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一种基于 能量积聚与耗散理论的架空导线 温度修正方法

阅读：928发布：2020-05-08

专利汇可以提供一种基于能量积聚与耗散理论的架空导线温度修正方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种基于能量积聚与耗散理论的架空导线温度修正方法，它包括步骤1、温、湿度等数据采集：从气象台获取监测区域太阳辐射历史监测数据；步骤2、逐小时太阳辐射强度计算；步骤3、计算太阳辐射的日照生热量、对流散热量与辐射散热量；步骤4、通过能量积聚与耗散理论修正得到导线温度；解决了现有技术输电线路温度监测元件使用寿命短，容易受电磁干扰等缺点；导致不能有效对输电线路温度进行准确测量；在一些没有温度监测设备的地方不能对输电导线进行温度监测等技术问题。，下面是一种基于能量积聚与耗散理论的架空导线温度修正方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于能量积聚与耗散理论的架空导线温度修正方法，它包括：
步骤1、温、湿度等数据采集：从气象台获取监测区域太阳辐射历史监测数据；
步骤2、逐小时太阳辐射强度计算；
步骤3、计算太阳辐射的日照生热量、对流散热量与辐射散热量；
步骤4、通过能量积聚与耗散理论修正得到导线温度。
2.根据权利要求1所述的一种基于能量积聚与耗散理论的架空导线温度修正方法，其特征在于：步骤2所述逐小时太阳辐射强度计算包括：
太阳赤纬角、时角和高度角的计算
太阳赤纬角随季节变化，按照库珀(Cooper)方程，由下式计算:
其中δ为太阳赤纬角，n按天数顺序排列的积日；1月1日为0；2日为1；其余类推，平年12月31日为364；闰年12月31日为365；太阳的时角用ω表示，定义为在正午时为0°，每隔一小时增加15°，上午为正，下午为负；以中国北京时间为依据的时角ω计算公式为:
ω＝(12-t)×15°+(120°-ψ)    (2)
式中ω为太阳时角；ψ为当地经度；t北京时间；
太阳高度角
h为太阳高度角；地理纬度；δ为太阳赤纬角；ω为太阳时角；
大气层上界的太阳辐射强度的计算
n按天数顺序排列的积日；Isc太阳常数，1367W/m2
大气质量的计算
当太阳高度角h≥30°时，大气质量m的计算公式为:
m(h)＝1/sinh    (5)
h＜30°时，
m(h)＝[1229+(614×sinh)2]1/2-614×sinh  (6)
温度对m的影响，一般可以忽略不计；对于海拔高度1500米以上的地区，应对大气压力进行订正，即
P(z)/P0＝[(288-0.0065×z)/288]5.256    (8)
式中:z为观测地点的海拔高度；P(z)观测地点的大气压；P(z)/P0为大气压修正系数，P0为标准大气压。
大气透明度系数的计算
直射辐射大气透明度系数的计算公式:
-0.56m(z,h) -0.096m(z,h)
τb＝0.56×(e +e )×k1    (9)
参数k1的取值范围为0.8～0.9，具体取值根据贵州太阳辐射监测数据进行反演。
散射辐射大气透明度系数的计算公式:
τa＝0.2710-0.2939×τb    (10)
全晴天水平面到达的太阳总辐射强度I的计算
式中:参数k2的取值范围为0.6～0.9；I0大气层上界的太阳辐射强度。
3.根据权利要求1所述的一种基于能量积聚与耗散理论的架空导线温度修正方法，其特征在于：步骤3所述计算太阳辐射的日照生热量、对流散热量与辐射散热量的方法包括：
由于云对太阳辐射的影响，结合云量对辐射的影响，引入云的遮蔽系数CFF,有云存在时其取值范围在54.6～94.2％；
E＝I·A·CFF·α                        (12)
A为单位长度导线的投影面积，α为太阳辐射吸收系数；
当架空导线的温度高于周围环境温度时，通过辐射与周围环境进行热交换；辐射能力的大小取决于导线与环境之间的温度差
e为吸收系数，σ为黑体辐射系数，AW为辐射面积基准，此处的TW为导线温度，T为气温，QR导线辐射换热强度；
对流散热表公式
QC＝hc·AW·(TW-T)                         (15)
自然对流传热系数公式
hc＝k3·C·[(TW-T)/L]0.25                     (16)
k3是代入覆冰厚度数据削减时环境的临界状态反演得到的系数；公式出现了C、L；C和L根据自然对流传热计算公式经验系数表中的定义方式导线的系数C和导线直径L。
4.根据权利要求1所述的一种基于能量积聚与耗散理论的架空导线温度修正方法，其特征在于：步骤4所述通过能量积聚与耗散理论修正得到导线温度的方法包括：
以太阳辐射为主要能量输入、辐射散热和对流散热的为散热途径的情况下，在计算中将导线表面附着物的状态变化对导线温度的影响考虑在内，通过能量积聚与耗散的原理计算导线的温度；导线表面的附着物主要为液态的水或露水和固态的水，包括冰和冰雪混合物；
当温度高于0℃时导线上附作物所消耗的热量的估算公式如下：
其中μ为转换系数，Ta为最近夜间最低气温，Tb为前一天自最高气温后温度下降至相对湿度达到100％时的温度，M为单位长度导线上附着物的所消耗的热量；
当存在温度低于0℃时，导线上附作物所消耗的热量的估算公式如下：
其中ν为转换系数，Ta为最近夜间最低气温，Tb为前一天自最高气温后温度下降至相对湿度达到100％时的温度，ta为温度小于0摄氏度的时间长度，M为单位长度导线上附着物所消耗的热量；
若∑(E-QR-QC)·Δt＜M，则导线温度等于气温；若从某一时刻起获得的热量大于M，那么导线温度的计算如下
Cs·(E-QR-QC)·Δt＝ΔT                (19)
Cs为导线的比热容，(E-QR-QC)为某一时刻瞬时能量获得量，Δt为时间增量，ΔT为下一个时刻的导线温度增量。

说明书全文

一种基于能量积聚与耗散理论的架空导线 温度修正方法

技术领域

[0001] 本发明属于输电线路在线监测数据分析领域，尤其涉及一种基于能量积聚与耗散理论的架空导线温度修正方法。

背景技术

[0002] 近年来，随着我国国民经济的快速发展，居民生产生活用电量激增。输电线路是电能传输的主要部件，输电线路覆冰给电力系统的安全稳定运行造成严重威胁，可能引发输电线路过荷载、导线舞动、绝缘子串闪络等事故，严重危害电力系统的安全运行。我国是输电线路覆冰严重的国家之一。据不完全统计，上世纪50年代以来我国输电线路发生的大小冰灾事故已达上千次。由于冰灾事故的频繁发生，电力生产、运行单位广泛探索防冰灾、防覆冰措施；各设计、科研及运行单位和电力主管部门已投入相当大的人力和物力进行线路覆冰调查和除冰防冰措施的研究。

[0003] 雪凝、冻雨等自然灾害引起线路故障频发，使得导线覆冰成为研究的热点。输电导线温度测量是输电线路融冰过程的重要组成部分，是开展进一步的覆冰厚度变化研究的基础。但是输电线路温度监测元件使用寿命短，容易受电磁干扰等缺点；导致不能有效对输电线路温度进行准确测量。在一些没有温度监测设备的地方不能对输电导线进行温度监测。

发明内容

[0004] 本发明要解决的技术问题是：提供一种基于能量积聚与耗散理论的架空导线温度修正方法，以解决现有技术输电线路温度监测元件使用寿命短，容易受电磁干扰等缺点；导致不能有效对输电线路温度进行准确测量；在一些没有温度监测设备的地方不能对输电导线进行温度监测等技术问题。

[0005] 本发明的技术方案是：

[0006] 一种基于能量积聚与耗散理论的架空导线温度修正方法，它包括：

[0007] 步骤1、温、湿度等数据采集：从气象台获取监测区域太阳辐射历史监测数据；

[0008] 步骤2、逐小时太阳辐射强度计算；

[0009] 步骤3、计算太阳辐射的日照生热量、对流散热量与辐射散热量；

[0010] 步骤4、通过能量积聚与耗散理论修正得到导线温度。

[0011] 步骤2所述逐小时太阳辐射强度计算包括：

[0012] 太阳赤纬角、时角和高度角的计算

[0013] 太阳赤纬角随季节变化，按照库珀(Cooper)方程，由下式计算:

[0014]

[0015] 其中δ为太阳赤纬角，n按天数顺序排列的积日；1月1日为0；2日为1；其余类推，平年12月31日为364；闰年12月31日为365；太阳的时角用ω表示，定义为在正午时为0°，每隔一小时增加15°，上午为正，下午为负；以中国北京时间为依据的时角ω计算公式为:

[0016] ω＝(12-t)×15°+(120°-ψ) (2)

[0017] 式中ω为太阳时角；ψ为当地经度；t北京时间；

[0018] 太阳高度角

[0019]

[0020] h为太阳高度角；地理纬度；δ为太阳赤纬角；ω为太阳时角；

[0021] 大气层上界的太阳辐射强度的计算

[0022]

[0023] n按天数顺序排列的积日；Isc太阳常数，1367W/m2

[0024] 大气质量的计算当太阳高度角h≥30°时，大气质量m的计算公式为:

[0025] m(h)＝1/sinh (5)

[0026] h＜30°时，

[0027] m(h)＝[1229+(614×sinh)2]1/2-614×sinh (6)

[0028] 温度对m的影响，一般可以忽略不计；对于海拔高度1500米以上的地区，应对大气压力进行订正，即

[0029]

[0030] P(z)/P0＝[(288-0.0065×z)/288]5.256 (8)

[0031] 式中:z为观测地点的海拔高度；P(z)观测地点的大气压；P(z)/P0为大气压修正系数，P0为标准大气压。

[0032] 大气透明度系数的计算

[0033] 直射辐射大气透明度系数的计算公式:

[0034] τb＝0.56×(e-0.56m(z,h)+e-0.096m(z,h))×k1 (9)

[0035] 参数k1的取值范围为0.8～0.9，具体取值根据贵州太阳辐射监测数据进行反演。

[0036] 散射辐射大气透明度系数的计算公式:

[0037] τa＝0.2710-0.2939×τb (10)

[0038] 全晴天水平面到达的太阳总辐射强度I的计算

[0039]

[0040] 式中:参数k2的取值范围为0.6～0.9；I0大气层上界的太阳辐射强度。

[0041] 步骤3所述计算太阳辐射的日照生热量、对流散热量与辐射散热

[0042] 量的方法包括：

[0043] 由于云对太阳辐射的影响，结合云量对辐射的影响，引入云的遮蔽系数CFF,有云存在时其取值范围在54.6～94.2％；

[0044] E＝I·A·CFF·α (12)

[0045] A为单位长度导线的投影面积，α为太阳辐射吸收系数；

[0046] 当架空导线的温度高于周围环境温度时，通过辐射与周围环境进行热交换；辐射能力的大小取决于导线与环境之间的温度差

[0047]

[0048] e为吸收系数，σ为黑体辐射系数，AW为辐射面积基准，此处的TW为导线温度，T为气温，QR导线辐射换热强度；

[0049] 对流散热表公式

[0050] QC＝hc·AW·(TW-T) (15)

[0051] 自然对流传热系数公式

[0052] hc＝k3·C·[(TW-T)/L]0.25 (16)

[0053] k3是代入覆冰厚度数据削减时环境的临界状态反演得到的系数；公式出现了C、L；C和L根据自然对流传热计算公式经验系数表中的定义方式导线的系数C和导线直径L。

[0054] 步骤4所述通过能量积聚与耗散理论修正得到导线温度的方法包括：

[0055] 以太阳辐射为主要能量输入、辐射散热和对流散热的为散热途径的情况下，在计算中将导线表面附着物的状态变化对导线温度的影响考虑在内，通过能量积聚与耗散的原理计算导线的温度；导线表面的附着物主要为液态的水或露水和固态的水，包括冰和冰雪混合物；

[0056] 当温度高于0℃时导线上附作物所消耗的热量的估算公式如下：

[0057]

[0058] 其中μ为转换系数，Ta为最近夜间最低气温，Tb为前一天自最高气温后温度下降至相对湿度达到100％时的温度，M为单位长度导线上附着物的所消耗的热量；

[0059] 当存在温度低于0℃时，导线上附作物所消耗的热量的估算公式如下：

[0060]

[0061] 其中ν为转换系数，Ta为最近夜间最低气温，Tb为前一天自最高气温后温度下降至相对湿度达到100％时的温度，ta为温度小于0摄氏度的时间长度，M为单位长度导线上附着物所消耗的热量；若∑(E-QR-QC)·Δt＜M，则导线温度等于气温；若从某一时刻起获得的热量大于M，那么导线温度的计算如下

[0062] Cs·(E-QR-QC)·Δt＝ΔT (19)

[0063] Cs为导线的比热容，(E-QR-QC)为某一时刻瞬时能量获得量，Δt为时间增量，ΔT为下一个时刻的导线温度增量。

[0064] 本发明有益效果：

[0065] 本发明建立基于能量积聚与耗散理论的架空导线温度修正方法，为进一步的覆冰厚度变化研究奠定了基础，是合理设计电流融冰装置、因地制宜实施融冰方法的技术基础和必要保证，对于今后防止发生大面积冰灾事故具有非常重要的工程应用价值和社会意义；解决了现有技术输电线路温度监测元件使用寿命短，容易受电磁干扰等缺点；导致不能有效对输电线路温度进行准确测量；在一些没有温度监测设备的地方不能对输电导线进行温度监测等技术问题。附图说明

[0066] 图1为本发明具体实施方式以能量积聚与耗散理论修正得到的0摄氏度以上导线温度与有监测设备线路上实测导线温度对比图；

[0067] 图2为本发明具体实施方式以能量积聚与耗散理论修正得到的0摄氏度以下导线温度与有监测设备线路上实测导线温度对比图。

具体实施方式

[0068] 一种基于能量积聚与耗散理论的架空导线温度修正方法，其特征包括以下步骤：

[0069] (1)温、湿度等数据采集，从贵州地区气象台获取太阳辐射历史监测数据；

[0070] (2)逐小时太阳辐射强度计算：利用步骤(1)中采集的太阳辐射数据反演贵州地区太阳辐射理论计算模型的经验系数。贵州地区太阳辐射强度的理论计算模型如下：

[0071] 1)太阳赤纬角、时角和高度角的计算

[0072] 太阳赤纬角随季节变化，按照库珀(Cooper)方程，由下式计算:

[0073]

[0074] 其中δ为太阳赤纬角，n按天数顺序排列的积日。1月1日为0；2日为1；其余类推，平年12月31日为364；闰年12月31日为365。太阳的时角用ω表示，定义为在正午时为0°，每隔一小时增加15°，上午为正，下午为负。但要考虑到时差对时角的影响，以中国北京时间为依据的时角ω计算公式为:

[0075] ω＝(12-t)×15°+(120°-ψ) (2)

[0076] 式中ω为太阳时角；ψ为当地经度；t北京时间

[0077] 太阳高度角

[0078]

[0079] h为太阳高度角；地理纬度；δ为太阳赤纬角；ω为太阳时角

[0080] 2)大气层上界的太阳辐射强度的计算

[0081]

[0082] n按天数顺序排列的积日；Isc太阳常数，1367W/m2

[0083] 3)大气质量的计算当太阳高度角h≥30°时，大气质量m的计算公式为:

[0084] m(h)＝1/sinh (5)

[0085] h＜30°时，

[0086] m(h)＝[1229+(614×sinh)2]1/2-614×sinh (6)

[0087] 温度对m的影响，一般可以忽略不计；对于海拔高度1500米以上的地区，应对大气压力进行订正，即

[0088]

[0089] P(z)/P0＝[(288-0.0065×z)/288]5.256 (8)

[0090] 式中:z为观测地点的海拔高度；P(z)观测地点的大气压；P(z)/P0为大气压修正系数，P0为标准大气压。

[0091] 4)大气透明度系数的计算

[0092] 直射辐射大气透明度系数的计算公式:

[0093] τb＝0.56×(e-0.56m(z,h)+e-0.096m(z,h))×k1 (9)

[0094] 参数k1的取值范围为0.8～0.9，具体取值根据贵州太阳辐射监测数据进行反演。

[0095] 散射辐射大气透明度系数的计算公式:

[0096] τa＝0.2710-0.2939×τb (10)

[0097] 5)全晴天水平面到达的太阳总辐射强度I的计算

[0098]

[0099] 式中:参数k2的取值范围为0.6～0.9，具体取值根据贵州太阳辐射监测数据进行反演，I0大气层上界的太阳辐射强度。

[0100] (3)计算太阳辐射的日照生热量、对流散热量与辐射散热量

[0101] 由于云对太阳辐射的影响，根据研究区域所在的钟山区的历史气象数据，结合云量对辐射的影响，引入云的遮蔽系数CFF,有云存在时其取值范围在54.6～94.2％。

[0102] E＝I·A·CFF·α (12)

[0103] 其中A为单位长度导线的投影面积；α为太阳辐射吸收系数，导线表面情况(导线的吸热系数)——对于光亮新线取值为0.23～0.43，发黑旧线或涂黑色防腐剂的导线取值为0.90～0.95。具体取值根据导线在线监测平台中覆冰厚度削减的临界点推算。

[0104] 当架空导线的温度高于周围环境温度时，可以通过辐射与周围环境进行热交换。而辐射能力的大小取决于导线与环境之间的温度差。

[0105]

[0106] 其中e为吸收系数，σ为黑体辐射系数，AW为辐射面积基准，此处的TW为导线温度，T为气温，QR导线辐射换热量强度。

[0107] 对流散热可以表述为下公式。

[0108] QC＝hc·AW·(TW-T) (15)

[0109] 很多文献中都记载了计算传热系数的公式,可以把流体的特性值带入公式中进行计算,可以适用于所有流体。但每次计算的时候,都必须代入五个特性值。因此,公式事先代入了空气的特性值,简化了公式。

[0110] 自然对流传热系数

[0111] hc＝k3·C·[(TW-T)/L]0.25 (16)

[0112] k3是代入覆冰厚度数据削减时环境的临界状态反演得到的系数。公式出现了C、L。C和L根据自然对流传热计算公式经验系数表中的定义方式导线的系数C和导线直径L可知分别为0.52和0.0291。 (3)通过能量积聚与耗散理论修正得到导线温度

[0113] 可知以太阳辐射为主要能量输入、辐射散热和对流散热的为散热途径的情况下，可以通过能量积聚与耗散的原理近似的计算导线的温度。在计算中还应当将导线表面附着物的状态变化对导线温度的影响考虑在内。导线表面的附着物主要为液态的水(露水)和固态的水(冰、冰雪混合物)。

[0114] 当温度高于0℃时导线上附作物所消耗的热量的近似估算公式如下：

[0115]

[0116] 其中μ为转换系数，Ta为最近夜间最低气温，Tb为前一天自最高气温后温度下降至相对湿度达到100％时的温度，M为单位长度导线上附着物的所消耗的热量[0117] 当存在温度低于0℃时导线上附作物所消耗的热量的近似估算公式如下：

[0118]

[0119] 其中ν为转换系数，Ta为最近夜间最低气温，Tb为前一天自最高气温后温度下降至相对湿度达到100％时的温度，ta为温度小于0摄氏度的时间长度，M为单位长度导线上附着物所消耗的热量若∑(E-QR-QC)·Δt＜M，则导线温度等于气温；若从某一时刻起获得的热量大于M，那么其后导线温度的计算如下以单位长度的导线为例：

[0120] Cs·(E-QR-QC)·Δt＝ΔT (19)

[0121] 其中Cs为钢芯铝绞线的比热容，(E-QR-QC)为前面计算中的某一时刻瞬时能量获得量，Δt为时间增量，ΔT为下一个时刻的导线温度增量借由以上公式我们以初始状态时(没有太阳辐射的情况下)导线温度与气温相同为起点可以逐步迭代得到之后的导线温度的变化曲线。

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一种基于能量积聚与耗散理论的架空导线温度修正方法

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