基于导线径向温度和蠕变的导线弧垂计算方法.docx

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1、第55卷第4期工程科学与技术Vo1.55No.42023年7月ADVANCEDENGINEERINGSCIENCESJu1y2023面向双碳目标的环保型电力设备DSW/jjsue缱2竽等线径向温度和蠕变的导线弧垂计算方法赵隆I,王如水1代鹏飞I,朱超2,黄新波I(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端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

2、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，建立了考虑径向温差的导线应力、导线径向热膨胀和端变的弧垂计算模型，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I1okV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

3、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；端变；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)04-0021-09Ca1cu1ationMethodofConductorSagBasedonRadia1TemperatureandCreepZHAO1ongi,WANGRushuii,DAIPengfei,ZHUChao2,HUANGXinbo1(1.Schoo1ofE1ectronicsInformation,

4、Xi,anPo1ytechnicUniv.,Xian710600.China;2.StateGridShaanxiE1ectricPowerResearch1nst.Xi,an710100.China)Abstract:Thesagofthetransmission1ineisanimportantindexforitssafeoperation.Focusingontheca1cu1ationdeviationofconductorsagcausedbythenon-uniformtemperaturedistributionoftransmission1inesandthecreep,th

5、einf1uencedegreeoftheradia1temperatureandthecreeponthesagca1cu1ationm1e1wasstudiedinthispaper.First1y,thefinitee1ementmode1oftheconductorwasestab1ishedbasedonitsphysica1compositionandstructura1characteristics.Consideringdifferentoperatingconditionsofthetransmission1ine,theradia1temperaturewasana1yze

6、dthroughthefinitee1ementsimu1ation.Second1y,consideringtheradia1temperaturedifferenceofstress,theradia1thcna1expansionandthecreep,thesagca1cu1ationmode1wasbui1t.Basedontheforceba1anceprincip1e,there1ationshipamongtheradia1therma1expansionconsideringheradia1temperaturedifference,thestressandthestrain

7、oftheconductorwasstudiedandthere1ationshipbetweencreepandstrainwasana1yzed.Thentheconductorsagwasca1cu1atedthroughthefunctionofthestrainandthesag.Fina11y,inordertoverifytheaccuracyandpracticabi1ityofthesagca1cu1ationmode1,themode1wasverifiedbya110kVtransmission1ineinShaanxiProvince.Theresu1tsshowtha

8、ttheinf1uenceontheaccuracyofthesagca1cu1ationfrom1argesttosma11estarethecreep,theradia1temperaturedifferenceandtheradia1therma1expansionbasedontheHOkVtransmission1ineinShaanxiProvince.Withouttakingintoaccounttheradia1temperaturedifference,theradia1therma1expansionandcreep,theerrorofsagwasintherangef

9、rom-45.2%to30.0%.Andthemaximumerrorwas45.2%.Theerrorrangeundertheoptimization收稿日期:2023-09-04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(2126KYI9006K)：陕西省重点研发计划(202IGY-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-mai1：zhao1ong网络出版时间:2023-06-2813:19:07网络出版地址

10、:hups:/ki.ne(/kcms2/deiai1/51.1773.TB.20230626.1527.005.htm1mtx1e1ofsaginthispaperwas1essthan1.1%.Whentheinf1uenceoftheradia1temperaturedifferenceandtheradia1therma1expansiononthesagisignored,theerrorofsagisexistedandtheerrorbecomesgreaterwiththeincreaseoftheradia1temperaturedifference.Keywords:tran

11、smission1ine;radia1temperature;creep;sag;finitee1ementsimu1ation应力、弧垂和临界温度，但该方法忽略了同一层导线近年来，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F,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。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

12、输电线路的弧垂计算己经有许多方法。其中，Nigo产和BaiTett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；A1awar等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；A1biZU等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

13、层导线的物理参数（如弹性模量、热膨胀系数等）也存在明显差异。此外，刘刚“0和李军辉四等通过有限元方法发现导线存在径向温度梯度；冯凯等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。1iU等3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、计算导线的分层的不同根线股也存在较大温差，没有考虑端变特性对弧垂计算的影响。AIbiZU等网结合导线载流量、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1提出了基于导线径向温度分析的弧垂算法，即通过有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

14、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I网，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“凡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I?无法满足实时回传数据、及时发现故障的需求；宰红斌等闾提出了基于机器学习的导线弧垂估计方法；李嘉雨等囱提出了基于PSo-BP算法

15、的导线弧垂预测方法：刘沛轩等网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。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，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1GJ300/40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1.33mm的钢芯和24根半径为1.98mm的铝股绞合而成，且相邻层绞线反向绞制，第4期23导线模型长度为20Omm,图1为导线物理模型.(a)1GJ340导线被曲图(b)1GJ300/40导线侧视图图11GJ300/40导线物理模型Fig.1Three-dimensiona1physica1mode1of1GJ300/40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。在钢芯铝绞线的制作过程当中，相邻导体相互摩擦、挤压使其表面凹凸不平，导线数半杼mm弹性模量/根半径mm呈Pa绞入率/%最外层次外层内