СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООТДАЧИ ПРОВОДА ВОЗДУШНОЙ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ Российский патент 2011 года по МПК B60M1/00 

Изобретение относится к электрифицированным железным дорогам и может использоваться в системах электроснабжения тяги и нетяговых потребителей для защиты контактной сети и электрических сетей от перегрева проводов. Оно может использоваться также для защиты от перегрева проводов контактной сети городского и других видов транспорта, а также электрических сетей и воздушных линий общего назначения.

Известны защиты проводов от перегрева с вычислением температуры провода на основе решения уравнения теплового баланса, в которое входит коэффициент теплоотдачи провода, определяемый в нелинейном преобразователе в зависимости от скорости ветра (см. Авторское свидетельство СССР №854768, кл. B60M 3/00, 1981; Авторское свидетельство СССР №1778852, кл. H02H 5/04, B60M 3/00, H02H 3/08, 1992).

Такой способ определения коэффициента теплоотдачи обладает низкой точностью, поскольку значение коэффициента теплоотдачи зависит не только от скорости ветра, но и от ряда других факторов (температуры провода, температуры окружающей среды, площади поверхности и формы сечения провода).

Известен способ определения коэффициента теплоотдачи, в котором коэффициент теплоотдачи α_т в уравнении теплового баланса определяется как α_т=pV^0,6, где p - постоянный коэффициент, V - скорость ветра (см. Петрова Т.Е., Карминский В.А. Расчет нагрева проводов при ветрах. Режимы работы, автоматическое управление и техническая диагностика систем электроснабжения железных дорог. Труды. Межвузовский тематический сборник. Выпуск 171. Ростов-на-Дону: РИИЖТ, 1983, с.80-85). Этот способ реализован в устройстве «Тепловая защита контактной сети» (см. Герман Л.А. и др. Тепловая защита контактной сети. Применение ЭВМ и микропроцессорной техники в системе тягового электроснабжения. Межвузовский сборник научных трудов. Выпуск №121. М.: Всесоюзный заочный институт инженеров железнодорожного транспорта, 1984, с.75-78).

К недостаткам способа относится низкая точность из-за слишком приблизительного определения коэффициента теплоотдачи, поскольку не учитываются указанные выше влияющие факторы (температура провода, температура окружающей среды, площадь поверхности и форма сечения провода).

Прототипом выбран способ, в котором определяют перегрев провода и температуру окружающей среды, а также скорость ветра и вычисляют коэффициент теплоотдачи по формуле

где ε - степень черноты поверхности провода;

b, q - постоянные величины, зависящие от марки провода;

t_окр - температура окружающей среды;

θ - перегрев провода, равный разности температуры провода t и температуры окружающей среды t_окр;

V - скорость ветра

(см. Патент РФ №2022826, кл. B60M 1/00, H02H 5/04, 3/08, G01K 1/16, 1994).

К недостаткам прототипа относятся узкая область применения только для тех форм и сечений проводов, для которых экспериментально определены значения коэффициентов b и q, и снижение точности при температурах окружающей среды, характерных в эксплуатации для условий профилактического подогрева проводов для предотвращения отложений на них гололеда.

Известно, что коэффициент теплоотдачи α_т нагретого провода, обтекаемого воздухом, температура которого меньше температуры провода, равен

где α_тк - коэффициент теплоотдачи конвекцией, α_тл - коэффициент теплоотдачи излучением.

Коэффициент теплоотдачи конвекцией α_тк в прототипе выражен формулой (второе слагаемое в формуле (1))

постоянные величины b и q которой определяются по опытным значениям для конкретных проводов.

К недостаткам такого подхода относится то, что этой простой формулой можно пользоваться лишь в том случае, если в реальных установках условия протекания процесса теплообмена в точности соответствуют тем, какие были при проведении экспериментов, на основании которых получены эти формулы (см. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. М.: Энергия, 1977, с.66). Другим недостатком является невозможность использования формулы (3) для тех проводов, которые имеют другую форму или другие размеры по сравнению с испытанными.

Все имеющиеся в литературе формулы для определения коэффициента теплоотдачи проводов воздушных линий (см., например, Дмитриев К.С. Программа TOKPG для оперативных расчетов на ЭВМ токов и времени плавки гололеда на проводах ВЛ в зависимости от метеоусловий. Электрические станции, 1997, №12, с.23-16; Левченко И.И., Сацук Е.И. Нагрузочная способность и мониторинг воздушных линий электропередачи в экстремальных условиях. Электричество, 2008, №4, с.3-8) основаны на теории внешнего обтекания труб круглого сечения (Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент: Справочник / Е.В.Аметистов и др. М.: Энергоиздат, 1982, с.173-176). В то же время провода (тросы) воздушных линий состоят из витых проволок, поэтому сечение провода отличается от круга. Еще более сложную форму имеют фасонные контактные провода, а неучет их формы снижает точность определения коэффициента теплоотдачи.

Коэффициент теплоотдачи излучением вычисляют по известной классической формуле

где T - абсолютная температура провода;

T_окр - абсолютная температура окружающей среды, K.

В прототипе вместо этого выражения использована более простая формула (первое слагаемое в формуле (1))

которая при температурах провода от 100°C до 140°C и температурах окружающей среды от 10°C до 40°C имеет погрешность до 3%. Такой диапазон температур характерен для условий нормальной нагрузки и перегрузки проводов по току в летних условиях.

При профилактическом подогреве проводов (т.е. в таком специально создаваемом в эксплуатации режиме, при котором гололед на проводах контактной сети или воздушных линий электропередачи не отлагается) температура окружающей среды может быть от -1°C до -10°C, а температура провода от 1°C до 2°C. В этих условиях погрешность формулы (5) возрастает в несколько раз и может составить около 15%, что снижает точность определения коэффициента теплоотдачи.

Техническим результатом являются повышение точности определения коэффициента теплоотдачи провода воздушной линии электропередачи и контактной сети и расширение области применения на провода как круглого, так и сложного некруглого сечения.

Сущность предлагаемого способа заключается в том, что определяют температуру нагрева круглого, витого или фасонного провода при протекании по нему тока, измеряют температуру окружающей среды и скорость ветра, дополнительно определяют периметр поперечного сечения провода и вычисляют коэффициент теплоотдачи α_т по формуле, Вт/(м²·K)

где V - скорость ветра, м/с;

Р - периметр поперечного сечения провода, м;

λ - теплопроводность воздуха, Вт/(м·К);

ν - кинематическая вязкость воздуха, м²/с;

a, b - постоянные коэффициенты;

α_тл - коэффициент теплоотдачи излучением, Вт/(м²·K).

Значения коэффициентов a и b принимают равными

, ;

, , .

В диапазоне температур окружающей среды от -20°C до +50°C принимают

В этом диапазоне температур значение коэффициента теплоотдачи излучением можно вычислить по формуле

α_тл=4,44ε(1+0,008t)(1+0,0045t_окр),

где t - температура провода, °C;

t_окр - температура окружающей среды, °C;

ε - степень черноты поверхности провода.

Температуры t и t_окр измеряют известными приборами, скорость ветра измеряют известными анемометрами. Значения коэффициентов ε, λ, ν находят по известным справочным данным. Для воздуха принимают

λ=2,44(1+0,003t_окр)·10^-2, ν=13,75(1+0,0068t_окр)·10^-6.

Значение периметра P поперечного сечения провода находят либо измерением, либо по предложенным ниже формулам.

Для витых проводов используется формула, м

где d - диаметр проволок наружного повива провода, мм;

p - число проволок в наружном ряду повива.

Если значение p неизвестно, то его вычисляют с округлением до ближайшего меньшего целого числа по выражению

где D - расчетный диаметр витого провода, мм.

Для контактных проводов используется формула, м

где A, R - стандартные (справочные) размеры поперечного сечения контактного провода, мм;

К_из - коэффициент, учитывающий износ контактного провода, принимаемый для контактной сети переменного тока равным 1, а постоянного тока - равным 0,97;

М - слагаемое, значение которого принимают для фасонного контактного провода равным 13,07 мм, а для фасонного овального - равным 15,07 мм.

Новыми признаками способа являются добавление в последовательность операций определения периметра поперечного сечения провода и новой формулы для определения коэффициента теплоотдачи. Предложенный способ имеет более высокую точность и более широкую область применения, т.к. пригоден не только для круглых проводов, но и для проводов некруглого сечения (например, витых и фасонных контактных).

Осуществление способа выполняется известными техническими средствами.

Изобретение относится к области электрифицированных железных дорог и может быть использовано в городском электротранспорте, в частности в системах электроснабжения тяги и нетяговых потребителей. Сущность изобретения заключается в том, что измеряют температуру провода при протекании по нему тока, температуру окружающей среды и скорость ветра, определяют периметр сечения провода и вычисляют коэффициент теплоотдачи по формуле. Даны выражения для определения периметра витых и фасонных проводов. Технический результат заключается в повышении точности определения теплоотдачи провода и расширении области применения. 5 з.п. ф-лы.

1. Способ определения коэффициента теплоотдачи круглого, витого или фасонного провода воздушной линии электропередачи и контактной сети, при котором определяют температуру провода при протекании по нему тока, измеряют температуру окружающей среды и скорость ветра и вычисляют коэффициент теплоотдачи α_т по формуле α_т=α_тк+α_хл, где α_тк - коэффициент теплоотдачи конвекцией, α_тл - коэффициент теплоотдачи излучением, отличающийся тем, что дополнительно определяют периметр поперечного сечения провода и вычисляют коэффициент теплоотдачи по формуле

где V - скорость ветра, м/с;
Р - периметр поперечного сечения провода, м;
λ - теплопроводность воздуха, Вт/(м·К);
ν - кинематическая вязкость воздуха, м²/с;
a, b - постоянные коэффициенты;
α_тл - коэффициент теплоотдачи излучением, Вт/(м²·К).

2. Способ по п.1, в котором принимают

3. Способ по п.1, в котором в диапазоне температур окружающей среды от -20°С до +50°С принимают
, ;
,

4. Способ по п.1, в котором в диапазоне температур окружающей среды от -20°C до +50°С принимают
α_тл=4,44ε(1+0,008t(1+0,0045t_окр),
где t - температура провода, °С;
t_окр - температура окружающей среды, °С;
ε - степень черноты поверхности провода.

5. Способ по п.1, в котором для витого провода (троса), скрученного из нескольких проволок, периметр поперечного сечения Р вычисляют по формуле

где d - стандартный (справочный) диаметр проволок наружного повива провода, мм;
p - число проволок в наружном ряду повива провода, значение которого, если оно неизвестно, определяют округлением до ближайшего меньшего числа по формуле

где D - расчетный (справочный) диаметр провода, мм.

6. Способ по п.1, в котором для фасонного контактного провода периметр поперечного сечения Р вычисляют по формуле

где A, R - стандартные (справочные) размеры поперечного сечения контактного провода, мм;
К_из - коэффициент, учитывающий износ контактного провода, принимаемый для контактной сети переменного тока равным 1, а постоянного тока равным 0,97;
М - слагаемое, значение которого принимают для фасонного контактного провода равным 13,07 мм, а для фасонного овального равным 15,07 мм.