多参数影响的导线热稳监测及动态增容研究

李子新，王 硕，赵 隆，赵耀新，文洪兵，李保国

（1.广东电网有限责任公司江门供电局，广东江门 529030；2.西安工程大学电子信息学院，陕西西安 710048）

0 引言

随着我国国民经济的快速发展，部分经济发达电力供不应求的局面日益突显。电网面临诸多挑战，目前解决该问题的主要方法为动态增容技术，挖掘线路的输送潜力，增容技术的关键是需要精确把握输电线路运行温度[1]。输电线路的载流量通常与自身电流、周围环境及散热相关[2-3]。典型的架空输电线路温度与输电容量的关系，主要涉及导线和线夹的物理参数、环境温度、风速、风向和日照强度等[4]。为此，有关学者对导线热稳定监测及动态增容技术研究进行了许多研究。测温是导线热稳定性判断的基础，特定的导线测温技术，为实时获取导线温度提供了可靠手段[5]，也为动态增容计算提供了基本参数。对于导线允许载流量计算中个别参数不易取值的现象，有学者提出基于模糊算法的载流量限额计算方法，一定程度上降低了计算误差[6]。为了寻找载流量瓶颈，朱文卫等人针对导线与电缆交接处开展了三维的温度场仿真，探索了电缆登杆间距与载流量瓶颈的关系[7]。在动态增容的多种影响因素中，风的影响至关重要。有学者针对区域性气候条件的差异性，提出一种基于当地某区域风速场特征的输电线路动态增容技术，该方法基于流体场仿真分析了动态增容实施的可行性[8]。实时上，很多研究表明，流场对散热具有直接影响[9-10]。针对气流对导线表面对流换热的研究，主要集中在线路覆冰。如彭志勇等研究了融冰过程中导线表面温度分布规律[11]。袁肖雷等进行了融冰的传热分析，分析了迎风侧、背风侧的融冰规律[12]。为此，有学者提出基于环境去耦模型的架空导线动态增容方法[13]。此外，国外在输电线路动态增容方面还提出了导线温度模型[14]和张力模型[15]，本文依据传热学[16]和流体力学理论[17]，以LGJ400/35 型钢芯铝绞线为例，研究了导线实际运行过程中的导线温度分布规律，并给出了在不突破现行技术规程的前提下的隐形容量计算方法，后结合无线传感器设计了一种导线温度感知系统，并设计了该系统的系统构架、系统功能、系统应用；详细描述了传感器工作原理，并搭建了实验平台验证了系统的可行性。

1 导线温度分布规律

安全系数是线路设计的重要参数，而其关键参数是线路弧垂。对于运行中的导线，导线温度直接决定弧垂的大小。然而，导线温度不仅仅与导线自身载流量有关，而且与所处的自然环境相关，如风速风向、环境温湿度、日照辐射强度等参数均影响导线温度。此外，导线本体的散热系数、吸热系数和其他自身物理参数也影响导线温度[18]。本文主要论证导线温度受外界环境条件（环境温度、环境湿度）和导线性能和尺寸（导线的吸热系数、辐射系数、导线允许温度、导线载流量）的影响，并研究导线温度分布规律。

1.1 导线温度分布仿真

钢芯铝绞线由钢芯和铝线绞合组成，且每一层导线绞向不同[19]，具有良好的铝导电性和钢的强度，是目前最常用的架空导线之一[20]。本文以LGJ400/35 型钢芯铝绞线为例，利用有限体积的分析方法对其温度场进行建模计算。采用ANSYS 流-热-固耦合模块考虑周围环境和流场影响计算在不同电流下导线的温度场变化情况，并给出了导线载流量为550 A 时的导线温度分布云图。设置外流场区域为空气；设置速度入口velocity-inlet，速度大小为2 m/s；环境温度为20℃；设置压力出口pressure-outlet 速度大小与入口速度同步；导线部分为钢芯铝绞线，钢芯层和铝线层分别赋予其不同的材料属性。在本文中，辐射模型采用DO 模型。其中，输电导线物理模型如图1 所示。

图1 LGJ400/35型钢芯铝绞线仿真模型示意图Fig.1 Simulation model of LGJ400/35 aluminum conductor steel reinforced

本文建立了输电导线的外流场模型，根据流体力学分析，模型的基本控制方程有质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程，由于沿着导线表面的气流为湍流，因此在Ansys 的FLUENT 模块中选择湍流模型。本文采用Realizable k-ε模型[21]，导线载流量为550 A 时，风速分别为0.5 m/s 和2 m/s 时的导线温度仿真图如图2 所示。

图2 载流量为550A时导线径向温度分布云图Fig.2 Cloud diagram of radial temperature distribution of wire with 550 A load capacity

从图2（a）可以看出导线径向温度的规律，即背风侧内层铝线温度最高，钢芯温度次之，迎风侧内层铝线略小于背风侧表面铝线，上下侧表面铝线由于进壁流场加速而温度明显小于背风侧表面铝线，迎风侧表面铝线受风面积最大因此温度最低。从图2（b）可以看出，当风速从0.5 m/s 增加到2 m/s时，温度分布的规律保持不变。

1.2 导线热平衡方程

在不考虑导线电流的热效应时，热稳态下的导线温度与环境温度相同。而考虑电流的作用时，由于热效应使得导线本体温度升高，同时导线与周围环境进行热交换，达到动态平衡的过程[22-23]，此时导线温度也达到稳态温度，如式（1）所示：

式中：Pr为导线向外界的辐射散热；Pc为导线与外界空气的对流散热；Ps为导线从太阳辐射吸收的热量；RT为工作温度下导线的单位长度交流电阻。

在稳态环境下，导线的辐射散热Pr可以由式（2）计算

式中：s为斯蒂芬-波尔茨曼常数，s=5.67×10-8；D为导线直径；T0为环境温度；Tc为导体稳态温度；ke为导线表面辐射系数，磨损较少的新线一般取0.23～0.46，运行时间较长的老旧线一般取0.9～0.95。

由于自然风的存在，强迫对流散发出的热损耗Pc由式（3）计算：

何小勇悉心照料着青瓷，给她洗衣服，给她做饭，他把所有能想到的能讨好她的方法都用尽了。然后有一天就传来王金贵被打的消息，躺在医院里两天才把小命抢救过来。

式中：λ为与导体相接触的空气膜导热系数假定为0.02585；Nu为欧拉数。

式中：Re为雷诺数。

式中：v为风速。

导线从太阳辐射吸收的热量Ps由式（6）计算：

式中：γ为吸热系数，磨损较少的新线一般取0.23～0.46，运行时间较长的老旧线一般取0.9～0.95；Si为日照总辐射。

通过式（1）—式（6）计算出线路最大载流量：

由式（7）可知，在线路运行温度不超过70℃的运行规程下，根据环境温度、风速、日照强度的变化可以动态调整导线的最大载流量，从而实现输电线路隐性容量的深度挖掘。而实际运行过程中，环境温度、风速、日照强度均可以通过状态感知系统获取，为动态增容计算提供基础数据。

2 导线温度感知系统

输电量增大、导线磨损、雷击、异常炎热气候都有可能引起导线温度异常升高，从而导致线路起火、熔断以及弧垂状况异常，引发电力系统安全事故，使国民经济造成不可估量的损失，本文设计了一种导线温度感知系统来解决导线温度异常升高问题。

2.1 感知系统设计

导线温度感知系统是集合电力系统运维、调度两大功能，包含参数监测、状态评估、负荷预测等功能。软件功能层主要分为感知层、网络层、系统层3个层面。其体系架构如图3 所示。其中，导线温度监测从以下3 个层面开展工作：

图3 系统构架Fig.3 Architecture of wire temperature sensing system

1）感知层：通过无源无线温度传感器、风速风向传感器、日照传感器、环境温湿度传感器等传感器感知输电线路及开关设备的温度信息，然后由监测装置采集打包。

2）网络层：监测装置或监控装置将数据发送到系统层的中间层，根据区域的无线网络覆盖情况，可选择4G/光纤的通信方式，传输数据[24]。

3）系统层：是软件部署层，主要布置在电力公司的数据中心，软件可部署在Centos 8.0 系统，数据库采用MySQL 8.0，软件包括普通应用功能和高级应用功能。

2.2 感知层设计

感知层数据采集主要为安装在铁塔或导线上的各类状态感知装置，实现对状态数据的采集，主要包含：无源无线温度传感器、无源无线电流传感器和气象传感器，其中无源无线温度传感器、无源无线电流传感器采用无源取电方式，气象传感器采用蓄电池结合太阳能的供电方式。

1）无线传感器。无线传感器主要包含无源无线温度传感器、无源无线导线电流传感器和气象传感器，其实物图如图4 所示，其功能如下：

图4 无线传感器实物图Fig.4 Picture of real wireless sensor

（1）无源无线温度传感用于输电线路导线或线夹温度实时监测的传感器。采用铂电阻进行温度监测，测温范围宽，精度高，除满足正常导线或线夹温度测量外，还可以用于特种耐温导线或线路可能出现的故障点温度监测；

（2）无源无线电流传感器用于监测输电线路导线实时载流量的传感器。采用计量用开合式高压电流互感器进行载流量监测，测量精度高；

（3）微气象传感器用于测量输电线路所处环境的气象条件的传感器，其测量参数包括：风速、风向、环境温度、日照强度、环境湿度等。采用专用的高精度气象监测设备进行测量，测量精度高、稳定性强。

2）传感器供电方式。无源无线温度传感器和无源无线电流传感器都采用无源供电的方式，夹在线路上的导线电流传感器通过互感取能为自身供电，其结构主要包括供电电流互感器、整流滤波保护电路、DC/DC 降压电路、低压差线性稳压电路以及欠压无压检测电路。电流互感器的取能结构如图5 所示。

图5 导线电流传感器供电方式Fig.5 Power supply of current sensor for wire

气象传感器采用太阳能充电结合蓄电池供电的方式，能够长时间保证气象传感器的运行。由于太阳能板输出电压受天气影响，电源控制模块实时采集太阳能板输出电压及电流，并采用脉冲宽度调制将电压稳定在12 V，为蓄电池充电。同时对蓄电池电压及充电电流实时测量，计算电池充电程度，避免出现过充过放，其工作原理图如图6 所示。

图6 气象传感器工作原理图Fig.6 Block diagram for working principle of weather sensor

2.3 网络层设计

网络层的主要设备为中继器，中继器承担着接收感知层发送的数据的作用，还需要进行数据计算、存储并将计算结果发送到系统层，这些任务导致其工作功耗非常高，因此选择微处理器时必须考虑到低功耗设计，因此本文选用了带浮点运算的超低功耗的，基于Arm Cortex-M4 架构的STM32L476RET6，其具有浮点单元单精度，支持所有单精度数据处理指令和数据类型，并且该芯片具有512KB 的Flash 存储器和一个存储器保护单元，增强了应用程序的安全性。其中，中继器的硬件框图如图7 所示，现场安装图如图8 所示。

图7 中继器硬件框图Fig.7 Block diagram of repeater hardware

图8 中继器现场安装图Fig.8 Site installation of repeater

网络层的通信模块采用了LoRa 无线通信模块和4G 无线通信模块进行通信，其中，LoRa 无线通信模块是完成中继器与终端层之间的传输。4G 无线通信模块是完成系统层与中继器之间的数据传输。其中LoRa 通信单元如图9 所示，4G 通信单元如图10 所示。

图9 LoRa通信单元Fig.9 LoRa communication unit

图10 4G通信单元Fig.10 4G communication unit

2.4 系统层设计

监控中心软件可以管理所有输电导线温度、微气象以及导线电流在线监测装置的信息。监控中心包括普通应用功能和高级应用功能，其中普通应用功能包括实时数据展示、趋势图表分析、状态信息查询、历史数据查询、远程更新升级、数据统计分析，高级应用是围绕载流量提升及热稳定性校验的核心要求设计，包括载流量计算、输电线路热校验、状态风险评估、辅助决策等功能。

3 实验及数据分析

由于架空输电线路中导线和线夹自身的结构特征和内外散热条件的不同，导致输电导线存在径向温度差，长期运行的导线由于表面积污不均匀温度场分布存在差异，根据架空输电线路温度场数值模拟可实现对导线径向温度场的计算。本文设计并搭建了一套测温实验平台，得到了不和不同运行条件下架空输电线路的温度分布，并取得了相关数据。

3.1 搭建实验平台

架空输电线路测温实验平台主要包含两部分：升流实验系统和温度测试平台，如图11 所示：

图11 架空输电线路温度测试实验平台Fig.11 Experimental platform for overhead transmission line temperature testing

风洞实验平台的模拟风洞尺寸设计为2 000 mm×2 000 mm×2 000 mm，可以确保输电线路附近的空气不受其结构的影响，在实验过程中，利用升流器导线以50 A 为步长使流经导线电流有200 A 增加至550 A，并由大电流监测装置对施加的电流进行测量，由装在导线上的无源无线温度传感器获得温度数据，利用变压风机测得0～5 m/s 风速变化的导线温度数据，搭建完成的实验测温平台如图12 所示。

图12 温度实验测试平台Fig.12 Test platform for temperature experiment

3.2 实验与数据分析

为了研究导线性能，并获得在相同温度测点、不同载流量的条件下导线的温度对比，我们给导线施加不同的载流量获取温度值，如图13（a）所示。由于导线载流量小于400 A 时，施加风速导线温度变化不明显。因此，进行了400 A，450 A，500 A，550 A 4 种载流量时，风速为0 m/s 和2 m/s 的导线温度实验，温度变化趋势如图13（b）所示。

图13 导线温度变化趋势Fig.13 Temperature change trend of wire

由图13 可知，导线在不同载流量下的温度变化十分平缓，趋势也基本相同。当风速为0 m/s 时，导线在550 A 时温度仅为56.44 ℃，远小于导线运行允许的70 ℃。同时，从表1 可以看出，当出现2 m/s 的风速时，导线散热得到极大改善。导线运行电流550 A 时，导线温度仅为38.3 ℃，比风速为0 m/s 时降低了18.1 ℃，说明导线拥有很大的增容空间。

表1 风速为0 m/s和2 m/s时导线温度统计Table 1 Wire temperature statistics when wind speed is 0 m/s and 2 m/s

4 结语

本文建立了LGJ400/35 型钢芯铝绞线有限元模型，分析了在不同电流下导线径向温度变化规律，设计了一种基于无线传感器的温度感知系统，并进行了实验验证。研究结果表明，受空气对流影响，载流量恒定时导线径向温度并不处处相同，迎风侧温度最低，而背风侧内层铝线温度最高。

此外，运行中的导线，风速对导线散热作用较大，当风速为2 m/s 时，导线温度可降低18.1 ℃。因此在实际运行中，考虑风速的影响可以极大提高输电线路的载流量，从而促进动态增容技术的进一步应用。