CN104330659A - 一种基于电缆传热模型的准动态增容方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于电缆传热模型的准动态增容方法，用于排管内部的电缆增容，包括以下步骤：1)根据电缆全线的工况，在瓶颈电缆段建立数据采集系统，进行当日数据测量；2)根据数据采集系统当日测得的瓶颈电缆段的数据，建立并以日为单位更新次日瓶颈电缆段的电缆传热模型；3)根据次日瓶颈电缆段的电缆传热模型，估算瓶颈电缆段中待增容电缆次日的载流量，实现电缆增容。与现有技术相比，本发明具有方法先进、实时性好、效果显著等优点。

Description

一种基于电缆传热模型的准动态增容方法

技术领域

本发明涉及电力领域，尤其是涉及一种基于电缆传热模型的准动态增容方法。

背景技术

目前大型城市电网的中心城区用电负荷大、电缆通道资源紧张，部分重载线路已成为明显的输电瓶颈，通过电缆增容来挖掘现有电缆的输电潜力，对缓解城市供电压力有重要意义。

目前电缆载流量计算普遍采用的IEC60287、IEC853、JB/T 10181.3-2000标准，是针对稳态计算的，不适合计算动态负荷。而且电缆载流量是在设计阶段确定的，由于电缆传热环境的复杂性和不确定性，设计人员通常作最不利散热假设，以得到一个足够安全的电流值。在电缆寿命周期内调度部门都将使用该值。这就造成了电缆载流量普遍存在取值过于保守、误差较大的问题，不能充分发挥电缆的输电能力。

所谓电缆动态增容，即：给定电流，实时预测电缆导体到达指定温度的时间；或者给定过载时间，实时预测电缆导体不超过指定温度的最大电流。但该方法缺少公认的标准，效果尚待检验。从不同敷设方式看，电缆动态增容对于隧道敷设方式难度相对低一些，而排管敷设方式，由于涉及相邻电缆的相互影响，难以实现准确的动态计算。国内有一些电缆安装了动态增容系统，但仅将光纤测温数据用于防外破、消防；不敢真正地根据动态计算结果将电缆超设计容量运行

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种方法先进、实时性好、效果显著的基于排管电缆传热模型的准动态增容方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于电缆传热模型的准动态增容方法，用于排管内部的电缆增容，包括以下步骤：

1)根据电缆全线的工况，在瓶颈电缆段建立数据采集系统，进行当日数据测量；

2)根据数据采集系统当日测得的瓶颈电缆段的数据，建立并以日为单位更新次日瓶颈电缆段的电缆传热模型；

3)根据次日瓶颈电缆段的电缆传热模型，估算瓶颈电缆段中待增容电缆次日的载流量，实现电缆增容。

所述的步骤2)具体包括以下步骤：

21)根据当日测得的电缆与排管之空间介质的温度θ_m与经过赋初值计算获得的浸水温度和未浸水温度比较，判断排管内是否浸水，获得电缆表面与排管内表面之间空间热阻T_4-1的值；

22)获得当日的瓶颈电缆段的土壤热阻系数ρ_e；

23)获得当日的瓶颈电缆段的混凝土热阻系数ρ_c；

24)将当日的电缆表面与排管内表面之间空间热阻T_4-1、土壤热阻系数ρ_e和混凝土热阻系数ρ_c代入，得到次日瓶颈电缆段的电缆传热模型为：

I²[RT₁+R(1+λ₁)T₂+R(1+λ₁+λ₂)(T₃+T₄)]+W_d0.5T₁＝θ₁-θ_C

T₄＝T_4-1+T_4-2+T_4-3

$T_{4\_1}=\frac{U}{1+0.1(V+{\mathrm{Y\θ}}_m)D_{\mathrm{oc}}}$

$T_{4\_2}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{T_{42}}}{2\mathrm{\π}}\mathrm{Ln}\left(\frac{D_o}{D_d}\right)$

$T_{4-3}=1.5\frac{{\mathrm{\ρ}}_c}{2\mathrm{\π}}\mathrm{Ln}(2U-0.63)+t_{4-3}$

$t_{4-3}=\frac{N}{2\mathrm{\π}}({\mathrm{\ρ}}_e-{\mathrm{\ρ}}_C)\mathrm{Ln}(u+\sqrt{u^2-1})$

$U=\frac{2L_g}{D_{\mathrm{pg}}}$

$u=\frac{l_g}{r_b}$

其中，I为载流量，R为工作温度下的导体交流电阻，W_d为绝缘介质损耗，λ₁为护套和屏蔽损耗因数，λ₂为金属铠装损耗因数，T₁为导体与金属护套间绝缘层热阻，T₂为金属护套与铠装层之间内衬层热阻，T₃为电缆外护层热阻，T₄为电缆表面与周围环境之间热阻，θ_c为环境温度，θ₁为电缆导体温度，T_4-1为电缆表面与排管内表面之间空间热阻，T_4-2为排管本身热阻，T_4-3为排管外部热阻，U、V、Y为常数，θ_m为电缆与排管之空间介质的温度，D_oc为电缆外径，为排管混凝土材料的热阻系数，D_o为排管外径，D_d为排管内径，N为排管内有负荷电缆根数，ρ_e为排管周围土壤的热阻系数，ρ_c为混凝土的热阻系数，L_g为排管埋深，l_g，为排管混凝土预制件中心的埋设深度，r_b为排管混凝土预制件等效半径，D_pg为排管外径；

25)重复步骤21)-24)，更新次日瓶颈电缆段的传热模型。

所述的步骤22)具体包括以下步骤：

221)确定土壤热阻系数ρ_e的范围为0.6-1.2；

222)在土壤热阻系数取值范围内，求解瓶颈电缆段电缆的热网络节点方程，获得瓶颈电缆段的导引孔温度θ₆，热网络节点方程为：

$\left[\begin{array}{cccccc}2/T_1& -2/T_1& 0& 0& 0& 0\\ -2/T_1& 4/T_1& -2/T_1& 0& 0& 0\\ 0& -2/T_1& 2/T_1+1/T_2& -2/T_2& 0& 0\\ 0& 0& -2/T_2& 1/T_2+1/T_{4-1}& -1/T_{4-1}& 0\\ 0& 0& 0& -1/T_{4-1}& 1/T_{4-1}+1/T_{4-2}& -1/T_{4-2}\\ 0& 0& 0& 0& -1/T_{4-2}& 1/T_{4-2}+1/T_{4-3}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_1\\ {\mathrm{\θ}}_2\\ {\mathrm{\θ}}_3\\ {\mathrm{\θ}}_4\\ {\mathrm{\θ}}_5\\ {\mathrm{\θ}}_6\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{Q}_1\\ Q_2\\ Q_3\\ 0\\ 0\\ {\mathrm{\θ}}_C/T_{4-3}\end{array}\right]$

其中，θ₁为导体表面的温度，θ₂为绝缘中部的温度，θ₃为金属护套表面的温度，θ₄为电缆表面的温度，θ₅为排管内壁的温度，θ₆为导引孔的温度，Q₁为导体损耗，Q₂为绝缘介损，Q₃为金属护套损耗。

223)根据测得瓶颈电缆段的导引孔温度，当和θ₆的差值绝对值最小时，此时θ₆对应的土壤热阻系数即为土壤热阻系数ρ_e。

所述的步骤23)具体包括以下步骤：

231)确定混凝土热阻系数ρ_c的范围为0.6-1.2；

232)根据步骤222)获得瓶颈电缆段的电缆表面温度θ₄：

233)根据测得瓶颈电缆段的电缆表面温度，当和θ₄的差值绝对值最小时，此时θ₄对应的土壤热阻系数即为混凝土热阻系数ρ_e。

该方法还适用于隧道的敷设方式。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、方法先进，采用国际通用的稳态载流量计算标准，能够处理多条电缆相互影响的情况，适合排管、隧道等各种敷设方式，实现动态周期为1天的增容，避免了动态增容中处理热容等复杂因素。

二、实时性好，利用采集到的光纤测温数据和电流数据，推算出近期的外部热阻T₄，可以准实时地跟踪热阻变化，解决外部热阻T₄难以确定的难题。

三、效果显著，根据历史数据进行电缆负荷预测，既考虑了安全性，又有效释放了电缆的输电潜力。

附图说明

图1为本发明的方法流程图。

图2为瓶颈电缆段的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例：

如图1所示，一种基于电缆传热模型的准动态增容方法，用于排管内部的电缆增容，包括以下步骤：

1)根据电缆全线的工况，在瓶颈电缆段建立数据采集系统，进行数据测量；

2)根据数据采集系统当日测得的瓶颈电缆段的数据，建立并以日为单位更新次日瓶颈电缆段的电缆传热模型；

3)根据次日瓶颈电缆段的电缆传热模型，估算瓶颈电缆段中待增容电缆次日的载流量，实现电缆增容。

步骤2)具体包括以下步骤：

21)根据当日测得的电缆与排管之空间介质的温度θ_m与经过赋初值计算获得的浸水温度和未浸水温度比较，判断排管内是否浸水，若θ_m与的差值绝对值较小，则判断为未浸水，通过查表可得瓶颈电缆段的电缆表面温度T_4-1的标准值，若θ_m与的差值绝对值较小，则判断为浸水，瓶颈电缆段的电缆表面温度T_4-1的大小变为标准值的0.007倍；

22)获得当日的瓶颈电缆段的土壤热阻系数ρ_e，具体包括以下步骤：

221)确定土壤热阻系数ρ_e的范围为0.6-1.2；

222)在土壤热阻系数取值范围内，求解瓶颈电缆段电缆的热网络节点方程，获得瓶颈电缆段的导引孔温度θ₆，热网络节点方程为：

$\left[\begin{array}{cccccc}2/T_1& -2/T_1& 0& 0& 0& 0\\ -2/T_1& 4/T_1& -2/T_1& 0& 0& 0\\ 0& -2/T_1& 2/T_1+1/T_2& -2/T_2& 0& 0\\ 0& 0& -2/T_2& 1/T_2+1/T_{4-1}& -1/T_{4-1}& 0\\ 0& 0& 0& -1/T_{4-1}& 1/T_{4-1}+1/T_{4-2}& -1/T_{4-2}\\ 0& 0& 0& 0& -1/T_{4-2}& 1/T_{4-2}+1/T_{4-3}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_1\\ {\mathrm{\θ}}_2\\ {\mathrm{\θ}}_3\\ {\mathrm{\θ}}_4\\ {\mathrm{\θ}}_5\\ {\mathrm{\θ}}_6\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{Q}_1\\ Q_2\\ Q_3\\ 0\\ 0\\ {\mathrm{\θ}}_C/T_{4-3}\end{array}\right]$

其中，θ₁为导体表面的温度，θ₂为绝缘中部的温度，θ₃为金属护套表面的温度，θ₄为电缆表面的温度，θ₅为排管内壁的温度，θ₆为导引孔的温度，Q₁为导体损耗，Q₂为绝缘介损，Q₃为金属护套损耗。

223)根据测得瓶颈电缆段的导引孔温度当和θ₆的差值绝对值最小时，此时θ₆对应的土壤热阻系数即为土壤热阻系数ρ_e。

23)获得当日的瓶颈电缆段的混凝土热阻系数ρ_c，具体包括以下步骤：

231)确定混凝土热阻系数ρ_c的范围为0.6-1.2；

232)根据步骤222)获得瓶颈电缆段的电缆表面温度θ₄：

233)根据测得瓶颈电缆段的电缆表面温度当和θ₄的差值绝对值最小时，此时θ₄对应的土壤热阻系数即为混凝土热阻系数ρ_c。

24)将当日的电缆表面与排管内表面之间空间热阻T_4-1、土壤热阻系数ρ_e和混凝土热阻系数ρ_c代入，得到次日瓶颈电缆段的电缆传热模型为：

I²[RT₁+R(1+λ₁)T₂+R(1+λ₁+λ₂)(T₃+T₄)]+W_d0.5T₁＝θ₁-θ_C

T₄＝T_4-1+T_4-2+T_4-3

$T_{4\_1}=\frac{U}{1+0.1(V+{\mathrm{Y\θ}}_m)D_{\mathrm{oc}}}$

$T_{4\_2}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{T_{42}}}{2\mathrm{\π}}\mathrm{Ln}\left(\frac{D_o}{D_d}\right)$

$T_{4-3}=1.5\frac{{\mathrm{\ρ}}_c}{2\mathrm{\π}}\mathrm{Ln}(2U-0.63)+t_{4-3}$

$t_{4-3}=\frac{N}{2\mathrm{\π}}({\mathrm{\ρ}}_e-{\mathrm{\ρ}}_c)\mathrm{Ln}(u+\sqrt{u^2-1})$

$U=\frac{2L_g}{D_{\mathrm{pg}}}$

$u=\frac{l_g}{r_b}$

其中，I为载流量，R为工作温度下的导体交流电阻，W_d为绝缘介质损耗，λ₁为护套和屏蔽损耗因数，λ₂为金属铠装损耗因数，T₁为导体与金属护套间绝缘层热阻，T₂为金属护套与铠装层之间内衬层热阻，T₃为电缆外护层热阻，T₄为电缆表面与周围环境之间热阻，θ_c为环境温度，θ₁为电缆导体温度，T_4-1为电缆表面与排管内表面之间空间热阻，T_4-2为排管本身热阻，T_4-3为排管外部热阻，U、V、Y为常数，θ_m为电缆与排管之空间介质的温度，D_oc为电缆外径，为排管混凝土材料的热阻系数，D_o为排管外径，D_d为排管内径，N为排管内有负荷电缆根数，ρ_e为排管周围土壤的热阻系数，ρ_c为混凝土的热阻系数，L_g为排管埋深，l_g为排管混凝土预制件中心的埋设深度，r_b为排管混凝土预制件等效半径，D_pg为排管外径；

25)重复步骤21)-24)，更新次日瓶颈电缆段的传热模型。

该方法还适用于隧道的敷设方式。

以某220kV电缆0001线的2014年春季增容工程为例，进行说明。

1)对电缆及排管建立传热模型

2)瓶颈电缆段的选择

0001电缆为排管敷设，全长6.7km，连接A站和B站。由于是已投运的旧电缆，安装测温光纤难度大，所以仅在瓶颈电缆段上安装光纤。0001电缆全程不同位置上，排管里邻近电缆的数量、电压等级、负荷情况各不相同，排管结构也有所不同，因此对各段电缆进行了逐个排查分析，根据排查结果，对几个工况最恶劣电缆段开展分析计算，最后选择从A站到第一个中间接头，450m的电缆通道敷设测温光纤。

3)瓶颈电缆段的数据采集

如图2所示，图为瓶颈电缆段的结构，除220kV电缆0001线外，还包括10回35kV电缆，还有几个空的导引孔。在3根220kV电缆表面和1个导引孔里安装测温光纤。在所有电缆上安装电流互感器。这样可以实时采集排管内温度和各电缆的电流。

4)边界条件

地温取当天实测值，例如4月5日为15℃。

如表1所示，排管内附近10回35kV电缆，收集2013年最高负荷日的平均电流，乘60％为春季电流上限，认为10回35kV电缆长时间运行在这个电流值。

表1：2013年各电缆春季平均电流

5)计算模型的关键参数

如表2所示，土壤热阻系数和混凝土热阻系数赋初值1.0(K·m/W)，计算导引孔温度、电缆表面温度。

表2：电缆表面和导引孔的实测值和计算值比较表

分析电缆表面和导引孔的实测值和计算值，认为排管内没有浸水。

土壤热阻系数和混凝土热阻系数赋初值1.0。

如表3所示，调节混凝土热阻系数从0.6到1.2，分析电缆表面和导引孔温度差值的实测值和计算值，当混凝土热阻系数为0.7时二者差值最小，所以认为混凝土热阻系数为0.7。

表3：混凝土热阻系数电缆表面和导引孔温度差与实测温度差比较表

用类似方法再次进行计算，得到土壤热阻系数的最佳值为0.75。

6)模型应用

确定模型各参数后，即可开展准动态增容计算。每天根据当天的地温(地温是缓慢变化的)，计算第二天的0001电缆的电流限值，提供给调度。

Claims (4)

1.一种基于电缆传热模型的准动态增容方法，用于排管内部的电缆增容，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据电缆全线的工况，在瓶颈电缆段建立数据采集系统，进行当日数据测量；

2)根据数据采集系统当日测得的瓶颈电缆段的数据，建立并以日为单位更新次日瓶颈电缆段的电缆传热模型；

3)根据次日瓶颈电缆段的电缆传热模型，估算瓶颈电缆段中待增容电缆次日的载流量，实现电缆增容。

2.根据权利要求1所述的一种基于电缆传热模型的准动态增容方法，其特征在于，所述的步骤2)具体包括以下步骤：

21)根据当日测得的电缆与排管之空间介质的温度θ_m与经过赋初值计算获得的浸水温度和未浸水温度比较，判断排管内是否浸水，获得电缆表面与排管内表面之间空间热阻T_4-1的值；

22)获得当日的瓶颈电缆段的土壤热阻系数ρ_c；

23)获得当日的瓶颈电缆段的混凝土热阻系数ρ_c；

24)将当日的电缆表面与排管内表面之间空间热阻T_4-1、土壤热阻系数ρ_c和混凝土热阻系数ρ_c代入，得到次日瓶颈电缆段的电缆传热模型为：

I²[RT₁+R(1+λ₁)T₂+R(1+λ₁+λ₂)(T₃+T₄)]+W_d0.5T₁＝θ₁-θ_c

T₄＝T_4-1+T_4-2+T_4-3

$T_{4\_1}=\frac{U}{1+0.1(V+{\mathrm{Y\θ}}_m)D_{\mathrm{oc}}}$

$T_{4\_2}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{T_{42}}}{2\mathrm{\π}}\mathrm{Ln}\left(\frac{D_o}{D_d}\right)$

$T_{4-3}=1.5\frac{{\mathrm{\ρ}}_c}{2\mathrm{\π}}\mathrm{Ln}(2U-0.63)+t_{4-3}$

$t_{4-3}=\frac{N}{2\mathrm{\π}}({\mathrm{\ρ}}_c-{\mathrm{\ρ}}_c)\mathrm{Ln}(u+\sqrt{u^2-1})$

$U=\frac{{2L}_g}{D_{\mathrm{\ρg}}}$

$u=\frac{l_g}{r_b}$

其中，I为载流量，R为工作温度下的导体交流电阻，W_d为绝缘介质损耗，λ₁为护套和屏蔽损耗因数，λ₂为金属铠装损耗因数，T₁为导体与金属护套间绝缘层热阻，T₂为金属护套与铠装层之间内衬层热阻，T₃为电缆外护层热阻，T₄为电缆表面与周围环境之间热阻，θ_c为环境温度，θ_l为电缆导体温度，T_4-1为电缆表面与排管内表面之间空间热阻，T_4-2为排管本身热阻，T_4-3为排管外部热阻，U、V、Y为常数，θ_m为电缆与排管之空间介质的温度，D_oc为电缆外径，为排管混凝土材料的热阻系数，D_o为排管外径，D_d为排管内径，N为排管内有负荷电缆根数，ρ_c为排管周围土壤的热阻系数，ρ_c为混凝土的热阻系数，L_g为排管埋深，l_g为排管混凝土预制件中心的埋设深度，r_b为排管混凝土预制件等效半径，D_ρg为排管外径；

25)重复步骤21)-24)，更新次日瓶颈电缆段的传热模型。

3.根据权利要求2所述的一种基于电缆传热模型的准动态增容方法，其特征在于，所述的步骤22)具体包括以下步骤：

221)确定土壤热阻系数ρ_c的范围为0.6-1.2；

222)在土壤热阻系数取值范围内，求解瓶颈电缆段电缆的热网络节点方程，获得瓶颈电缆段的导引孔温度θ₆，热网络节点方程为：

$\left[\begin{array}{cccccc}2/T_1& -2/T_1& 0& 0& 0& 0\\ -2/T_1& 4/T_1& -2/T_1& 0& 0& 0\\ 0& -2/T_1& 2/T_1+1/T_2& -2/T_2& 0& 0\\ 0& 0& -2/T_2& 1/T_2+1/T_{4-1}& -1/T_{4-1}& 0\\ 0& 0& 0& -1/T_{4-1}& 1/T_{4-1}+1/T_{4-2}& -1/T_{4-2}\\ 0& 0& 0& 0& -1/T_{4-2}& 1/T_{4-2}+1/T_{4-3}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_1\\ {\mathrm{\θ}}_2\\ {\mathrm{\θ}}_3\\ {\mathrm{\θ}}_4\\ {\mathrm{\θ}}_5\\ {\mathrm{\θ}}_6\end{array}\right]=\begin{array}{}\left[\begin{array}{c}{Q}_1\\ Q_2\\ Q_3\\ 0\\ 0\\ {\mathrm{\θ}}_{c{}_{}}/T_{4-3}\end{array}\right]\end{array}$

其中，θ₁为导体表面的温度，θ₂为绝缘中部的温度，θ₃为金属护套表面的温度，θ₄为电缆表面的温度，θ₅为排管内壁的温度，θ₆为导引孔的温度，Q₁为导体损耗，Q₂为绝缘介损，Q₃为金属护套损耗；

223)根据测得瓶颈电缆段的导引孔温度，当和θ₆的差值绝对值最小时，此时θ₆对应的土壤热阻系数即为土壤热阻系数ρ_c。

4.根据权利要求3所述的一种基于电缆传热模型的准动态增容方法，其特征在于，所述的步骤23)具体包括以下步骤：

231)确定混凝土热阻系数ρ_c的范围为0.6-1.2；

232)根据步骤222)获得瓶颈电缆段的电缆表面温度θ₄：

233)根据测得瓶颈电缆段的电缆表面温度当和θ₄的差值绝对值最小时，此时θ₄对应的土壤热阻系数即为混凝土热阻系数ρ_c。