一种测量架空输电线路自然对流温度场的方法

技术领域

本发明涉及热电偶的测温技术、电机拖动原理、架空输电线技术以及和工程热物理相关的技术领域，具体涉及一种采用步进电机驱动的剖分轴承固定的轮状热电偶簇测量架空输电线路自然对流温度场的方法。

背景技术

一般的架空输电线路都应当满足如下形式的热平衡方程：

Q_R+Q_t＝Q_l+Q_f>

其中，Q_R代表单位长度导体产生的焦耳热，Q_t代表单位长度导体所受到的太阳辐射热量，Q_l代表单位长度道题的对流散热量，Q_f代表单位长度导体的辐射散热量。

由于导体的焦耳热公式为：

Q_R＝I²R_ac>

联立公式(1)和公式(2)，可以得到导体的载流量方程如下：

$I=\sqrt{\frac{Q_1+Q_f-Q_t}{R}}---\left(3\right)$

从公式(3)中可以看到，导线的载流量与导线的吸热和散热关系密切相关，增大导体载流量的一个重要的方法就是增大导体的散热量，而架空线的散热中最主要的是对流散热，因此对对流散热情况的研究对提升导线的载流量具有重要的意义。

在目前的研究当中，对导线的自然对流情况主要集中在导线的对流与导线的表面温度的关系研究，有关于导线周围温度场的研究主要集中在仿真和数值计算方面。而在实际的架空线运行当中，特别是考虑到未安装间隔棒的双分裂导线运行当中，导线之间的温度影响是一个十分重要的研究课题，而实际运行的导线由于其所处的环境十分复杂，通过理论计算得到的温度场情况往往不能满足要求，因此对导线的近温度场分布进行试验研究十分有必要，目前亟待就针对架空线的近温度场监测提供了一种可行、方便的监测方法。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中测量架空输电线路温度普遍采用的测量表面温度而忽视了近温度场的影响的缺点，提供一种测量架空输电线路自然对流温度场的方法，该方法所采用的测量温度场方式比红外温度测量方法成本大大减小，具有良好的经济性。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种测量架空输电线路自然对流温度场的方法，包括下列步骤:

S1、将若干根热电偶组成长度不一的轮状热电偶簇，并且均匀固定在由步进电机驱动的剖分轴承上；

S2、所述剖分轴承外圈以某一周期绕导线旋转一周之后便得到导线周围指定方位、指定距离的温度分布。

进一步地，所述热电偶以不同方位均匀固定于所述剖分轴承上，每两个热电偶固定点与导线轴心连线的夹角为θ，所述夹角θ根据需要测量的点的数量决定。

进一步地，当所述轮状热电偶簇中热电偶的数量为n根时，每两个热电偶与轴心连线的夹角为：

$\theta =\frac{360}{n}.$

进一步地，所述热电偶在固定到所述剖分轴承上之后对其进行弯折使所述热电偶与导线相垂直，而弯折的部分的长度应当根据具体的测量位置的高度来确定，并且预留下一定的长度l₀，使热电偶侧温触头附近再次进行一次和第一次弯折方向相反的第二次弯折，使靠近热电偶侧温触头处的热电偶丝与导线相平行。

进一步地，所述热电偶侧温触头与导线轴心的距离各不相同；如果所述热电偶应当测量高度为h处的温度场，而所述剖分轴承的内圈内径与外圈外径厚度为2x，那么所述热电偶弯折点与所述热电偶侧温触头之间的长度为：|h-x|+l₀。

进一步地，所述热电偶侧温触头与导线之间没有实物相阻隔。

进一步地，所述剖分轴承外圈在步进电机驱动下每一脉冲旋转的角度等于所述夹角θ。

进一步地，所述步进电机的步距角满足：

其中，k代表剖分轴承外圈上的齿轮的分度圆直径与步进电机齿轮分度圆直径的比值。

进一步地，所述剖分轴承在每一个状态下都保持指定时间以保证所述热电偶所测温度充分达到稳态。

进一步地，所述指定时间的区间为0.9min至1.1min。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1)在本发明中，由于采用的是热电偶测量导线周围的温度场，因此可以大大减少设备的成本，在一般情况下如果测量温度场的话采用的器件如红外测试或者紫外成像的设备其成本会大大增加，而且在应用起来也有很多不方便之处。

2)在本发明中采用的是步进电机的旋转来测量导线周围的不同位置处的温度，这样每个热电偶可以测量多处的温度，减少了热电偶的使用数量，不仅减少了成本，而且还简化了装置的复杂程度，在实际测量中的使用更加简便。

附图说明

图1是本发明中步进电机驱动下的轮状热电偶簇测量自然对流的设备的正视图；

图2是本发明中步进电机驱动下的轮状热电偶簇测量自然对流的设备的侧视图；

图3是本发明公开的一种测量架空输电线路自然对流温度场的方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参见图3，图3是本实施例中公开的一种测量架空输电线路自然对流温度场的方法的流程图。图3所示的一种采用步进电机驱动的剖分轴承固定的轮状热电偶簇测量架空输电线路自然对流温度场的方法，具体包括以下步骤：

S1、将若干根热电偶组成长度不一的轮状热电偶簇，并且均匀固定在由步进电机驱动的剖分轴承上；

(1)热电偶以不同方位均匀固定于剖分轴承上，每两个热电偶固定点与导线轴心连线的夹角为θ；

热电偶应当固定的具体位置根据需要测量的点的数量来决定，当在本专利中取n根热电偶时，每两个热电偶与轴心连线的夹角为：

$\theta =\frac{360}{n}.$

(2)热电偶侧温触头与导线轴心的距离各不相同；

具体应用中，每根热电偶在固定到剖分轴承上之后应当对其进行弯折使热电偶与导线相垂直，而弯折的部分的长度应当根据具体的测量位置的高度来确定，并且应当预留下一定的长度l₀，l₀的主要意义在于使热电偶的触头附近再次进行一次和第一次弯折方向相反的第二次弯折，使靠近热电偶侧温触头处的热电偶丝与导线相平行(具体情况见说明书附图中的侧视图)。如果某根热电偶应当测量高度为h处的温度场，而剖分轴承的内圈内径与外圈外径厚度为2x，那么热电偶弯折点与热电偶侧温触头之间的长度为：|h-x|+l₀，根据该公式得到热电偶丝一次弯折点的位置，然后量取和热电偶侧温触头相距为l₀的二次弯折点，并做好标记。

(3)剖分轴承由步进电机驱动；

具体应用中，该剖分轴承的内圈固定在导线上，将剖分轴承的外圈固定在内圈外围并确定好其可以良好滑动之后，将步进电机固定在导线的外圈上。

(4)热电偶侧温触头与导线之间没有其他的实物相阻隔，热电偶冷端通过其他方式与温度显示仪表连接。

在剖分轴承、步进电机已经固定好，并且将所有的热电偶丝进行两次弯折之后，将热电偶丝固定在剖分轴承的外圈表面上已经标记好的位置上，可以用尼龙绳或者其他元件将其绑缚于轴承外圈上，并且保证正好将所有的一次弯折点固定在轴承外圈的外表面上。这样二次弯折点之后的电偶丝与导线平行，并且与一次弯折点和二次弯折点之间的电偶丝相垂直，可以确保热电偶的测温点与导线之间没有其他的物体(如热电偶丝)干扰，大大提高了测量的准确性。

S2、剖分轴承外圈以某一周期绕导线旋转一周之后便得到导线周围指定方位、指定距离的温度分布；

(1)剖分轴承外圈在步进电机驱动下每一脉冲旋转的角度等于θ；

具体应用中，为了使步进电机在每一个脉冲的作用下轴承的外圈旋转角度为θ，即可以使轴承外圈在旋转一周之后得到同一方向上不同高度处的温度数据，步进电机的步距角应当满足：

其中，k代表轴承外圈上的齿轮的分度圆直径与步进电机齿轮分度圆直径的比值。

(2)剖分轴承在每一个状态下都应当至少保持指定时间以保证热电偶所测温度充分达到稳态。

示例性的，所述指定时间的区间0.9min至1.1min，即，剖分轴承在每一个状态下都应当至少保持0.9min至1.1min，以保证热电偶所测温度充分达到稳态。

由于热电偶侧温触头本身的比热容的影响，在轴承外圈进行一次旋转之后的热电偶测温并不能马上达到稳态，而是需要一定的时间。根据对一些实验结果进行验证分析，得到时间在0.9min至1.1min之间时可以保证热电偶的测温数值达到稳态。优选的指定时间为1min。

本实施例中采用八根热电偶，每根热电偶的二次弯折点与侧温触头之间距离为l₀＝3cm，而各个热电偶测温的高度分别为h＝0.1cm、0.3cm、1cm、3cm、6cm、10cm、17cm、26cm，而剖分轴承的内圈内径与外圈外径之间的差为0.78cm，这样得到的一次弯折点与热电偶侧温触头之间的距离为3.68cm、3.48cm、3.22cm、5.22cm、8.22cm、12.22cm、19.22cm、28.22cm。

而由于采用八根热电偶，所以每两根热电偶之前的相距角度为45°，当步进电机收到一个脉冲的信号时，剖分轴承的外围移动的角度为45°，在本实例中使步进电机的齿轮分度圆直径与剖分轴承的齿轮分度圆直径之比为1:2，那么步进电机的一个步距角为90°。

本实施例公开的测量方法采用的测量设备的正视图和侧视图如说明书附图1和2所示。

综上所述，在本实施例中，由于采用的是热电偶测量导线周围的温度场，因此可以大大减少设备的成本，在一般情况下如果测量温度场的话采用的器件如红外测试或者紫外成像的设备其成本会大大增加，而且在应用起来也有很多不方便之处。同时，在本实施例中，采用的是步进电机的旋转来测量导线周围的不同位置处的温度，这样每个热电偶可以测量多处的温度，减少了热电偶的使用数量，不仅减少了成本，而且还简化了装置的复杂程度，在实际测量中的使用更加简便。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。