CN104408249A - 单芯电缆导体热性参数的确定方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种单芯电缆导体热性参数的确定方法及系统，该方法包括如下步骤：将单芯电缆的导体屏蔽层、绝缘层、绝缘屏蔽层归并处理为等效绝缘层，并将所述等效绝缘层进行分层处理；分别建立分层处理后每一层等效绝缘层的微元圆筒壁暂态热路模型以及单芯电缆其余各层的微元圆筒壁暂态热路模型；按照单芯电缆的实际结构串接所述每一层等效绝缘层以及单芯电缆其余各层的微元圆筒壁暂态热路模型，生成单芯电缆的优化暂态热路模型；根据所述优化暂态热路模型获得单芯电缆导体热性参数。本发明将优化了单芯电缆的暂态热路模型，利用优化暂态热路模型进行导体热性参数的求解，能够显著提高精度，降低电缆载流量的计算误差。

Description

单芯电缆导体热性参数的确定方法及系统

【技术领域】

本发明涉及电力电缆技术领域，特别涉及一种单芯电缆导体热性参数的确定方法及系统。

【背景技术】

随着城市建设和电力建设的快速发展，电力电缆逐渐成为电能输送的主要方式。对于电力电缆，一个基本的参数是电缆载流量。当电缆超载流量运行时，容易引起电缆故障，同时加速电缆的绝缘老化，不利于电网的安全运行；而当电缆载流量小于设定值时，电缆载流能力得不到充分的利用，不符合经济原则。因此需要准确计算电缆的载流量。

通过建立热路模型的解析算法是一种应用比较广泛的计算电缆载流量的方法。利用热阻、热容、热源等元件代表电缆各层材料的传热特性，建立一维的暂态热路模型，通过计算电缆导体的交流电阻、介质损耗、热阻、热容、温度变化等热性参数即可计算出电缆的载流量。这一方法的准确度取决于热路模型中参数的取值与实际值的误差。例如在计算电缆导体温度时，在IEC60853标准中，不考虑暂态模型中热性参数的动态特性，引入了较大的误差，不利于电缆导体热性参数的准确计算。

【发明内容】

基于此，本发明提供一种单芯电缆导体热性参数的确定方法及系统，通过考虑热阻的动态特性，优化单芯电缆的暂态热路模型，实现电缆导体热性参数以及电缆载流量的准确计算。

本发明实施例的内容如下：

一种单芯电缆导体热性参数的确定方法，包括如下步骤：

将单芯电缆的导体屏蔽层、绝缘层、绝缘屏蔽层归并处理为等效绝缘层，并将所述等效绝缘层进行分层处理；

分别建立分层处理后每一个等效绝缘层分层的微元圆筒壁暂态热路模型以及单芯电缆其余各层的微元圆筒壁暂态热路模型；

按照单芯电缆的实际结构串接所述每一个等效绝缘层分层以及单芯电缆其余各层的微元圆筒壁暂态热路模型，生成单芯电缆的优化暂态热路模型；

根据所述优化暂态热路模型获得单芯电缆导体热性参数。

相应的，本发明提供一种单芯电缆导体热性参数的确定系统，包括：

分层模块，用于将单芯电缆的导体屏蔽层、绝缘层、绝缘屏蔽层归并处理为等效绝缘层，并将所述等效绝缘层进行分层处理；

微元建模模块，用于建立分层处理后每一个等效绝缘层分层的微元圆筒壁暂态热路模型以及单芯电缆其余各层的微元圆筒壁暂态热路模型；

生成模块，用于按照单芯电缆的实际结构串接所述每一个等效绝缘层分层以及单芯电缆其余各层的微元圆筒壁暂态热路模型，生成单芯电缆的优化暂态热路模型；

计算模块，用于根据所述优化暂态热路模型获得单芯电缆导体热性参数。

本发明考虑到等效绝缘层厚度较大，温度梯度大，将等效绝缘层分为多层，实现近似分布参数处理，进一步优化了单芯电缆的暂态热路模型；利用上述的优化暂态热路模型进行单芯电缆导体热性参数的求解，能够显著提高精度，有效降低了电缆载流量的计算误差。

【附图说明】

图1为本发明实施例中单芯电缆的剖面结构图；

图2为本发明实施中一种单芯电缆导体热性参数的确定方法的流程示意图；

图3为本发明实施例中微元圆筒壁暂态热路模型对应的τ形结构图；

图4为本发明实施例中单芯电缆优化暂态热路模型的结构图；

图5为本发明实施例中测量单芯电缆导体温度的实验系统的原理图；

图6为本发明实施例中单芯电缆导体温度计算值相对误差的标准差的曲线图；

图7为本发明实施例中单芯电缆导体热性参数的确定系统的结构示意图。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明的内容作进一步描述。

常见的单芯电缆包括导体、绝缘层、垫层、气隙层、金属护套层以及外护层等主要部分，还包括导体屏蔽层以及绝缘屏蔽层，这两层很薄。

图1是一种单芯电缆的剖面结构图，在图1所示的单芯电缆中，垫层为绕包带，金属护套层为皱纹铝套。

首先，为了实现单芯电缆暂态模型的优化，根据电缆的结构特点，同时基于实际运行情况，作出以下几点假设：

(1)假设电缆各层材料的几何参数恒定，忽略温度对于几何参数的影响；

(2)假设电缆轴对称且沿圆周方向均匀传热，即热量沿径向一维传导，忽略轴向传热；

(3)假设单芯电缆的导体、垫层、气隙层、金属护套层以及外护层均为发热均匀的等温体。

基于上述几点假设，本发明实施中提供一种单芯电缆导体热性参数的确定方法，如图2所示，包括如下步骤：

S101将单芯电缆的导体屏蔽层、绝缘层、绝缘屏蔽层归并处理为等效绝缘层，并将所述等效绝缘层进行分层处理；

S102分别建立分层处理后每一个等效绝缘层分层的微元圆筒壁暂态热路模型以及单芯电缆其余各层的微元圆筒壁暂态热路模型；

S103按照单芯电缆的实际结构串接所述每一个等效绝缘层分层以及单芯电缆其余各层的微元圆筒壁暂态热路模型，生成单芯电缆的优化暂态热路模型；

S104根据所述优化暂态热路模型获得单芯电缆导体热性参数。

单芯电缆的导体绝缘层、绝缘屏蔽层均较薄，本实施例中将导体屏蔽层和绝缘屏蔽层归并到绝缘层，即将三者归并处理后作为等效绝缘层。在上述的假设中，单芯电缆的导体、垫层、气隙层、金属护套层以及外护层均被视为发热均匀的等温体，因此可以作为集中参数处理。但由于绝缘层厚度较大，所述的等效绝缘层温度梯度大，为了提高后续优化暂态热路模型结构的精度，不能简单地将等效绝缘层作为集中参数处理，而需要作近似分布参数处理，具体方法即为对等效绝缘层进行分层处理。

分层处理时可以按照等热容、等厚度、预设热容比、预设厚度比等方式进行，将等效绝缘层分为预设层数N。其中等热容方式是指将等效绝缘层分为N分层后每一分层的热容相等；等厚度方式是指将等效绝缘层分为N分层后每一分层的厚度相等；预设热容比方式是指将等效绝缘层分为N分层，从第一分层至第N分层，各分层热容的比值为预设热容比，例如1:2...N；预设厚度比方式是指将等效绝缘层分为N分层后，从第一分层至第N分层，各层厚度的比值为预设厚度比，例如1:2...N。

基于单芯电缆的实际结构，可将单芯电缆各层视为圆筒壁，利用傅里叶传热定律和能量守恒定律，得到各层的微元圆筒壁暂态热路模型，该模型可用如下公式描述：

$P_c={\∫}_{r_1}^{r_2}2\mathrm{\πrcdr}\frac{\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δ}}t}{\mathrm{d\τ}}=\mathrm{c\π}(r_2^2-r_1^2)\·\frac{\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δ}}t}{\mathrm{d\τ}}$

上述公式表示在单芯电缆半径r处取一厚度为dr的微元圆筒壁，r₁、r₂表示圆筒壁的内外半径，其取值与单芯电缆各层的厚度对应，例如对于单芯电缆导体，r₂为导体的半径，r₁为0，对于金属护套层，r₁、r₂分别为金属护套层的内外半径；c表示圆筒壁微元热容；表示圆筒壁在时间dτ内的平均温度升高值；P_c表示圆筒壁微元热容中存储的热量。

该微元圆筒壁暂态热路模型可表示为一个热阻、热容的τ形结构。微元圆筒壁暂态热路模型对应的τ形结构图如图3所示，在图3中，为流经热阻的热量，2πrcλ·dr·Δt/dτ为存储在热容的热量，P_i为流入该微元圆筒壁的热量，P_p为微元圆筒壁产生的热量；其中r为微元圆筒壁对应圆的半径，λ为导热系数，表示温度t对r的偏导，c表示圆筒壁微元热容，Δt表示圆筒壁在时间dτ内的温度升高值。

然后按照单芯电缆的实际结构串接各层的微元圆筒壁暂态热路模型，即将导体、等效绝缘层、垫层、气隙层、金属护套层、外护套层的τ形结构按顺序串接起来，生成单芯电缆的优化暂态热路模型，该优化暂态热路模型的结构图如图4所示，在图4中绝缘体以及内、外屏蔽层即上述的等效绝缘层。单芯电缆的优化暂态热路模型可用如下公式描述：

$\stackrel{\·}{t}=\mathrm{At}+\mathrm{BP}$

其中矩阵A、矩阵B、矩阵P以及矢量t表示如下：

$A=\left[\begin{array}{ccccc}{-\left(C_1{R}_1\right)}^{-1}& {\left(C_1{R}_1\right)}^{-1}& 0& 0& ...0\\ {\left(C_2{R}_1\right)}^{-1}& -C_2^{-1}(R_1^{-1}+R_2^{-1})& {\left(C_2{R}_2\right)}^{-1}& 0& ...0\\ 0& {\left(C_3{R}_2\right)}^{-1}& -C_3^{-1}(R_2^{-1}+R_3^{-1})& {\left(C_3{R}_3\right)}^{-1}& ...0\\ .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .\\ 0& 0& ...0& {\left(C_n{R}_{n-1}\right)}^{-1}& {{-C}_n}^{-1}(R_{n-1}^{-1}+R_n^{-1})\end{array}\right]$

$\stackrel{\·}{t}={\left[\begin{array}{ccccc}\frac{\stackrel{\‾}{{\mathrm{\Δt}}_1}}{\mathrm{d\τ}}& \frac{\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δ}{t}_2}}{\mathrm{d\τ}}& \frac{\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δ}{t}_3}}{\mathrm{d\τ}}& ...& \frac{\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δ}{t}_n}}{\mathrm{d\τ}}\end{array}\right]}^T$

t＝[t₁ t₂ t₃…t_n]^T

P＝[P₁ P₂ P₃ … P_n+t_o/R_n]^T

上式中：C_n＝C_n’+C_n”,t₁表示单芯电缆导体温度，t₂～t_n-3表示等效绝缘层每一分层的温度，t_n-2、t_n-1、t_n、t₀分别表示垫层、气隙层、金属护套层、外护层的温度，单位均为摄氏度(℃)；C₁表示导体热容，C₂～C_n-3表示等效绝缘层各分层的热容，C_n-2、C_n-1、C_n’、C_n″分别表示垫层、气隙层、金属护套层、外护层的热容，单位均为焦耳每开尔文(J/K)；R₁为导体的单位长度热阻，R₂～R_n-3为等效绝缘层每一分层的单位长度热阻，R_n-2、R_n-1、R_n分别表示垫层、气隙层以及外护层的单位长度热阻，单位均为开尔文米每瓦(K.m/W)；P₁表示导体的损耗，P₂～P_n-3表示等效绝缘层每一分层的损耗，P_n-2、P_n-1分别表示垫层、气隙层的损耗，但因其损耗较低，可以作零处理，P_n表示金属护套层的损耗，外护层损耗较低，此处也忽略，作零处理。

根据单芯电缆的优化暂态模型可以计算单芯电缆导体的热性参数，例如参照电路中的节点电压法列出优化暂态模型中各节点的方程，然后通过求解方程获得导体的热性参数。

下面以单芯电缆导体温度为例，分别通过实验测量以及采用本发明提供的单芯电缆导体热性参数的确定方法来计算的方式，计算两者相对误差的标准差。

先通过实验测量单芯电缆导体温度。实验系统包括电源、升流器、调压器、单芯电缆以及热电偶测温仪。此处单芯电缆选用YJLW0364/1101×500，实验系统原理图如图5所示，图5中虚线部分仅仅代表的是升流器跟实验电缆之间的连接情况，并没有具体所指。单芯电缆的敷设方式为空气敷设，加载电流的方式为400A-600A-800A-1000A-1200A-800A-0A，每段电流加载的时间为2h，每隔10秒记录一次数据，该数据包括单芯电缆导体温度以及外护层温度。

另外，按照上述的方法建立单芯电缆YJLW0364/1101×500的优化暂态热路模型，结合单芯电缆外护层的温度，利用Matlab循环程序计算单芯电缆导体温度。本实施例中等效绝缘层的预设层数分别为5、10、20、30、100。

然后将实验所测得的导体温度以及通过优化暂态热路模型计算出的温度进行处理，计算出导体温度计算值相对误差的标准差，最后得到如图6所示的曲线图。从图6中可以看出，本发明提供的单芯电缆导体热性参数的确定方法误差很小，而且等效绝缘层分层越多(即预设层数越大)，计算误差越小。

综合上述内容，本发明将等效绝缘层分为多层，做近似分布参数处理，将单芯电缆其余各层进行集中参数处理，有效地优化了单芯电缆的暂态热路模型，通过本发明提供的优化暂态热路模型，能够高精度的获取单芯电缆导体的热性参数，将其应用到电缆载流量的计算中，能有效降低计算误差，具有较高地应用价值。

本发明还提供一种单芯电缆导体热性参数的确定系统，如图7所示，包括：

分层模块101，用于将单芯电缆的导体屏蔽层、绝缘层、绝缘屏蔽层归并处理为等效绝缘层，并将所述等效绝缘层进行分层处理；

微元建模模块102，用于建立分层处理后每一个等效绝缘层分层的微元圆筒壁暂态热路模型以及单芯电缆其余各层的微元圆筒壁暂态热路模型；

生成模块103，用于按照单芯电缆的实际结构串接所述每一个等效绝缘层分层以及单芯电缆其余各层的微元圆筒壁暂态热路模型，生成单芯电缆的优化暂态热路模型；

计算模块104，用于根据所述优化暂态热路模型获得单芯电缆导体热性参数。

在一种具体实施方式中，分层模块101将所述等效绝缘层按等热容的方式等分为预设层数的分层。

在一种具体实施方式中，分层模块101将所述等效绝缘层按等厚度的方式等分为预设层数的分层。

在一种具体实施方式中，分层模块101将所述等效绝缘层按预设热容比的方式分为预设层数的分层；进一步的，所述预设热容比为1:2...N，其中N等于所述预设层数。

在一种具体实施方式中，分层模块101将所述等效绝缘层按预设厚度比的方式分为预设层数的分层，所述预设厚度比为1:2...N，其中N等于所述预设层数。

在微元建模模块102中，只需要输入单芯电缆各层的参数(包括内外半径、热容等)，就可以建立各层的微元圆筒壁暂态热路模型，再通过生成模块103，将各层的微元圆筒壁暂态热路模型按单芯电缆实际结构串接起来，生成单芯电缆的优化暂态热路模型。计算模块104通过所述优化暂态热路模型进行求解运算，获得单芯电缆导体的热性参数。

在计算单芯电缆导体的温度时，计算模块104包括：

表皮温度获取模块1041，用于获取单芯电缆外护层温度；

导体温度计算模块1042，用于根据所述单芯电缆外护层温度以及所述优化暂态热路模型计算单芯电缆导体温度。

其中，单芯电缆外护层温度可以由实际测量获得，导体温度计算模块1042根据测量结果以及单芯电缆的优化暂态热路模型进行运算，最终计算出单芯电缆导体温度。

上述各模块其功能的实现，可以参照上述的方法，此处不再进行赘述。以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种单芯电缆导体热性参数的确定方法，其特征在于，包括如下步骤：

将单芯电缆的导体屏蔽层、绝缘层、绝缘屏蔽层归并处理为等效绝缘层，并将所述等效绝缘层进行分层处理；

分别建立分层处理后每一个等效绝缘层分层的微元圆筒壁暂态热路模型以及单芯电缆其余各层的微元圆筒壁暂态热路模型；

按照单芯电缆的实际结构串接所述每一个等效绝缘层分层以及单芯电缆其余各层的微元圆筒壁暂态热路模型，生成单芯电缆的优化暂态热路模型；

根据所述优化暂态热路模型获得单芯电缆导体热性参数。

2.根据权利要求1所述的单芯电缆导体热性参数的确定方法，其特征在于，还包括如下步骤：

所述热性参数包括温度，根据单芯电缆外护层温度以及所述优化暂态热路模型获得单芯电缆导体温度。

3.根据权利要求1或2所述的单芯电缆导体热性参数的确定方法，其特征在于，将所述等效绝缘层进行分层处理的过程包括以下各项中的任一项：

将所述等效绝缘层按等热容的方式等分为预设层数；

将所述等效绝缘层按等厚度的方式等分为预设层数；

将所述等效绝缘层按预设热容比的方式分为预设层数；

将所述等效绝缘层按预设厚度比的方式分为预设层数。

4.根据权利要求1或2所述的单芯电缆导体热性参数的确定方法，其特征在于，将所述等效绝缘层进行分层处理的过程包括以下各项中的任一项：

将所述等效绝缘层按预设热容比的方式分为预设层数，所述预设热容比为1:2...N,其中N等于所述预设层数；

将所述等效绝缘层按预设厚度比的方式分为预设层数，所述预设厚度比为1:2...N,其中N等于所述预设层数。

5.一种单芯电缆导体热性参数的确定系统，其特征在于，包括：

分层模块，用于将单芯电缆的导体屏蔽层、绝缘层、绝缘屏蔽层归并处理为等效绝缘层，并将所述等效绝缘层进行分层处理；

微元建模模块，用于建立分层处理后每一个等效绝缘层分层的微元圆筒壁暂态热路模型以及单芯电缆其余各层的微元圆筒壁暂态热路模型；

生成模块，用于按照单芯电缆的实际结构串接所述每一个等效绝缘层分层以及单芯电缆其余各层的微元圆筒壁暂态热路模型，生成单芯电缆的优化暂态热路模型；

计算模块，用于根据所述优化暂态热路模型获得单芯电缆导体热性参数。

6.根据权利要求5所述的单芯电缆导体热性参数的确定系统，其特征在于，还包括以下各项中的任一项：

所述分层模块将所述等效绝缘层按等热容的方式等分为预设层数；

所述分层模块将所述等效绝缘层按等厚度的方式等分为预设层数；

所述分层模块将所述等效绝缘层按预设热容比的方式分为预设层数；

所述分层模块将所述等效绝缘层按预设厚度比的方式分为预设层数。

7.根据权利要求5所述的单芯电缆导体热性参数的确定系统，其特征在于，还包括以下各项中的任一项：

所述分层模块将所述等效绝缘层按预设热容比的方式分为预设层数，所述预设热容比为1:2...N,其中N等于所述预设层数；

所述分层模块将所述等效绝缘层按预设厚度比的方式分为预设层数，所述预设厚度比为1:2...N,其中N等于所述预设层数。

8.根据权利要求5至7中任一项所述的单芯电缆导体热性参数确定系统，其特征在于，所述热性参数包括温度，所述计算模块包括：

表皮温度获取模块，用于获取单芯电缆外护层温度；

导体温度计算模块，用于根据所述单芯电缆表皮温度以及所述优化暂态热路模型计算单芯电缆导体温度。