多參數(shù)影響的導(dǎo)線熱穩(wěn)監(jiān)測及動態(tài)增容研究

李子新，王 碩，趙 隆，趙耀新，文洪兵，李保國

（1.廣東電網(wǎng)有限責任公司江門供電局，廣東江門 529030；2.西安工程大學電子信息學院，陜西西安 710048）

0 引言

隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，部分經(jīng)濟發(fā)達電力供不應(yīng)求的局面日益突顯。電網(wǎng)面臨諸多挑戰(zhàn)，目前解決該問題的主要方法為動態(tài)增容技術(shù)，挖掘線路的輸送潛力，增容技術(shù)的關(guān)鍵是需要精確把握輸電線路運行溫度[1]。輸電線路的載流量通常與自身電流、周圍環(huán)境及散熱相關(guān)[2-3]。典型的架空輸電線路溫度與輸電容量的關(guān)系，主要涉及導(dǎo)線和線夾的物理參數(shù)、環(huán)境溫度、風速、風向和日照強度等[4]。為此，有關(guān)學者對導(dǎo)線熱穩(wěn)定監(jiān)測及動態(tài)增容技術(shù)研究進行了許多研究。測溫是導(dǎo)線熱穩(wěn)定性判斷的基礎(chǔ)，特定的導(dǎo)線測溫技術(shù)，為實時獲取導(dǎo)線溫度提供了可靠手段[5]，也為動態(tài)增容計算提供了基本參數(shù)。對于導(dǎo)線允許載流量計算中個別參數(shù)不易取值的現(xiàn)象，有學者提出基于模糊算法的載流量限額計算方法，一定程度上降低了計算誤差[6]。為了尋找載流量瓶頸，朱文衛(wèi)等人針對導(dǎo)線與電纜交接處開展了三維的溫度場仿真，探索了電纜登桿間距與載流量瓶頸的關(guān)系[7]。在動態(tài)增容的多種影響因素中，風的影響至關(guān)重要。有學者針對區(qū)域性氣候條件的差異性，提出一種基于當?shù)啬硡^(qū)域風速場特征的輸電線路動態(tài)增容技術(shù)，該方法基于流體場仿真分析了動態(tài)增容實施的可行性[8]。實時上，很多研究表明，流場對散熱具有直接影響[9-10]。針對氣流對導(dǎo)線表面對流換熱的研究，主要集中在線路覆冰。如彭志勇等研究了融冰過程中導(dǎo)線表面溫度分布規(guī)律[11]。袁肖雷等進行了融冰的傳熱分析，分析了迎風側(cè)、背風側(cè)的融冰規(guī)律[12]。為此，有學者提出基于環(huán)境去耦模型的架空導(dǎo)線動態(tài)增容方法[13]。此外，國外在輸電線路動態(tài)增容方面還提出了導(dǎo)線溫度模型[14]和張力模型[15]，本文依據(jù)傳熱學[16]和流體力學理論[17]，以LGJ400/35 型鋼芯鋁絞線為例，研究了導(dǎo)線實際運行過程中的導(dǎo)線溫度分布規(guī)律，并給出了在不突破現(xiàn)行技術(shù)規(guī)程的前提下的隱形容量計算方法，后結(jié)合無線傳感器設(shè)計了一種導(dǎo)線溫度感知系統(tǒng)，并設(shè)計了該系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)架、系統(tǒng)功能、系統(tǒng)應(yīng)用；詳細描述了傳感器工作原理，并搭建了實驗平臺驗證了系統(tǒng)的可行性。

1 導(dǎo)線溫度分布規(guī)律

安全系數(shù)是線路設(shè)計的重要參數(shù)，而其關(guān)鍵參數(shù)是線路弧垂。對于運行中的導(dǎo)線，導(dǎo)線溫度直接決定弧垂的大小。然而，導(dǎo)線溫度不僅僅與導(dǎo)線自身載流量有關(guān)，而且與所處的自然環(huán)境相關(guān)，如風速風向、環(huán)境溫濕度、日照輻射強度等參數(shù)均影響導(dǎo)線溫度。此外，導(dǎo)線本體的散熱系數(shù)、吸熱系數(shù)和其他自身物理參數(shù)也影響導(dǎo)線溫度[18]。本文主要論證導(dǎo)線溫度受外界環(huán)境條件（環(huán)境溫度、環(huán)境濕度）和導(dǎo)線性能和尺寸（導(dǎo)線的吸熱系數(shù)、輻射系數(shù)、導(dǎo)線允許溫度、導(dǎo)線載流量）的影響，并研究導(dǎo)線溫度分布規(guī)律。

1.1 導(dǎo)線溫度分布仿真

鋼芯鋁絞線由鋼芯和鋁線絞合組成，且每一層導(dǎo)線絞向不同[19]，具有良好的鋁導(dǎo)電性和鋼的強度，是目前最常用的架空導(dǎo)線之一[20]。本文以LGJ400/35 型鋼芯鋁絞線為例，利用有限體積的分析方法對其溫度場進行建模計算。采用ANSYS 流-熱-固耦合模塊考慮周圍環(huán)境和流場影響計算在不同電流下導(dǎo)線的溫度場變化情況，并給出了導(dǎo)線載流量為550 A 時的導(dǎo)線溫度分布云圖。設(shè)置外流場區(qū)域為空氣；設(shè)置速度入口velocity-inlet，速度大小為2 m/s；環(huán)境溫度為20℃；設(shè)置壓力出口pressure-outlet 速度大小與入口速度同步；導(dǎo)線部分為鋼芯鋁絞線，鋼芯層和鋁線層分別賦予其不同的材料屬性。在本文中，輻射模型采用DO 模型。其中，輸電導(dǎo)線物理模型如圖1 所示。

圖1 LGJ400/35型鋼芯鋁絞線仿真模型示意圖Fig.1 Simulation model of LGJ400/35 aluminum conductor steel reinforced

本文建立了輸電導(dǎo)線的外流場模型，根據(jù)流體力學分析，模型的基本控制方程有質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程，由于沿著導(dǎo)線表面的氣流為湍流，因此在Ansys 的FLUENT 模塊中選擇湍流模型。本文采用Realizable k-ε模型[21]，導(dǎo)線載流量為550 A 時，風速分別為0.5 m/s 和2 m/s 時的導(dǎo)線溫度仿真圖如圖2 所示。

圖2 載流量為550A時導(dǎo)線徑向溫度分布云圖Fig.2 Cloud diagram of radial temperature distribution of wire with 550 A load capacity

從圖2（a）可以看出導(dǎo)線徑向溫度的規(guī)律，即背風側(cè)內(nèi)層鋁線溫度最高，鋼芯溫度次之，迎風側(cè)內(nèi)層鋁線略小于背風側(cè)表面鋁線，上下側(cè)表面鋁線由于進壁流場加速而溫度明顯小于背風側(cè)表面鋁線，迎風側(cè)表面鋁線受風面積最大因此溫度最低。從圖2（b）可以看出，當風速從0.5 m/s 增加到2 m/s時，溫度分布的規(guī)律保持不變。

1.2 導(dǎo)線熱平衡方程

在不考慮導(dǎo)線電流的熱效應(yīng)時，熱穩(wěn)態(tài)下的導(dǎo)線溫度與環(huán)境溫度相同。而考慮電流的作用時，由于熱效應(yīng)使得導(dǎo)線本體溫度升高，同時導(dǎo)線與周圍環(huán)境進行熱交換，達到動態(tài)平衡的過程[22-23]，此時導(dǎo)線溫度也達到穩(wěn)態(tài)溫度，如式（1）所示：

式中：Pr為導(dǎo)線向外界的輻射散熱；Pc為導(dǎo)線與外界空氣的對流散熱；Ps為導(dǎo)線從太陽輻射吸收的熱量；RT為工作溫度下導(dǎo)線的單位長度交流電阻。

在穩(wěn)態(tài)環(huán)境下，導(dǎo)線的輻射散熱Pr可以由式（2）計算

式中：s為斯蒂芬-波爾茨曼常數(shù)，s=5.67×10-8；D為導(dǎo)線直徑；T0為環(huán)境溫度；Tc為導(dǎo)體穩(wěn)態(tài)溫度；ke為導(dǎo)線表面輻射系數(shù)，磨損較少的新線一般取0.23～0.46，運行時間較長的老舊線一般取0.9～0.95。

由于自然風的存在，強迫對流散發(fā)出的熱損耗Pc由式（3）計算：

何小勇悉心照料著青瓷，給她洗衣服，給她做飯，他把所有能想到的能討好她的方法都用盡了。然后有一天就傳來王金貴被打的消息，躺在醫(yī)院里兩天才把小命搶救過來。

式中：λ為與導(dǎo)體相接觸的空氣膜導(dǎo)熱系數(shù)假定為0.02585；Nu為歐拉數(shù)。

式中：Re為雷諾數(shù)。

式中：v為風速。

導(dǎo)線從太陽輻射吸收的熱量Ps由式（6）計算：

式中：γ為吸熱系數(shù)，磨損較少的新線一般取0.23～0.46，運行時間較長的老舊線一般取0.9～0.95；Si為日照總輻射。

通過式（1）—式（6）計算出線路最大載流量：

由式（7）可知，在線路運行溫度不超過70℃的運行規(guī)程下，根據(jù)環(huán)境溫度、風速、日照強度的變化可以動態(tài)調(diào)整導(dǎo)線的最大載流量，從而實現(xiàn)輸電線路隱性容量的深度挖掘。而實際運行過程中，環(huán)境溫度、風速、日照強度均可以通過狀態(tài)感知系統(tǒng)獲取，為動態(tài)增容計算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2 導(dǎo)線溫度感知系統(tǒng)

輸電量增大、導(dǎo)線磨損、雷擊、異常炎熱氣候都有可能引起導(dǎo)線溫度異常升高，從而導(dǎo)致線路起火、熔斷以及弧垂狀況異常，引發(fā)電力系統(tǒng)安全事故，使國民經(jīng)濟造成不可估量的損失，本文設(shè)計了一種導(dǎo)線溫度感知系統(tǒng)來解決導(dǎo)線溫度異常升高問題。

2.1 感知系統(tǒng)設(shè)計

導(dǎo)線溫度感知系統(tǒng)是集合電力系統(tǒng)運維、調(diào)度兩大功能，包含參數(shù)監(jiān)測、狀態(tài)評估、負荷預(yù)測等功能。軟件功能層主要分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、系統(tǒng)層3個層面。其體系架構(gòu)如圖3 所示。其中，導(dǎo)線溫度監(jiān)測從以下3 個層面開展工作：

圖3 系統(tǒng)構(gòu)架Fig.3 Architecture of wire temperature sensing system

1）感知層：通過無源無線溫度傳感器、風速風向傳感器、日照傳感器、環(huán)境溫濕度傳感器等傳感器感知輸電線路及開關(guān)設(shè)備的溫度信息，然后由監(jiān)測裝置采集打包。

2）網(wǎng)絡(luò)層：監(jiān)測裝置或監(jiān)控裝置將數(shù)據(jù)發(fā)送到系統(tǒng)層的中間層，根據(jù)區(qū)域的無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況，可選擇4G/光纖的通信方式，傳輸數(shù)據(jù)[24]。

3）系統(tǒng)層：是軟件部署層，主要布置在電力公司的數(shù)據(jù)中心，軟件可部署在Centos 8.0 系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫采用MySQL 8.0，軟件包括普通應(yīng)用功能和高級應(yīng)用功能。

2.2 感知層設(shè)計

感知層數(shù)據(jù)采集主要為安裝在鐵塔或?qū)Ь€上的各類狀態(tài)感知裝置，實現(xiàn)對狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集，主要包含：無源無線溫度傳感器、無源無線電流傳感器和氣象傳感器，其中無源無線溫度傳感器、無源無線電流傳感器采用無源取電方式，氣象傳感器采用蓄電池結(jié)合太陽能的供電方式。

1）無線傳感器。無線傳感器主要包含無源無線溫度傳感器、無源無線導(dǎo)線電流傳感器和氣象傳感器，其實物圖如圖4 所示，其功能如下：

圖4 無線傳感器實物圖Fig.4 Picture of real wireless sensor

（1）無源無線溫度傳感用于輸電線路導(dǎo)線或線夾溫度實時監(jiān)測的傳感器。采用鉑電阻進行溫度監(jiān)測，測溫范圍寬，精度高，除滿足正常導(dǎo)線或線夾溫度測量外，還可以用于特種耐溫導(dǎo)線或線路可能出現(xiàn)的故障點溫度監(jiān)測；

（2）無源無線電流傳感器用于監(jiān)測輸電線路導(dǎo)線實時載流量的傳感器。采用計量用開合式高壓電流互感器進行載流量監(jiān)測，測量精度高；

（3）微氣象傳感器用于測量輸電線路所處環(huán)境的氣象條件的傳感器，其測量參數(shù)包括：風速、風向、環(huán)境溫度、日照強度、環(huán)境濕度等。采用專用的高精度氣象監(jiān)測設(shè)備進行測量，測量精度高、穩(wěn)定性強。

2）傳感器供電方式。無源無線溫度傳感器和無源無線電流傳感器都采用無源供電的方式，夾在線路上的導(dǎo)線電流傳感器通過互感取能為自身供電，其結(jié)構(gòu)主要包括供電電流互感器、整流濾波保護電路、DC/DC 降壓電路、低壓差線性穩(wěn)壓電路以及欠壓無壓檢測電路。電流互感器的取能結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 導(dǎo)線電流傳感器供電方式Fig.5 Power supply of current sensor for wire

氣象傳感器采用太陽能充電結(jié)合蓄電池供電的方式，能夠長時間保證氣象傳感器的運行。由于太陽能板輸出電壓受天氣影響，電源控制模塊實時采集太陽能板輸出電壓及電流，并采用脈沖寬度調(diào)制將電壓穩(wěn)定在12 V，為蓄電池充電。同時對蓄電池電壓及充電電流實時測量，計算電池充電程度，避免出現(xiàn)過充過放，其工作原理圖如圖6 所示。

圖6 氣象傳感器工作原理圖Fig.6 Block diagram for working principle of weather sensor

2.3 網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)層的主要設(shè)備為中繼器，中繼器承擔著接收感知層發(fā)送的數(shù)據(jù)的作用，還需要進行數(shù)據(jù)計算、存儲并將計算結(jié)果發(fā)送到系統(tǒng)層，這些任務(wù)導(dǎo)致其工作功耗非常高，因此選擇微處理器時必須考慮到低功耗設(shè)計，因此本文選用了帶浮點運算的超低功耗的，基于Arm Cortex-M4 架構(gòu)的STM32L476RET6，其具有浮點單元單精度，支持所有單精度數(shù)據(jù)處理指令和數(shù)據(jù)類型，并且該芯片具有512KB 的Flash 存儲器和一個存儲器保護單元，增強了應(yīng)用程序的安全性。其中，中繼器的硬件框圖如圖7 所示，現(xiàn)場安裝圖如圖8 所示。

圖7 中繼器硬件框圖Fig.7 Block diagram of repeater hardware

圖8 中繼器現(xiàn)場安裝圖Fig.8 Site installation of repeater

網(wǎng)絡(luò)層的通信模塊采用了LoRa 無線通信模塊和4G 無線通信模塊進行通信，其中，LoRa 無線通信模塊是完成中繼器與終端層之間的傳輸。4G 無線通信模塊是完成系統(tǒng)層與中繼器之間的數(shù)據(jù)傳輸。其中LoRa 通信單元如圖9 所示，4G 通信單元如圖10 所示。

圖9 LoRa通信單元Fig.9 LoRa communication unit

圖10 4G通信單元Fig.10 4G communication unit

2.4 系統(tǒng)層設(shè)計

監(jiān)控中心軟件可以管理所有輸電導(dǎo)線溫度、微氣象以及導(dǎo)線電流在線監(jiān)測裝置的信息。監(jiān)控中心包括普通應(yīng)用功能和高級應(yīng)用功能，其中普通應(yīng)用功能包括實時數(shù)據(jù)展示、趨勢圖表分析、狀態(tài)信息查詢、歷史數(shù)據(jù)查詢、遠程更新升級、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，高級應(yīng)用是圍繞載流量提升及熱穩(wěn)定性校驗的核心要求設(shè)計，包括載流量計算、輸電線路熱校驗、狀態(tài)風險評估、輔助決策等功能。

3 實驗及數(shù)據(jù)分析

由于架空輸電線路中導(dǎo)線和線夾自身的結(jié)構(gòu)特征和內(nèi)外散熱條件的不同，導(dǎo)致輸電導(dǎo)線存在徑向溫度差，長期運行的導(dǎo)線由于表面積污不均勻溫度場分布存在差異，根據(jù)架空輸電線路溫度場數(shù)值模擬可實現(xiàn)對導(dǎo)線徑向溫度場的計算。本文設(shè)計并搭建了一套測溫實驗平臺，得到了不和不同運行條件下架空輸電線路的溫度分布，并取得了相關(guān)數(shù)據(jù)。

3.1 搭建實驗平臺

架空輸電線路測溫實驗平臺主要包含兩部分：升流實驗系統(tǒng)和溫度測試平臺，如圖11 所示：

圖11 架空輸電線路溫度測試實驗平臺Fig.11 Experimental platform for overhead transmission line temperature testing

風洞實驗平臺的模擬風洞尺寸設(shè)計為2 000 mm×2 000 mm×2 000 mm，可以確保輸電線路附近的空氣不受其結(jié)構(gòu)的影響，在實驗過程中，利用升流器導(dǎo)線以50 A 為步長使流經(jīng)導(dǎo)線電流有200 A 增加至550 A，并由大電流監(jiān)測裝置對施加的電流進行測量，由裝在導(dǎo)線上的無源無線溫度傳感器獲得溫度數(shù)據(jù)，利用變壓風機測得0～5 m/s 風速變化的導(dǎo)線溫度數(shù)據(jù)，搭建完成的實驗測溫平臺如圖12 所示。

圖12 溫度實驗測試平臺Fig.12 Test platform for temperature experiment

3.2 實驗與數(shù)據(jù)分析

為了研究導(dǎo)線性能，并獲得在相同溫度測點、不同載流量的條件下導(dǎo)線的溫度對比，我們給導(dǎo)線施加不同的載流量獲取溫度值，如圖13（a）所示。由于導(dǎo)線載流量小于400 A 時，施加風速導(dǎo)線溫度變化不明顯。因此，進行了400 A，450 A，500 A，550 A 4 種載流量時，風速為0 m/s 和2 m/s 的導(dǎo)線溫度實驗，溫度變化趨勢如圖13（b）所示。

圖13 導(dǎo)線溫度變化趨勢Fig.13 Temperature change trend of wire

由圖13 可知，導(dǎo)線在不同載流量下的溫度變化十分平緩，趨勢也基本相同。當風速為0 m/s 時，導(dǎo)線在550 A 時溫度僅為56.44 ℃，遠小于導(dǎo)線運行允許的70 ℃。同時，從表1 可以看出，當出現(xiàn)2 m/s 的風速時，導(dǎo)線散熱得到極大改善。導(dǎo)線運行電流550 A 時，導(dǎo)線溫度僅為38.3 ℃，比風速為0 m/s 時降低了18.1 ℃，說明導(dǎo)線擁有很大的增容空間。

表1 風速為0 m/s和2 m/s時導(dǎo)線溫度統(tǒng)計Table 1 Wire temperature statistics when wind speed is 0 m/s and 2 m/s

4 結(jié)語

本文建立了LGJ400/35 型鋼芯鋁絞線有限元模型，分析了在不同電流下導(dǎo)線徑向溫度變化規(guī)律，設(shè)計了一種基于無線傳感器的溫度感知系統(tǒng)，并進行了實驗驗證。研究結(jié)果表明，受空氣對流影響，載流量恒定時導(dǎo)線徑向溫度并不處處相同，迎風側(cè)溫度最低，而背風側(cè)內(nèi)層鋁線溫度最高。

此外，運行中的導(dǎo)線，風速對導(dǎo)線散熱作用較大，當風速為2 m/s 時，導(dǎo)線溫度可降低18.1 ℃。因此在實際運行中，考慮風速的影響可以極大提高輸電線路的載流量，從而促進動態(tài)增容技術(shù)的進一步應(yīng)用。