CN103336023A - 一种电力电缆热阻的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力电缆热阻的计算方法，包括以下步骤：步骤1.构建电缆载流温升系统与测温系统，电缆包括为导体、绝缘层、铝护套和表皮层这四个部分；步骤2.制定电缆载流温升方案；步骤3.测量并记录电缆在不同电流下达到稳态运行时的电缆导体温度、绝缘层温度、铝护套温度和表皮温度；步骤4.处理步骤3所述的电缆导体温度、绝缘层温度、铝护套温度和表皮层温度的数据；步骤5.绘制电缆的导体、绝缘层铝护套和表皮层的热阻与温度的关系曲线，拟合热阻与温度的关系曲线。具有精确的掌握了电缆的运行状态等优点。

Description

一种电力电缆热阻的计算方法

技术领域

本发明涉及计算电缆热阻的技术，特别涉及一种电力电缆热阻的计算方法，该方法可以在电缆处于不同温度运行下计算出电力电缆的热阻。

背景技术

由于城市用地紧张、电力建设需求等因素，城市输电线路由架空线路转变为地下电缆已成趋势。电缆载流量的计算及导体温度实时监测均需准确计算相关热阻参数，而铝护套至导体间的热阻占皱纹铝护套电缆本体热阻的90%以上，而国内外关于电缆热阻的研究较少。IEC60287标准中电缆各层热阻的计算方法基于假设热阻在一定温度范围内稳定，并将电缆本体的热阻归结为材料热阻，忽略热阻的变化，而实际上通过IEC标准所得的计算值都存在一定的误差，而误差是否源于电缆本体热阻值的动态变化尚没有得到论证。

目前关于电缆热阻的研究没有涉及热阻是否受温度影响，其幅度有多大，尤其没有考虑电缆各层同心圆弧表面的接触热阻及随温度变化的特性。若能掌握电缆本体热阻随温度变化规律，并对热阻参数进行合理修正，将对电缆载流量的计算和导体温度实时监测的可靠性具有重要意义。另外，运行中的电缆由于生产厂家、工艺的不同必然导致电缆各层的参数的不同。电缆生产厂家提供的电缆参数大多根据原料的参数，而忽视了生产工艺中各个厂家不同的流程。如在制造过程中，对于不同型号的电缆，其压接力不同，会导致各层之间的接触热阻不同。

针对以上两点，为了实现电缆载流量与导体温度的实时计算与在线监测，有必要对不同型号的电缆的热阻系数进行实验标定。通过该方法对每条电缆的参数进行标定，并用于该线路的在线监测能够科学合理的指导电缆线路的运行、维护。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种电力电缆热阻的计算方法，该方法可以计算出电缆热阻的变化规律。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种电力电缆热阻的计算方法，包括以下步骤：

步骤1、构建电缆载流温升系统与测温系统，电缆主要包括为导体、绝缘层、铝护套和表皮层这四个部分；

步骤2、制定电缆载流温升方案；

步骤3、测量并记录电缆在不同电流下达到稳态运行时的电缆导体温度、绝缘层温度、铝护套温度和表皮温度；

步骤4、处理步骤3所述的电缆导体温度、绝缘层温度、铝护套温度和表皮层温度的数据；

步骤5、绘制电缆的导体、绝缘层铝护套和表皮层的热阻与温度的关系曲线，拟合热阻与温度的关系曲线。

所述步骤2的电缆载流温升方案包括以下步骤：

1）计算电缆所产生的热量，其计算公式如下：

θ_c=θ_o+(I²R+0.5W_d)T₁+((1+λ₁)I²R+W_d)nT₂+((1+λ₁+λ₂)I²R+W_d)n(T₃+T₄)，（1）

式中，θ_c为导体温度，℃；θ_o为电缆的起始温度，℃；I为导体电流，A；R为工作温度下导体单位长度的交流电阻，Ω／m；W_d为绝缘层单位长度的介质损耗，W/m；n为电缆芯数；T₁为导体和金属套之间热阻，K·m/W；T₂为金属套和铠装之间垫层热阻，K·m/W；T₃为外护层热阻，K·m/W；T₄为周围媒质热阻，K·m/W；λ₁为电缆金属套损耗相对于导体损耗的比率；λ₂为电缆铠装损耗相对于导体损耗的比率；

考虑到电缆为单芯电缆，令n=1，将电缆铝护套单端接地，可将铝护套上的环流和涡流损耗近似为零，即λ₁=0；电缆金属套外无铠装，故λ₂=0，T₂=0；实验时，电缆两端的电压设置为不超过20V，可以不考虑绝缘层的介质损耗，则W_d=0；则式(1)可简化为：

θ_c=θ_o+I²R(T₁+T₃+T₄)，(2)

因此，稳态运行时，电缆各层产热与散热达到平衡，其值为Q=I²R（3），电阻R依据交流电阻的算法求得，电流I即电缆加载的电流。

2）计算电缆的热阻值，其计算公式如下：

$T=\frac{\mathrm{\Δ\θ}}{Q},---\left(4\right)$

式中，T表示热阻，单位为K/W，对于电缆来说一般默认的是单位长度的热阻，单位为K·m/W；Δθ表示温压，℃；Q表示单位时间转移的热量W。

结合公式（3）、（4）计算出电缆的导体、绝缘层、铝护套和表皮层这四个部分在稳态温度下的热阻值。

所述步骤5包括以下步骤：

1）至少重复三次步骤1至步骤3，再由步骤4和步骤5计算至少三次热阻值；

2）曲线拟合；绘制出电缆的四个部分的热阻随温度变化的曲线，并将热阻值与温度的关系进行公式拟合，得到电缆四个部分的热阻与温度之间的关系曲线；

3）工程应用；对一种型号电缆进行导体温度与载流量的在线监测时，针对该型号电缆拟合的关系曲线纳入到导体温度计算与电缆载流量计算的程序中。

本发明的工作原理：将实验电缆接在电缆载流温升系统两端，布置测温系统。针对实验电缆制定阶跃电流温升方案，每次施加电流12h，使其达到传热稳定状态。温升结束后整理实验数据，提取出电缆达到稳定状态下电缆各层的温度。根据电缆产热量与热阻公式计算出在不同温升电流下，即不同稳态温度下电缆各层的热阻值，绘制热阻与温度曲线，拟合经验公式。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、掌握了电缆热阻随温度的变化规律，有助于实现电缆导体温度的动态计算与在线监测。

2、当电缆处于额定运行状态时，根据实验测量、计算的热阻值，相对于厂商提供的参数小。若将该热阻值应用于电缆载流量的计算，将提高电缆的额定载流量。

3、通过对具体线路的热阻系数进行实验标定，并应用于该线路的在线监测，能够更精确的掌握电缆的运行状态。

附图说明

图1是单芯电缆剖面图的示意图；其中，1表示导体；2表示导体屏蔽；3表示绝缘层；4表示绝缘屏蔽；5表示绕包带；6表示气隙层；7表示铝护套；8表示外护套。

图2是实验系统原理图；其中，9表示漏电开关；10表示调压器；11表示升流器；12表示实验电缆。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

1、构建电缆载流温升系统与测温系统；系统装置如图2所示，包括实验电缆12、升流器11、调压器10及无功补偿系统，测温系统采用T型热电偶与无纸记录仪。热电偶的敷设方式为通过电钻对电缆进行钻孔，如图1所示，测量导体温度即钻孔至电缆导体1，每个测量点钻一个孔。其中，导体1温度测量点深入导体10.5mm，绝缘层3温度测量点深入绕包带50.5mm，铝护套7测温点深入铝护套70.5mm，使热电偶探头与测温点充分接触。

2、制定电缆载流温升方案。确定电缆电流的额定值，如电缆额定载流量为1000A，则升流的起始电流可以为200A，即实验系统先加载200A电流12h，然后电流增大100A至300A，加载12h，以此类推直至1000A。

当电缆加载电流达到1000A，而电缆导体温度尚未达到90℃时，继续增加实验电流，电流的增加方式每次增加100A，超过以后每次运行减小50A，直至电缆电流稳定在85℃至90℃之间。

3、测量并记录电缆在不同电流下达到稳态温度。为了保证输入电源的稳定，在电源输入端接一个稳压器，避免输入电压的不稳定而影响实验的准确性。在温度测量期间应有人值班。测温结束后从无纸记录仪抽取测量的温度数据，将电缆在不同电流下达到稳态运行时的电缆导体温度、绝缘层温度、铝护套温度及表皮温度整理出来。

4、电缆稳态温度数据的处理。IEC60287推荐的电缆稳态导体温度的计算公式如下：

θ_c=θ_o+(I²R+0.5W_d)T₁+((1+λ₁)I²R+W_d)nT₂+((1+λ₁+λ₂)I²R+W_d)n(T₃+T₄)，（1）

式中，θ_c为导体温度，℃；θ_o为电缆的起始温度，℃；I为导体电流，A；R为工作温度下导体单位长度的交流电阻，Ω／m；W_d为绝缘层单位长度的介质损耗，W/m；n为电缆芯数；T₁为导体和金属套之间热阻，K·m/W；T₂为金属套和铠装之间垫层热阻，K·m/W；T₃为外护层热阻，K·m/W；T₄为周围媒质热阻，K·m/W；λ₁为电缆金属套损耗相对于导体损耗的比率；λ₂为电缆铠装损耗相对于导体损耗的比率。

实验电缆为单芯电缆，n=1。实验中，电缆铝护套单端接地，可将铝护套上的环流和涡流损耗近似为零，即λ₁=0；电缆金属套外无铠装，故λ₂=0，T₂=0；实验时，电缆两端的电压不超过20V，可以不考虑绝缘层的介质损耗，W_d=0。

式(1)可简化为：

θ_c=θ_o+I²R(T₁+T₂+T₄)，(2)

因此，稳态运行时，电缆各层产热与散热达到平衡，其值为Q=I²R  （3），电阻R依据交流电阻的算法求得，I即为电缆温升加载电流。

热阻计算公式为：

$T=\frac{\mathrm{\Δ\θ}}{Q},---\left(4\right)$

式中，T表示热阻，单位为K/W，对于电缆来说一般默认的是单位长度的热阻，单位为K·m/W；Δθ表示温压，℃；Q表示单位时间转移的热量W。

结合公式（3）、（4）即可计算出电缆各层热阻值。

5、绘制电缆各层热阻与温度的关系曲线，拟合热阻与温度的关系曲线。在拟合公式之前应对该电缆进行多次实验，确保实验数据的可重复性与科学性。热阻与温度的经验公式拟合可以采用专业的曲线拟合工具。

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。

Claims (3)

1.一种电力电缆热阻的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、构建电缆载流温升系统与测温系统，把电缆划分为导体、绝缘层、铝护套和表皮层这四个部分；

步骤2、制定电缆载流温升方案；

步骤3、测量并记录电缆在不同电流下达到稳态运行时的电缆导体温度、绝缘层温度、铝护套温度和表皮温度；

步骤4、处理步骤3所述电缆的导体温度、绝缘层温度、铝护套温度和表皮层温度的数据；

步骤5、绘制电缆的导体、绝缘层铝护套和表皮层的热阻与温度的关系曲线，拟合热阻与温度的关系曲线。

2.根据权利要求1所述的电力电缆热阻的计算方法，其特征在于，所述步骤2的电缆载流温升方案包括以下步骤：

1）计算电缆所产生的热量，其计算公式如下：

θ_c=θ_o+(I²R+0.5W_d)T₁+((1+λ₁)I²R+W_d)nT₂+((1+λ₁+λ₂)I²R+W_d)n(T₃+T₄)，（1）

式中，θ_c为导体温度，θ_c的单位为℃；θ_o为电缆的起始温度，θ_o的单位为℃；I为导体电流，I的单位为A；R为工作温度下导体单位长度的交流电阻，R的单位为Ω／m；W_d为绝缘层单位长度的介质损耗，W_d的单位为W/m；n为电缆芯数；T₁为导体和金属套之间热阻，T₁的单位为K·m/W；T₂为金属套和铠装之间垫层热阻，T₂的单位为K·m/W；T₃为外护层热阻，T₃的单位为K·m/W；T₄为周围媒质热阻，T₄的单位为K·m/W；λ₁为电缆金属套损耗相对于导体损耗的比率；λ₂为电缆铠装损耗相对于导体损耗的比率；

令n=1，λ₁=0，λ₂=0，T₂=0；电缆载流温升系统加载的是小电压和大电流，并且电缆两端加载的电压不超过20V，故W_d=0；则式(1)可简化为：

θ_c＝θ_o+I²R(T₁+T₂+T₄)，(2)

θ_c为导体温度，θ_c的单位为℃；θ_o为电缆的起始温度，θ_o的单位为℃；I为导体电流，I的单位为A；R为工作温度下导体单位长度的交流电阻，R的单位为Ω／m；T₁为导体和金属套之间热阻，T₁的单位为K·m/W；T₃为外护层热阻，T₃的单位为K·m/W；T₄为周围媒质热阻，T₄的单位为K·m/W；

电缆在稳态温度下工作时，电缆所产生的热量与散发的热量相等，其值为：

Q=I²R，（3）

式中，R为交流电阻，I为加载在电缆上的电流；所述稳态温度指电缆产生的热量与散发的热量达到平衡的状态，即电缆的导体温度、绝缘层温度、铝护套温度和表皮层温度保持不变；

2）计算电缆的热阻值，其计算公式如下：

$T=\frac{\mathrm{\Δ\θ}}{Q},---\left(4\right)$

式中，T表示单位长度的热阻，单位为K·m/W；Δθ表示温压，Δθ的单位为℃；Q表示单位时间内转移的热量W；

结合式（3）和式（4）计算出电缆的导体、绝缘层、铝护套和表皮层这四个部分在稳态温度下的热阻值。

3.根据权利要求1所述的电力电缆热阻的计算方法，其特征在于，所述步骤5包括以下步骤：

1）至少重复三次步骤1至步骤3，计算出至少三个电缆产生的热量值，再利用计算出的热量值，根据步骤4和步骤5计算出至少三个热阻值；

2）曲线拟合；绘制出电缆的四个部分的热阻随温度变化的曲线，并将热阻值与温度的关系进行公式拟合，得到电缆四个部分的热阻与温度之间的关系曲线；

3）工程应用；对一种型号电缆进行导体温度与载流量的在线监测时，针对该型号电缆拟合的关系曲线纳入到导体温度计算与电缆载流量计算的程序中。

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