一种新型增容导线考虑拐点温度的弧垂计算方法

1.本发明涉及新型增容导线技术领域，尤其是对于导线的理论弧垂计算领域。


背景技术：

2.现如今，随着企业生产的不断进步，人民生活质量的不断提升，居民和工业对于电力的需求正在逐步提高。电力系统包括发电、输电、变电、配电和用电等多个环节，其中输电作为中间环节是安全运行的关键。输电线路是整个传输电力过程中的灵魂。在输电线路的设计和运行过程中，需要着重考虑的就是弧垂对于线路的影响。我国目前大多采用的导线是传统钢芯铝绞线(acsr)，传统的钢芯铝绞线正常的工作温度只有70℃～80℃，传统的计算弧垂的方法仍然适用，但是若采用碳纤维复合芯导线(accc)等新型增容导线，由于可以在更高的温度下运行，导线存在温度拐点，导线的应力逐渐转移到钢芯，此时继续使用传统的弧垂计算方法就产生了误差，会出现安全隐患，本领域急需一套完整的考虑导线拐点温度特性的弧垂计算方法。


技术实现要素：

3.本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本技术的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
4.鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。
5.因此，本发明提供了一种新型增容导线考虑拐点温度的弧垂计算方法，能够解决传统的弧垂计算方法应对新型增容导线时产生的误差与安全隐患问题。
6.为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案，一种新型增容导线考虑拐点温度的弧垂计算方法，包括：
7.计算新型增容导线的临界档距；
8.基于所述临界档距，并结合新型增容导线伸长量等量变化原理，求解拐点温度；
9.判断气象温度与拐点温度的大小，当气象温度在拐点温度以下时，用控制气象条件作为已知条件，用状态方程求解任意状态下的应力；当气象温度在拐点温度以上时，用拐点温度和对应的应力作为已知条件，用状态方程求解任意气象条件下的应力；
10.基于所述应力，用平抛物线形式弧垂公式得到弧垂。
11.作为本发明所述的新型增容导线考虑拐点温度的弧垂计算方法的一种优选方案，其中：所述确定导线的临界档距可表示为，
[0012][0013]
其中，σm、σn是可能控制条件所对应的控制应力，mpa；gm、gn是可能控制条件的比载，n/(m
·
mm2)；tm、tn是可能控制条件的气温，℃；α、e导线温度线膨胀系数和导线的弹性系数，1/℃，mpa；lc表示临界档距。
[0014]
作为本发明所述的新型增容导线考虑拐点温度的弧垂计算方法的一种优选方案，其中：伸长量等量变化包括，
[0015]
δs＝δsa＝δsc[0016]
其中，δs为导线整体伸长量，δsa为铝线伸长量，δsc为芯线伸长量，新型增容导线的整体、铝线和芯线的单位变化伸长量一致。
[0017]
作为本发明所述的新型增容导线考虑拐点温度的弧垂计算方法的一种优选方案，其中：所述伸长量等量变化还包括，
[0018]
由所述伸长量等量变化可以求得最大应力和拐点温度这两个状态的线长减去线长变化量应该相等，即：
[0019]sm-δsm＝s
c-δsc[0020]
其中，sm、sc分别是最大应力和拐点温度时的导线线长；δsm、δsc是最大应力和拐点温度的线长伸长量。
[0021]
作为本发明所述的新型增容导线考虑拐点温度的弧垂计算方法的一种优选方案，其中：所述单位伸长量包括，
[0022]
单位变化伸长量由弹性伸长量和热膨胀伸长量组成，表示为:
[0023][0024]
其中，t0表示导线的初始温度，是弹性伸长量，α(t-t0)是膨胀伸长量。
[0025]
作为本发明所述的新型增容导线考虑拐点温度的弧垂计算方法的一种优选方案，其中：所述求解拐点温度包括，
[0026]
先求得铝线和芯线的应力，表达式如下：
[0027][0028][0029]
其中，σa、σc分别是铝线和芯线的应力；αa、αc是铝线和芯线的线膨胀系数；ea、ec是铝线和芯线的弹性模量；
[0030]
作为本发明所述的新型增容导线考虑拐点温度的弧垂计算方法的一种优选方案，其中：所述求解拐点温度还包括，
[0031]
计算导线达到拐点温度的时候，σa为零，这时可以求出拐点温度ti，表示如下：
[0032][0033]
其中，ti是拐点温度，ti是拐点温度时候的应力和导线最大应力，e是弹性模量，a是导线截面积，α是线膨胀系数，αa是铝线的线膨胀系数，t0表示导线的初始温度。
[0034]
作为本发明所述的新型增容导线考虑拐点温度的弧垂计算方法的一种优选方案，其中：所述求解拐点温度还包括，
[0035][0036]
其中，l代表档距，ti、tm是拐点温度时候的应力和导线最大应力，qi是单位荷载，α是线膨胀系数，e是弹性模量，a是导线截面积，ti、tm是拐点温度和导线达到最大应力时的温度。
[0037]
作为本发明所述的新型增容导线考虑拐点温度的弧垂计算方法的一种优选方案，其中：所述状态方程表达式如下，
[0038][0039]
其中，σ
01
是第一种气象条件下的应力，σ
02
是待求应力，e和α是导线的弹性模量和线膨胀系数，l是档距，γ1是第一种气象条件下导线的比载，γ2是第二种气象条件下导线的比载，t1是第一种气象条件下的温度，t2是第二种气象条件下的温度。
[0040]
作为本发明所述的新型增容导线考虑拐点温度的弧垂计算方法的一种优选方案，其中：所述平抛物线形式弧垂公式可表示为，
[0041][0042]
其中，γ是相应气象条件下导线的比载，l是档距，σ是所求应力。
[0043]
本发明的有益效果：本发明提供一种新型增容导线考虑拐点温度的弧垂计算方法，设计了一套完整的考虑导线拐点温度特性的弧垂计算方法，可以计算存在温度拐点的碳纤维复合芯导线(accc)等新型增容导线的弧垂，避免用传统的计算弧垂的方法引起的误差，解决了安全隐患问题。
附图说明
[0044]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
[0045]
图1为本发明第一个实施例提供的一种新型增容导线考虑拐点温度的弧垂计算方法的流程示意图；
具体实施方式
[0046]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。
[0047]
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
[0048]
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方
式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
[0049]
本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
[0050]
同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0051]
本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0052]
实施例1
[0053]
参照图1，为本发明的第一个实施例，该实施例提供了一种新型增容导线考虑拐点温度的弧垂计算方法，包括：
[0054]
s1：确定新型增容导线的临界档距；
[0055]
更进一步的，临界档距表示为：
[0056][0057]
其中，σm、σn是可能控制条件所对应的控制应力，mpa；gm、gn是可能控制条件的比载，n/(m
·
mm2)；tm、tn是可能控制条件的气温，℃；α、e导线温度线膨胀系数和导线的弹性系数，1/℃，mpa；lc表示临界档距。
[0058]
应说明的是，当耐张段的代表档距小于它时，最大应力出现于气象条件ⅰ下；当大于它时，其出现于气象条件ⅱ下；等于它时，两种条件下均出现最大应力，那么我们把这个档距称为气象条件ⅰ和气象条件ⅱ的临界档距。
[0059]
s2：结合新型增容导线伸长量等量变化，求解拐点温度，判断气象温度与拐点温度的大小；
[0060]
更进一步的，新型增容导线的整体、铝线和芯线的单位变化伸长量一致。
[0061]
δs＝δsa＝δsc[0062]
其中，δs为导线整体伸长量，δsa为铝线伸长量，δsc为芯线伸长量。
[0063]
更进一步的，由所述伸长量等量变化可以求得最大应力和拐点温度这两个状态的线长减去线长变化量应该相等，即：
[0064]sm-δsm＝s
c-δsc[0065]
其中，sm、sc分别是最大应力和拐点温度时的导线线长；δsm、δsc是最大应力和拐点温度的线长伸长量。
[0066]
更进一步的，单位变化伸长量由弹性伸长量和热膨胀伸长量组成，表示为:
[0067][0068]
其中，t0表示导线的初始温度，是弹性伸长量，α(t-t0)是膨胀伸长量。
[0069]
应说明的是，弹性伸长量又可称为弹性模量，对弹性体施加一个外界作用力，弹性体会发生形状的改变(称为“形变”)，“弹性模量”的一般定义是：单向应力状态下应力除以该方向的应变。材料在弹性变形阶段，其应力和应变成正比例。膨胀伸长量也称为线弹性系数，表示材料膨胀或收缩的程度。分为某一温度点的线膨胀系数和某一温度区间的线膨胀系数，后者称为平均线膨胀系数。前者是单位长度的材料每升高一度的伸长量；平均线膨胀系数是单位长度的材料在某一温度区间，每升高一度温度的平均伸长量。
[0070]
更进一步的，求得铝线和芯线的应力，表达式如下：
[0071][0072][0073]
其中，σa、σc分别是铝线和芯线的应力；αa、αc是铝线和芯线的线膨胀系数；ea、ec是铝线和芯线的弹性模量；
[0074]
更进一步的，计算导线达到拐点温度的时候，σa为零，这时可以求出拐点温度ti，表示如下：
[0075][0076]
其中，ti是拐点温度，ti是拐点温度时候的应力和导线最大应力，e是弹性模量，a是导线截面积，α是线膨胀系数，αa是铝线的线膨胀系数，t0表示导线的初始温度。
[0077]
应说明的是，当导线温度达到拐点温度，铝线不再受力，全由钢芯承担。取零，代入公式，来求得拐点温度。
[0078]
更进一步的，联合上述方程，可得联合方程为：
[0079][0080]
其中，l代表档距，ti、tm是拐点温度时候的应力和导线最大应力，qi是单位荷载，α是线膨胀系数，e是弹性模量，a是导线截面积，ti、tm是拐点温度和导线达到最大应力时的温度。
[0081]
更进一步的，代入拐点温度简化得到关于ti的一元三次方程：
[0082][0083]
其中：
[0084][0085]
[0086][0087]
式中，l代表档距，ti、tm是拐点温度时候的应力和导线最大应力，qi是导线达到拐点温度时的单位荷载，qm是导线在最大张力时的单位荷载，α是线膨胀系数，e是弹性模量，a是导线截面积，t0表示导线的初始温度、tm是拐点温度和导线达到最大应力时的温度。α是线膨胀系数，σc芯线的应力。
[0088]
更进一步的，用牛顿迭代法可以计算出相应应力。
[0089]
应说明的是，牛顿迭代法只是一种计算方法，其他方法类似于试凑法，曲线图法等，读数不准确，精度不够，牛顿迭代法计算时间短，精度已经可以得到保证。
[0090]
s3：当气象温度在拐点温度以下时，用控制气象条件作为已知条件，用状态方程求解任意状态下的应力；当气象温度在拐点温度以上时，导线的应力全部转移到芯线上，铝线已经不受力，用拐点温度和对应的应力作为已知条件，用状态方程求解任意气象条件下的应力；
[0091]
更进一步的，状态方程表示为：
[0092][0093]
其中，σ
01
是第一种气象条件下的应力，σ
02
是待求应力，e和α是导线的弹性模量和线膨胀系数，l是档距，γ1是第一种气象条件下导线的比载，γ2是第二种气象条件下导线的比载，t1是第一种气象条件下的温度，t2是第二种气象条件下的温度。
[0094]
更进一步的，对上述公式稍加整理，得到：
[0095][0096]
令
[0097][0098][0099]
则式变为
[0100][0101]
同样的，采用牛顿迭代法求解，得到应力。
[0102]
应说明的是，物体由于外因(受力、湿度、温度场变化等)而变形时，在物体内各部分之间产生相互作用的内力，单位面积上的内力称为应力。应力是一个矢量，沿截面法向的分量称为正应力，沿切向的分量称为切应力。物体中一点在所有可能方向上的应力称为该点的应力状态。而应力状态方程就是为了求得此时应力。
[0103]
s4：用平抛物线形式弧垂公式得到弧垂。
[0104][0105]
其中，γ是相应气象条件下导线的比载，l是档距，σ是所求应力。
[0106]
实施例2
[0107]
参照图1，为本发明的一个实施例，提供了一种自适应茶叶加工模糊控制方法，为了验证本发明的有益效果，展示部分应力和弧垂计算结果。
[0108]
具体数值可见表1：
[0109]
表1部分应力和弧垂计算结果
[0110][0111][0112]
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。