Контроль температуры токопроводящей жилы защищённых проводов воздушных линий по значениям температуры на поверхности изоляции

Целью исследований является разработка и численная проверка методики определения температуры жилы изолированного провода на основе измерений электрического тока и температуры поверхности изоляции при использовании технологии Smart Grid. В исследованиях использовалась математическая модель теплового режима провода в форме алгебраического уравнения четвертой степени, для решения которого был применен метод Феррари. Моделирование температурных полей, необходимое для получения результатов сравнения, производилось методом конечных элементов COMSOL Multiphysics. Идентификация температуры жилы с учетом погрешностей измерения осуществлялась на основе метода наименьших квадратов совместно с методом золотого сечения. На основе метода конечных элементов изучено распределение температуры в сечении защищенного провода СИП–3, а также на поверхности его изоляции. В результате моделирования получены зависимости изменения максимальной и минимальной температуры поверхности изоляции провода в зависимости от скорости ветра при предельно допустимой температуре жилы. Показано, что разность максимальной и минимальной температуры поверхности может достигать примерно 25°C при скорости ветра 3–4 м/с. По результатам исследований получена функция, минимизация которой позволяет найти температуру токопроводящей жилы защищенного провода по значениям температуры на поверхности изоляции. Сравнительный анализ разработанного метода определения температуры жилы и метода конечных элементов дает погрешность расчетов в 0,44°C при условии точного задания значения электрического тока. Результаты исследования указывают на необходимость учета неравномерности распределения температуры на поверхности изоляции защищенных проводников при мониторинге линий электропередачи. Разработанная методика расчета температуры жилы по измерительным данным дает высокую точность при любой практически возможной неравномерности температуры поверхности, если погрешность измерения тока не превышает 5%.

1. Hasan M.K., Ahmed M.M., Musa S.S., Islam S., Abdullah S.N.H.S., Hossain E. An improved dynamic thermal current rating model for PMU–based wide area measurement framework for reliability analysis utilizing sensor cloud system // IEEE Access. 2021. Vol. 9. P. 14446–14458. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2021.3052368.

2. Lai Ching-Ming, Teh Jiashen. Comprehensive review of the dynamic thermal rating system for sustainable electrical power systems // Energy Reports. 2022. Vol. 8. P. 3263–3288. https://doi.org/10.1016/j.egyr.2022.02.085.

3. El–Azab M., Omran W.A., Mekhamer S.F., Talaat H.E.A. Congestion management of power systems by optimizing grid topology and using dynamic thermal rating // Electric Power Systems Research. 2021. Vol. 199. P. 107433. https://doi.org/10.1016/j.epsr.2021.107433.

4. Dawson L., Knight A.M. Investigating the impact of a dynamic thermal rating on wind farm integration // IET Generation, Transmission & Distribution. 2023. Vol. 17. Iss. 4. P. 2449–2457. https://doi.org/10.1049/gtd2.12821.

5. Lai Ching-Ming, Teh Jiashen, Alharbi B., AlKassem A., Aljabr A., Alshammari N. Optimisation of generation unit commitment and network topology with the dynamic thermal rating system considering N–1 reliability // Electric Power Systems Research. 2023. Vol. 221. P. 109444. https://doi.org/10.1016/j.epsr.2023.109444.

6. Zainuddin N.M., Rahman M.S.A., Kadir M.Z.A.A., Ali N.H.B.N., Ali Z., Miszaina Osman, et al. Review of thermal stress and condition monitoring technologies for overhead transmission lines: issues and challenges // IEEE Access. 2020. Vol. 8. P. 120053–120081. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2020.3004578.

7. Rahman M., Atchison F., Cecchi V. Temperature–dependent system level analysis of electric power transmission systems: а review // Electric Power Systems Research. 2021. Vol. 193. P. 107033. https://doi.org/10.1016/j.epsr.2021.107033.

8. Lawal O.A., Teh J. Dynamic thermal rating forecasting methods: a systematic survey // IEEE Access. 2022. Vol. 10. P. 65193–65205. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2022.3183606.

9. Karimi S., Musilek P., Knight A.M. Dynamic thermal rating of transmission lines: a review // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2018. Vol. 91. P. 600–612. https://doi.org/10.1016/j.rser.2018.04.001.

10. Martinez R., Manana M., Arroyo A., Bustamante S., Laso A., Castro P., et al. Dynamic rating management of overhead transmission lines operating under multiple weather conditions // Energies. 2021. Vol. 14. Iss. 4. P. 1136. https://doi.org/10.3390/en14041136.

11. Xie Xiaowei, Liu Zhengjun, Xu Caijun, Zhang Yongzhen. A multiple sensors platform method for power line inspection based on a large unmanned helicopter // Sensors. 2017. Vol. 17. Iss. 6. P. 1222. https://doi.org/10.3390/s17061222.

12. Iglesias J., Watt G., Douglass D., Morgan V., Stephen R., Bertinat M., et al. Guide for thermal rating calculations of overhead lines // CIGRE. 2014. P. 95.

13. Zivkovic M. IEEE Standard for calculating the current-temperature relationship of bare overhead conductors sponsored by the transmission and distribution Committee. New York: IEEE, 2013. 58 р. https://doi.org/10.1109/IEEESTD.2013.6692858.

14. Петрова Е.В., Гиршин С.С., Криволапов В.А., Горюнов В.Н., Троценко В.М. Анализ длительно допустимых токов и потерь активной мощности в воздушных линиях электропередачи с учетом климатических факторов // Омский научный вестник. 2023. № 4. С. 84–92. https://doi.org/10.25206/1813–8225-2023-188-84-92. EDN: WQGZWB.

15. Liu Yanxin, Sun Jianyu, Chen Shaoping, Sha Jingjie, Yang Juekuan. Thermophysical properties of cross–linked polyethylene during thermal aging // Thermochimica Acta. 2022. Vol. 713. P. 179231. https://doi.org/10.1016/j.tca.2022.179231.

16. Бигун А.Я., Гиршин С.С., Горюнов В.Н., Шепелев А.О., Ткаченко В.А., Троценко В.М. Оценка влияния ветра на нагрев изолированного провода воздушных линий электропередачи // Динамика систем, механизмов и машин. 2020. Т. 8. № 3. C. 23–30. https://doi.org/10.25206/2310-9793-8-3-23-30. EDN: HPGPAX.

17. Liu Zhao, Deng Honglei, Peng Ruidong, Peng Xiangyang, Wang Rui, Zheng Wencheng, et al. An equivalent heat transfer model instead of wind speed measuring for dynamic thermal rating of transmission lines // Energies. 2020. Vol. 13. Iss. 18. P. 4679. https://doi.org/10.3390/en13184679.

18. Sanda M., Kojima T., Higashi E., Maruyama T., Iwama N., Sakai O. Overhead transmission line monitoring system for dynamic rating // SEI Technical Review. 2018. No. 87. P. 64–69.

19. Jagota V., Sethi A.S., Kumar K. Finite element method: an overview // Walailak Journal of Science and Technology. 2013. Vol. 10. Iss. 1. P. 1–8. https://doi.org/10.2004/WJST.V10I1.499.

20. Петрова Е.В. Аналитический метод расчета потерь в воздушных линиях электроэнергетических систем с учетом изменения нагрузки и погодных условий // Омский научный вестник. 2023. № 3. С. 101–108. https://doi.org/10.25206/1813-8225-2023-187-101-108. EDN: QJTELW.