一种使用惰性气体散热的中空铝合金导线及其控制方法

1.本发明是关于输电导线的温度控制，尤其涉及一种使用惰性气体散热的中空铝合金导线及其控制方法。


背景技术：

2.相比于铜导线，铝合金导线具有质量轻、成本低、耐腐蚀性好等优势，但铝合金导线的载流能力和导电性比同规格的铜导线弱。导线温度是影响导线载流能力和导电性的重要因素，在大载流输电情况下，导线温度会迅速升高，仅仅通过导线外表面与空气的对流散热会导致导线温度无法稳定在工作温度，导线难以实现长时间大载流输电的工作需求。并且导线温度过高会导致其导电性减弱，导线强度会降低，输电损耗也会增加。为了提高铝合金导线的载流能力，需要增强导线的散热能力，使铝合金导线的温度在长时间大载流输电时能够稳定在工作温度，这就需要为铝合金导线额外增加散热措施，在大载流输电情况下，当导线温度达到工作温度时，提高导线的散热量，实现导线产热和散热平衡。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种使用惰性气体散热的中空铝合金导线及其控制方法，将中空铝合金导线的内表面设置为环状锯齿形以增大散热面积和提高导线强度，通过控制泄压阀、单向阀的流通和控制气泵输入一定流速的惰性气体实现铝合金导线的内部散热，以解决铝合金导线温度在大载流输电时由于散热不足难以稳定在工作温度的技术问题。
4.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
5.一种使用惰性气体散热的中空铝合金导线，包括具有中空铝合金导线、储气瓶、闸阀、泄压阀、温度传感器、电流表、单向阀、气泵；单向阀安装在中空铝合金导线的进气端，单向阀的出气口与中空铝合金导线进气端的进气口密封连接，单向阀的进气口与气泵的出气口密封连接；温度传感器安装在中空铝合金导线的外表面，用以实时监测中空铝合金导线的温度；电流表与中空铝合金导线电气连接，用以实时监测中空铝合金导线的承载电流；闸阀和泄压阀安装在中空铝合金导线的出气端，闸阀和泄压阀的进气口分别与中空铝合金导线的出气端的两个出气口密封连接，闸阀和泄压阀的出气口与储气瓶的进气口密封连接；
6.所述单向阀的导通方向是由中空铝合金导线的外部指向导线内部；
7.所述泄压阀的导通方向是由中空铝合金导线的内部指向导线外部；
8.所述中空铝合金导线内部为中空贯通式结构，导线两端封闭，在中空铝合金导线的进气端设有一个进气口，在中空铝合金导线的出气端设有两个出气口；所述中空铝合金导线的外表面的横截面可以为圆形等一切能够满足导线电力传输需求的形状，导线的内表面的横截面可以为环状锯齿形、圆形等一切能够满足导线内部散热需求的形状。
9.所述一种使用惰性气体散热的中空铝合金导线的控制方法如下：
10.第一步、根据电流表的读数判断中空铝合金导线是否承载电流，当中空铝合金导线未承载电流时，转至第二步；当中空铝合金导线承载电流时，转至第三步；
11.第二步、当中空铝合金导线未承载电流时，闸阀关闭，气泵向导线内部充入适量惰性气体，使导线内惰性气体压力不超过泄压阀设定工作压力，气泵充气完毕后进入待机状态，转至第一步；
12.第三步、当中空铝合金导线承载电流时，根据温度传感器的读数判断导线温度t是否超过设定温度阈值[t]，若导线温度t未超过设定温度阈值[t]时，气泵继续处于待机状态，闸阀关闭，惰性气体在导线内不流动，导线内表面与惰性气体为单纯热传导关系，惰性气体受热膨胀，气体压力超过泄压阀的设定工作压力后，泄压阀开启排气，排出气体由储气瓶收集冷却以作循环利用，气体排出时带走部分热量实现散热，之后转至第一步；若导线温度t超过设定温度阈值[t]时，转至第四步；
[0013]
第四步，当导线温度t超过设定温度阈值[t]时，气泵启动，闸阀打开，气泵通过单向阀持续向中空铝合金导线内部输入惰性气体，维持气体流速为设定值u，中空铝合金导线的内表面与惰性气体进行强制对流传热，惰性气体由闸阀排出后可以迅速带走导线热量，加强导线散热，使得导线温度t能够最终稳定在工作温度t
max
，排出气体由储气瓶收集冷却以作循环利用，之后转至第三步。
[0014]
所述气体流速的设定值u需要根据导线载流量i、导线电阻率r、导线温度t、导线的热物性质、环境参数(温度、风速、光照等)以及惰性气体的热物性质等参数，通过导线在工作温度下的产热和散热平衡原理计算。
[0015]
所述设定温度阈值[t]不大于导线工作温度t
max
，为导线工作温度t
max
的70％。
[0016]
与现有技术相比本发明的有益效果是：
[0017]
通过将铝合金导线内部设为中空结构，输入惰性气体实现导线内部的散热，在导线大载流输电时通过控制气泵持续输入一定流速的惰性气体流，提高散热效率。本发明能够在导线大载流输电时，将导线温度稳定在工作温度，提高导线寿命和载流能力。
附图说明
[0018]
图1为本发明一种使用惰性气体散热的中空铝合金导线技术方案示意图；
[0019]
图2为本发明实施例中的中空铝合金导线的横截面示意图；
[0020]
图3为本发明实现中空铝合金导线使用惰性气体散热的控制流程图。
具体实施方式
[0021]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面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，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
[0022]
如图1所示，一种使用惰性气体散热的中空铝合金导线，包括中空铝合金导线1、储气瓶2、闸阀3、泄压阀4、温度传感器5、电流表6、单向阀7、气泵8；单向阀7安装在中空铝合金导线1的进气端，单向阀7的出气口与中空铝合金导线1的进气口密封连接，单向阀7的进气口与气泵8的出气口密封连接；温度传感器5安装在中空铝合金导线1的外表面，用以实时监测中空铝合金导线1的温度；电流表6与中空铝合金导线1电气连接，用以实时监测中空铝合金导线1的承载电流；闸阀3和泄压阀4安装在中空铝合金导线1的出气端，闸阀3和泄压阀4
的进气口分别与中空铝合金导线1出气端的两个出气口密封连接，闸阀3和泄压阀4的出气口与储气瓶2的进气口密封连接。
[0023]
所述单向阀的导通方向是由中空铝合金导线的外部指向导线内部。
[0024]
所述泄压阀的导通方向是由中空铝合金导线的内部指向导线外部。
[0025]
所述中空铝合金导线1内部为中空贯通式结构，导线两端封闭，在中空铝合金导线的进气端设有一个进气口，在中空铝合金导线1的出气端设有两个出气口。
[0026]
本发明的工作原理如下：
[0027]
储气瓶2可以收集闸阀3和泄压阀4排出的惰性气体，将其冷却后加以循环利用；闸阀3可以根据控制方法流程实现自动开闭；泄压阀4根据设定的工作压力实现自动开闭，当导线内气体压力超过设定的工作压力时，泄压阀4开启排除气体；温度传感器5和电流表6用以实时监测中空铝合金导线1的导线温度t和导线电流i，作为控制方法流程的判断依据；单向阀7可以防止导线内气体倒流从进气端逸出；气泵8可以根据控制方法流程通过单向阀7向导线内部持续输入惰性气体，并维持导线内气体流速达到设定值u。
[0028]
如图2所示，所述中空铝合金导线1的外表面的横截面可以为圆形等一切能够满足导线电力传输需求的形状，导线的内表面的横截面可以为环状锯齿形、圆形等一切能够满足导线内部散热需求的形状。
[0029]
如图3所示，一种使用惰性气体散热的中空铝合金导线的控制方法流程如下：
[0030]
第一步、根据电流表6的读数判断中空铝合金导线1是否承载电流，当中空铝合金导线1未承载电流时，转至第二步；当中空铝合金导线1承载电流时，转至第三步；
[0031]
第二步、当中空铝合金导线1未承载电流时，闸阀3关闭，气泵8向导线内部充入适量惰性气体，使导线内惰性气体压力不超过泄压阀4设定工作压力，气泵8充气完毕后进入待机状态，转至第一步；
[0032]
第三步、当中空铝合金导线1承载电流时，根据温度传感器5的读数判断导线温度t是否超过设定温度阈值[t]，若导线温度t未超过设定温度阈值[t]时，气泵8继续处于待机状态，闸阀3关闭，惰性气体在导线内不流动，导线内表面与惰性气体为单纯热传导关系，惰性气体受热膨胀，气体压力超过泄压阀4的设定工作压力后，泄压阀4开启排气，排出气体由储气瓶2收集冷却以作循环利用，气体排出时带走部分热量实现散热，之后转至第一步；若导线温度t超过设定温度阈值[t]时，转至第四步；
[0033]
第四步，当导线温度t超过设定温度阈值[t]时，气泵8启动，闸阀3打开，气泵8通过单向阀7持续向中空铝合金导线1内部输入惰性气体，维持气体流速为设定值u，中空铝合金导线1的内表面与惰性气体进行强制对流传热，惰性气体由闸阀3排出后可以迅速带走导线热量，加强导线散热，使得导线温度t能够最终稳定在工作温度t
max
，排出气体由储气瓶2收集冷却以作循环利用，之后转至第三步。
[0034]
所述气体流速的设定值u需要根据导线载流量i、导线长度l、导线电阻率r、导线温度t、导线的热物性质、环境参数(温度、风速、光照等)以及惰性气体的热物性质等参数，通过导线在工作温度下的产热和散热平衡原理计算，根据公式
[0035][0036]
式中，p
l
为导线生热功率；ps为太阳照射吸热功率；pf为对流散热功率，包括中空铝合金导线1外表面与空气自然对流传热功率和中空铝合金导线1内表面与惰性气体的强制对流传热功率；pr为辐射散热功率；αs为导线表面吸热系数；js为地球表面日照强度；αo为中空铝合金导线1外表面与空气自然对流传热系数；ao为中空铝合金导线1外表面积；t
air
为环境温度；αi为中空铝合金导线1内表面与惰性气体强制对流传热系数；ai为中空铝合金导线1内表面积；ti为惰性气体温度；e1为中空铝合金导线1外表面辐射系数；s1为斯特凡-波尔兹曼常数。其中中空铝合金导线1内表面与惰性气体强制对流传热系数αi由惰性气体的流速u、导热系数λ、定压比热容c
p
,、动力粘度μ、密度ρ、温度ti决定，根据公式
[0037][0038]
式中，re为中空铝合金导线1内表面惰性气体流的雷诺准数；pr为中空铝合金导线1内表面的惰性气体流的普兰特准数；nu为中空铝合金导线1内表面的惰性气体流的努塞尔数；μw为惰性气体在处于导线工作温度下时的动力粘度。
[0039]
根据上述公式可计算获得所需惰性气体流速的设定值u。
[0040]
所述设定温度阈值[t]不大于导线工作温度t
max
，为导线工作温度t
max
的70％。所述导线工作温度t
max
＝100℃。