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基于导线径向温度和蠕变的导线弧垂计算方法.pdf
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1、面向双碳目标的环保型电力设备DOI:10.15961/j.jsuese.202200951基于导线径向温度和蠕变的导线弧垂计算方法赵隆1,王如水1,代鹏飞1,朱超2,黄新波1(1.西安工程大学 电子信息学院,陕西 西安 710600;2.陕西电力科学研究院,陕西 西安 710100)摘要:输电线路弧垂是线路安全运行的重要指标,针对输电导线温度非均匀分布和蠕变带来的弧垂计算偏差,本文开展了径向温度和蠕变对弧垂计算模型影响程度的研究。首先,基于导线的物理构成和结构特征建立了导线的有限元模型,对不同运行状态下的输电导线进行有限元仿真,分析了不同运行状态下的导线径向温度分布规律;其次,建立了考虑径向温
2、差的导线应力、导线径向热膨胀和蠕变的弧垂计算模型,基于力平衡原理研究了考虑径向温差的导线径向热膨胀、导线应力与伸长量的关系,分析了蠕变与伸长量的关系,并通过伸长量与弧垂的关系函数得到导线弧垂;最后,为了验证该弧垂计算模型的准确性和实用性,本文基于陕西某110 kV实际输电线路进行了验证。结果表明:对于本现场实际运行的导线来说,蠕变对弧垂计算的准确性影响最大,其次是导线径向温差,最后是径向热膨胀;在忽略导线径向温差、径向热膨胀和蠕变时,弧垂计算的误差范围为45.2%30.0%,最大误差高达45.2%,而本文的优化模型计算误差小于1.1%;当忽略导线径向温差和径向热膨胀时,导线弧垂计算存在误差,且
3、随着径向温差增大,忽略导线径向温差和径向热膨胀带来的弧垂计算误差也逐渐增大。关键词:输电导线;径向温度;蠕变;弧垂;有限元仿真中图分类号:TM751文献标志码:A文章编号:2096-3246(2023)04-0021-09Calculation Method of Conductor Sag Based on Radial Temperature and CreepZHAO Long1,WANG Rushui1,DAI Pengfei1,ZHU Chao2,HUANG Xinbo1(1.School of Electronics Information,Xian Polytechnic Uni
4、v.,Xian 710600,China;2.State Grid Shaanxi Electric Power Research Inst.,Xian 710100,China)Abstract:The sag of the transmission line is an important index for its safe operation.Focusing on the calculation deviation of conductor sagcaused by the non-uniform temperature distribution of transmission li
5、nes and the creep,the influence degree of the radial temperature and thecreep on the sag calculation model was studied in this paper.Firstly,the finite element model of the conductor was established based on its phys-ical composition and structural characteristics.Considering different operating con
6、ditions of the transmission line,the radial temperature was ana-lyzed through the finite element simulation.Secondly,considering the radial temperature difference of stress,the radial thermal expansion and thecreep,the sag calculation model was built.Based on the force balance principle,the relation
7、ship among the radial thermal expansion consideringthe radial temperature difference,the stress and the strain of the conductor was studied and the relationship between creep and strain was ana-lyzed.Then the conductor sag was calculated through the function of the strain and the sag.Finally,in orde
8、r to verify the accuracy and practicabil-ity of the sag calculation model,the model was verified by a 110 kV transmission line in Shaanxi Province.The results show that the influence onthe accuracy of the sag calculation from largest to smallest are the creep,the radial temperature difference and th
9、e radial thermal expansion basedon the 110 kV transmission line in Shaanxi Province.Without taking into account the radial temperature difference,the radial thermal expansionand creep,the error of sag was in the range from 45.2%to 30.0%.And the maximum error was 45.2%.The error range under the optim
10、ization收稿日期:2022 09 04基金项目:陕西省重点研发计划(2023-YBGY-069);国网陕西电科院委托项目(2126KY19006K);陕西省重点研发计划(2021GY-068);陕西省重点研发计划(2018ZDXM-GY-040)作者简介:赵隆(1987),男,副教授,博士.研究方向:输电线路在线监测与状态评估技术;结构健康监测技术;无线传感器.E-mail:网络出版时间:2023 06 28 13:19:07 网络出版地址:https:/ http:/http:/ 第 55 卷 第 4 期工 程 科 学 与 技 术Vol.55 No.42023 年 7 月ADVANCE
11、D ENGINEERING SCIENCESJuly 2023model of sag in this paper was less than 1.1%.When the influence of the radial temperature difference and the radial thermal expansion on the sagis ignored,the error of sag is existed and the error becomes greater with the increase of the radial temperature difference.
12、Key words:transmission line;radial temperature;creep;sag;finite element simulation 近年来,随着新能源大规模并网及社会发展对电能需求的快速增长,导线运行安全不断受到新的挑战。其中,输电线路弧垂是线路安全运行的重要指标。受温度变化,导线易出现弧垂增大现象,严重时可能产生对地放电12,威胁输电线路安全。导线弧垂计算通常考虑导线温度、档距、长度、高差、应力和比载等参数3。上述因素中,除导线温度和应力外,其余均为固定参数,而应力也受到导线温度的影响。因此,导线温度变化是运行过程中影响导线弧垂变化的主要因素。目前,针对输电
13、线路的弧垂计算已经有许多方法。其中,Nigol4和Barrett5等提出了一种基于ACSR导体的应力应变和温度应力数据曲线的弧垂算法,但该方法忽略了导线径向温度分布不均匀的特点;Alawar等6提出了一种基于导线应力应变曲线的导线弧垂预测方法,但该方法没有考虑导线温度的影响;Albizu等7基于高温低弧垂导线分别分析了基于导线应力应变曲线的弧垂算法和考虑应变、温度、蠕变等多个因素的弧垂算法;Dong等8提出了结合悬链线函数、应力应变关系以及3种应变之间的关系和张力平衡方程的弧垂算法,但该方法仍是将导线看作统一的整体,并未考虑导线径向温度分布不均匀的特点。然而,由于导线内外层的材料不同,不同层导
14、线的物理参数(如弹性模量、热膨胀系数等)也存在明显差异9。此外,刘刚10和李军辉11等通过有限元方法发现导线存在径向温度梯度;冯凯等12基于导线径向热路模型分析发现导线存在径向温度梯度。因此,在进行弧垂计算时不能把导线简单地当作统一整体进行分析。Liu等13提出了基于导线温度场分析的弧垂算法,即通过每一层导线的温度分析、计算导线的分层应力、弧垂和临界温度,但该方法忽略了同一层导线的不同根线股也存在较大温差,没有考虑蠕变特性对弧垂计算的影响。Albizu等14结合导线载流量、温度等运行参数,针对含空气隙的导线提出了一种应变张力的弧垂算法。Guo等15提出了基于导线径向温度分析的弧垂算法,即通过有
15、限元仿真分析导线径向温度计算了导线弧垂。上述两种算法忽略了导线径向热膨胀的影响。由于钢芯铝绞线与其他金属一样具备蠕变特性和热膨胀性16,忽略导线蠕变和导向径向热膨胀也为导线弧垂计算带来了一定误差,因此上述算法仍需要改进。在线监测法主要为利用张力、倾角和温度传感器对导线弧垂进行实时监测17以及利用GPS定位或北斗差分定位实现对导线弧垂的精准测量18,虽然这些方法对导线弧垂进行了实时监测,但无法实现对弧垂变化的预测,不能实现故障发生前的预警功能。麻卫峰等19建立了基于航拍图像的弧垂监测方法,该方法需要通过航拍对导线弧垂进行测量和分析1921,无法满足实时回传数据、及时发现故障的需求;宰红斌等22提
16、出了基于机器学习的导线弧垂估计方法;李嘉雨等23提出了基于PSO-BP算法的导线弧垂预测方法;刘沛轩等24提出了基于遗传算法的导线弧垂修正算法,这些方法需要大量的图片累计来完成模拟计算,才能达到合适的准确度。因此,为了更准确地计算出导线弧垂,本文提出了一种基于导线径向温度和蠕变的导线弧垂计算方法。基于输电导线的有限元仿真,考虑导线径向膨胀对计算每一根线股对输电导线弧垂的影响。同时计算导线蠕变,实现对导线弧垂算法的修正,最终结合现场监测数据验证算法的准确性。结合气象参数实现对导线弧垂的预测,更好地实现动态增容技术。1 导线径向温度分布规律由于导线内外层材料和温度均不相同,为了更准确地分析导线弧垂
17、,本文分析了不同载流量和不同环境条件下的导线径向温度分布规律。以导线LGJ-300/40为例,建立了流固耦合3维导线的有限元模型。该导线是由7根半径为1.33 mm的钢芯和24根半径为1.98 mm的铝股绞合而成,且相邻层绞线反向绞制,导线模型长度为200 mm,图1为导线物理模型。(a)LGJ300/40 导线截面图(b)LGJ300/40 导线侧视图图 1LGJ300/40导线物理模型Fig.1Three-dimensional physical model of LGJ300/40 22工程科学与技术第 55 卷导线的钢芯钢芯之间、钢芯铝股之间以及铝股铝股之间存在空气间隙。在钢芯铝绞线的
18、制作过程当中,相邻导体相互摩擦、挤压使其表面凹凸不平,两两导体之间存在点接触,导线相关参数见表1。在实际运行过程中,导线可视作无限场,流体域为无限大。此外,风速和风向实时发生变化;随着太阳的角度不同,导线受到日照强度的影响不同。考虑到影响导线温度的因素主要为风速、日照强度以及环境温度,对模型作出如下简化:1)由于导线外径较小,当导线热交换范围不超过流体域时,就认为导线处于无限大空间内;2)当导线的长度包含一个节距时,对导线设置symmetry面就默认导线为无限长;3)默认某时刻的风速、风向以及日照强度是固定的。导线热交换方式为接触热传递、对流散热和辐射散热。其中,接触热传递主要存在于线股之间;
19、对流散热主要存在于线股与空气之间;辐射散热则存在于每一层线股。因此,本文将3维导线模型导入有限元仿真软件中,进行预处理和导线命名。为了更准确地模拟导线实际情况,将流体域和导线的延伸面设置为symmetry面,并设置风速出入口。其次,按照数量最少、仿真结果最准确的原则进行了网格划分。对于流体域,网格划分尺寸相对较大。而导线线股存在扭曲,且导线接触使得导线之间的空气间隙狭小并存在尖角,因此网格划分需要单独细化和加密,网格划分尺寸最小,如图2所示。其中,蓝色箭头表示风速入口,红色箭头表示风速出口。右上角方框中展示了紧密网格的局部放大结果,不同颜色的圆球代表钢芯铝绞线的线股。由于导线内外层材料不同,其
20、电阻也不同,钢芯和铝股产生的热通量有所差异。因此,在计算导线线股热生成率时,根据导线流过的电流和电磁感应对铝股及钢芯的热生成率进行单独计算。此外,由于导线本身的物理结构特征,导线的最外层铝股会受到太阳辐射和风速的影响,故根据现场运行数据导线最外层铝股需要单独施加太阳辐射热量,根据风速出入口方向设置风速大小和角度,再设置导线所处的环境温度。本文以陕西省某110 kV输电线路的实时监测结果为例,表2给出了该线路在2020年8月2日至8月8日期间每日12:30监测所得气象、导线载流量和弧垂等数据。其中,8月2日12:30的风速为1.1 m/s,风向角为151,日照强度为850 W/m2,载流量为13
21、2.8 A,导线径向温度分布如图3所示。由图3可以看出,导线温度存在明显的径向梯度,且每一股导线的温度各不相同,最大径向温差约为2.9,主要受到风速、风向角、日照强度、导线载流量的影响。由于空气间隙、风速和风向角的存在,导线迎风侧温度最低,从迎风侧到背风侧温度逐渐升高;导线上下表面温度变化较小;钢芯散热情况最差,但由于固体传热比气体传热快,所以钢芯温度不一定最高。日照产生的能量只能辐射到导线表面,从而影响导线的径向温度分布。载流量流过导线产生的 YXZ图 23维导线模型网格Fig.2Grids of 3D conductor model 风向1.1 m/s温度/C35.6535.1034.56
22、34.0133.4732.9232.3831.8331.2930.7430.20图 3导线径向温度分布Fig.3Distribution of radial temperature on conductor 表 1LGJ300/40导线参数Tab.1 Conductor parameters of LGJ300/40 导线数量/根半径/mm弹性模量/GPa绞入率/%最外层次外层内层铝芯241.98553.372.881.11镀锌钢芯71.33190 表 2气象、导线载流量以及弧垂数据Tab.2 Data of weather,ampacity of conductors and sag 日期载
23、流量/A风速/(ms1)风向/()环境温度/日照强度/(Wm2)弧垂/m8月2日132.81.115130.28502.338月3日156.51.13032.32232.098月4日136.42.015630.33642.048月5日163.51.317133.23752.158月6日151.92.43028.81371.978月7日84.11.52824.41251.888月8日137.51.716430.65022.08 第 4 期赵隆,等:基于导线径向温度和蠕变的导线弧垂计算方法23热量因导线材料而异,且空气隙传热性能不如金属接触好,故存在径向温差。因此,在计算导线弧垂时,需要考虑每一股
24、导线的温度。2 考虑径向温度和蠕变的弧垂计算模型传统弧垂计算模型中并未考虑导线轴径向温度和蠕变的影响,因此本节将采用悬链线模型分析径向温度分布和蠕变对输电导线弧垂及应力的影响,优化导线弧垂计算模型。随着外部环境、导线架设条件和导线相关参数的变化,弧垂也随之变化。本文将导线弧垂的变化分为两个部分,包括永久性形变和非永久性形变。永久性形变主要由残余形变(绞合线相互挤压)和蠕变伸长构成;非永久性形变主要由弹性形变和导线热膨胀形变构成25。对导线考虑径向温度的弧垂计算作以下假设:1)导线的铝股和钢芯具有弹性线性应力应变行为,且导线只承受拉力,不考虑弯曲、剪切和扭转的力;2)考虑横向形变时,由于导线的径
25、向热膨胀远大于泊松效应和相邻层挤压力产生的形变,因此忽略泊松效应和相邻层挤压力产生的形变;3)导线受到的内外力平衡,忽略残余形变。2.1 计及径向温度的应力与伸长量fL0导线应力是影响导线弧垂的重要因素之一。在导线实际运行过程中,导线弧垂 未知,导线长度 未知,故通过基础的几何关系得到导线的单位面积初始应力,图4为输电导线示意图。lhh图4中,A和B分别为导线的左右悬挂点,C为最低点。输电导线的跨距为,高差为(当右侧悬挂点B高于左侧悬挂点A时,为正,否则为负),为A、B两悬挂点连线与水平方向的夹角,为A点弧垂切线与x轴的夹角。0初始应力的计算公式13为:0lcosh(l20)l+(hLh=0)
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