绝缘气体导热系数，grs为绝缘气体格拉晓夫数，prs为绝缘气体普朗特数，cp为绝缘气体定压比热容，μ为绝缘气体粘度，βs绝缘气体的容积膨胀系数，rti为外壳内半径，rco为导体外半径，tds为绝缘气体的定型温度，δ2为导体的产热量与散热量误差。
步骤s5中，增大的温度单位值可更具实际情况中gil测温装置的进度进行设置，计算精度高。
步骤s7中，增大的温度单位值可更具实际情况中gil测温装置的进度进行设置；输出的结果为gil运行到稳态时导体、外壳的温度以及需要的绝缘气体的定性温度。
本发明的廊管内gil运行温度评估方法，基于能量守恒定律建立的以为节点热量传递网络模型，通过在windows操作系统的matlab环境中设计的廊管内特高压gil热特性matlab计算程序，可以利用不同初始工况下的gil相关特性参数来对其稳定运行时的温度进行评估计算。
本发明通过设计matlab程序进行评估计算，为将预测gil热特性的程序嵌入到gil温度监测系统中提供了可行的手段。本方法可以方便快捷的求得不同工况下gil的传热特性以及导体和外壳的温度，进而对gil从开始运行至稳定时的热特性有一个很好的研究，其实现的计算程序，操作方便，实用性强，计算速度快，可依据不同的工况设置初始参数，为对gil热特性的研究提供了很好的理论基础，而且可以作为子程序嵌入到gil的温度监测系统中，对提高实现gil的可靠性有重要作用。
附图说明
图1是本发明的廊管内gil运行温度评估方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合幅图对本发明做详细叙述。
本发明主要是想对特高压廊管gil热特性产热和传热过程通过解析计算进行模拟，首先对进行计算的gil结构进行简化处理：一是忽略触头部分的功率损耗与传热，二是只对一米长的单相gil管道进行热特性的研究。gil母线通电运行后，不仅导体上存在电流，外壳上也有与负载电流等大反向的感应电流，因此导体和外壳均会产生功率损耗。导体和外壳间的热量传递是通过两者间的绝缘气体的对流和辐射进行的，外壳与外界空气的热量传递是通过外界空气的对流和辐射进行的。从能量守恒定律出发，处于热稳定状态时，导体的损耗以辐射方式和自然对流方式传递给外壳，gil总体损耗以辐射和自然对流方式传递给周围空气，二者处于平衡状态。本模型评估廊管内gil运行温度的主要参数指标包括导体与外壳的焦耳热损、导体与外壳间的对流传热量和热辐射量、外壳与空气间的对流传热量和热辐射量。
gil母线能量守恒：
pc+pt＝qtc+qtr(5)
pc＝qcc+qcr(6)
其中pc和pt分别为导体和外壳的每米功率损耗，w/m；qtc为外壳与空气的自然对流换热量，w/m；qtr为外壳外表面的辐射散热量，w/m；qcc为导体和外壳的对流换热量，w/m；qcr为导体外表面的辐射散热量，w/m。
主要评估参数的计算：
pc＝i2rc(7)
pt＝i2rt(8)
qtc＝αaπdt(tt-ta)(11)
其中，tc为导体的温度，tt为外壳温度，ta为初始环境温度。可以从式中得到，导体温度、外壳温度、环境温度与gil的损耗与传热量息息相关。
参见图1给出的廊管内gil运行温度评估方法示意图，提供一种廊管内gil运行温度评估方法，用于评估计算不同初始工况条件下廊管内特高压gil的稳态运行温度，其评估计算步骤如下：
步骤s1：根据空气、绝缘气体、导体和外壳的相关热物性参数建立gil物理模型；母线导体和外壳为发热元件,外壳通过自然对流和辐射向外界散发热量。为了反映真实传热过程，导体与外壳之间考虑自然对流和辐射的热量传递方式，即内部绝缘气流的自然对流换热、导体外表面及外壳内表面的热量辐射与吸收，因为假设导体及外壳轴向和周向温度均匀，只考虑导体和外壳在固体域内的径向热传导，由此基于能量守恒定律建立一维节点热量传递网络模型。模型涉及电阻焦耳发热效应、外界空气的自然对流层流流动或强迫湍流对流、内部绝缘气体(如sf6气体)自然对流的层流流动、辐射传热等电、热、流、固多物理场，是一个高度复杂的多物理场耦合模型。因此本模型评估廊管内gil运行温度参数指标包括导体与外壳的焦耳热损、导体与外壳间的对流传热量和热辐射量、外壳与空气间的对流传热量和热辐射量。
步骤s2：确定导体初始温度与初始工况条件，计算导体初始功率损耗；与大多数常用电缆计算电阻取为常数不同，计算导体电阻焦耳发热量时考虑了导体电阻的集肤效应(即导体截面上，中心电流密度小，靠近表面的电流密度大)。根据上述的物理模型，涉及计算的流体和固体材质属性均考虑随局部温度的变化，即外界空气、内部绝缘气体、导体和外壳材质热物性参数均为温度的函数公式，所述的外壳材质热物性参数包括粘性系数，传导系数，定常比压，比热容、热膨胀系数，由此使得计算时热物性参量的数值更贴近运行实际情况；在实际求解中根据导体的热物性参数和集肤效应系数，确定导体的初始温度，假定初始温度与环境温度相等，根据给定的初始工况参数计算gil管道启动运行工况下迭代求解出相应公况下导体的生热量；
步骤s3：确定外壳初始温度与初始工况条件，计算外壳初始功率损耗；计算外壳电阻焦耳发热量时考虑外壳电阻的集肤效应，即外壳截面上，中心电流密度小，靠近表面的电流密度大，根据步骤s1的物理模型，在确定了外壳的热物性参数和集肤效应系数后，确定导体的初始温度(初始温度与环境温度相等)，根据给定的初始工况参数计算gil管道启动工况下迭代求解出相应公况下导体的生热量。
步骤s4：计算外壳与空气的热对流和热辐射量，判断gil导体整体的产热量与散热量误差是否小于程序设定误差(一般不超过5％)；gil导体整体的产热量由导体的产热量和外壳的产热量组成；gil导体的散热通过与外界空气直接接触的外壳进行，故gil导体整体的散热量由外壳与外界空气间的的对流传热量和辐射传热量组成；计算涉及的外壳和外界空气的热物性参数均为温度的函数，通过判断gil导体整体的产热量和散热量误差是否小于设定误差来判断gil导体整体的产热和散热是否达到平衡，即gil导体运行是否已经达到稳态。
步骤s5：若步骤s4误差小于设定误差，则进行下一步骤，否则外壳初始温度增大0.1℃返回步骤s3；当gil导体整体的产热量和散热量误差小于设定误差时，说明gil导体运行已经达到稳态，可以得到稳定运行时外壳的运行温度；若gil导体整体的产热量和散热量误差大于设定误差，即gil导体运行未达到稳态，则需要增加外壳温度再进行迭代计算，直至误差满足条件跳出循环进行下一步。
步骤s6：计算导体与外壳间的热对流和热辐射量，判断导体的产热量与散热量误差是否小于设定误差；步骤s7：若步骤s6误差小于设定误差，则计算结束输出结果，否则导体温度增大0.1℃返回步骤s2。
本发明的廊管内gil运行温度评估方法，通过在windows操作系统的matlab环境中设计的廊管内特高压gil热特性matlab计算程序，利用初始工况下的gil相关特性参数来对其稳定运行时的温度进行评估计算。
上述工况初始工况参数包括导体负载电流、廊管内环境温度、gil管道母线内压、廊管内空气流速、gil管道结构参数。
给定不同工况的初始参数值，经过计算可得gil导体与外壳的焦耳热损、导体与外壳间的对流传热量和热辐射量、外壳与空气间的对流传热量和热辐射量、导体和外壳的温度。
验证示例：
为验证上述方法的正确性，以导体内径为160mm、导体壁厚20mm、外壳内径860mm、外壳壁厚16mm的gil作为实验对象，针对导体与外壳的焦耳热损、导体与外壳间的对流传热量和热辐射量、外壳与空气间的对流传热量和热辐射量等数据进行计算。实验gil的外界环境温度为25℃，实验工况为额定电流8000a。
gil外界环境温度为25℃，假定gil初始运行时刻导体的初始温度为24.9℃，外壳的初始温度为25℃，由式7～12便可计算得到初始时刻的导体与外壳的焦耳热损分别为187.96w/m、80.47w/m，导体与外壳间的对流传热量和热辐射量分别为2.19×10-3w/m、-2.48×10-2w/m，外壳与空气间的对流传热量和热辐射量均为0w/m。由计算结果可明显观察到，该时刻gil并未运行稳定。此时需要增大外壳或者导体的温度进行循环迭代计算，直到设定误差得到满足：
通过计算得到gil稳定运行时导体与外壳的焦耳热损分别为177.88w/m、41.15w/m，导体与外壳间的对流传热量和热辐射量分别为93.77w/m、75.39w/m，外壳与空气间的对流传热量和热辐射量分别为167.13w/m、15.56w/m。由gil稳定运行时得到的导体与外壳的焦耳热损、导体与外壳间的对流传热量和热辐射量、外壳与空气间的对流传热量和热辐射量便可得到稳定运行时导体和外壳的温度分别为66.7℃、39.3℃。而在实际实验中，gil导体和外壳的温度分别为68.8℃、40.6℃，与本评估方法得到的导体和外壳温度的误差均为3.2％。可见本计算评估方法具有较高的精度，是实际可行的。
本发明的廊管内gil运行温度评估方法评估计算得到的导体和外壳温度可以表征gil母线实际正常运行时的导体和外壳温度，在gil温度监测系统中嵌入本评估计算模型，可以快速发现gil温度异常现象，并对gil进行检修，可以有效提高gil的运行可靠性。
本发明提供的廊管内gil运行温度评估方法，通过设计matlab程序进行评估计算，为将预测gil热特性的程序嵌入到gil温度监测系统中提供了可行的手段。本方法可以方便快捷的求得不同工况下gil的传热特性以及导体和外壳的温度，进而对gil从开始运行至稳定时的热特性有一个很好的研究，其实现的计算程序，操作方便，实用性强，计算速度快，可依据不同的工况设置初始参数，为对gil热特性的研究提供了很好的理论基础，而且可以作为子程序嵌入到gil的温度监测系统中，对提高实现gil的可靠性有重要作用。
以上对本发明所提供的廊管内gil运行温度评估方法进行了详细介绍，并应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例子的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，再具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应该理解为对本发明的限制。