CN104636555A - 一种10kV三芯电缆温度场模型建立方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种10kV三芯电缆温度场模型建立方法，包括：1)利用ANSYS仿真软件对加载电流的10kV三芯电缆进行热场仿真，得到电缆径向截面的温度场分布图；2)利用分割法结合电缆对称结构和等温线对电缆截面进行分割，把电缆按照三个线芯切成三等分，选取其中的三分之一作为研究对象，3)对选取的三分之一电缆结构进行稳态热路模型的建立，将处在同图等温线上的电缆结构层作为热路模型中的节点；4)确定热流量流经电缆各层材料热阻及产生的损耗；5)根据10kV三芯电缆的温度场分布图、所确定的热路模型的各个节点、各节点之间的热阻以及各种材料的损耗，建立10kV三芯电缆稳态热路模型。本发明建立的10kV三芯电缆稳态热路模型可用于数值计算。

Description

一种10kV三芯电缆温度场模型建立方法

技术领域

本发明涉及10kV三芯电缆温度场分布与载流量计算的技术领域，尤其是指一种10kV三芯电缆温度场模型建立方法。

背景技术

随着交联聚乙烯(XLPE)电力电缆在配电网中使用量的逐年增加，相应的诊断维护工作也越来越重要。线芯温度作为XLPE电缆的一个重要运行参数，是判断电缆运行状态及其实际载流量的重要依据；正常运行时，电缆的线芯温度不超过交联聚乙烯的最高工作温度(≤90℃)；一旦过负荷，电缆线芯温度将急剧上升，从而加速绝缘老化甚至引发火灾事故；要准确掌握电缆的真实载流量需要先计算电缆的线芯温度，从而间接判断负载电流是否超过最大允许载流量。因此，从安全运行和电力系统调度的角度出发，都需要实时监测XLPE电缆的线芯温度。

实际工程中直接测量XLPE电缆的线芯温度难以实现，需要建立合适的电缆热路模型并由外部温度推算求得线芯温度。随着分布式光纤测温技术(DTS)的发展与推广，已有在XLPE电缆线路上应用光纤测温系统监测电缆护套温度的实例，这无疑为计算电缆线芯温度、掌握电缆运行状态及其真实载流量创造了有利条件。

因此，寻找一种准确计算10kV配网三芯电缆导体温度的方法对于保证电缆线路安全稳定运行有着重要的意义。建立符合三芯电缆内部传热特性的热路模型，能实现由电缆表面温度准确监测实时电缆导体温度。实时测量的电缆表面温度，综合反映了配网三芯电缆负荷变化和敷设环境、敷设方式的影响，且模型只需实现温度的计算，不需要对其它模态参数(如风速、太阳辐射量等)的建模，直接可靠，能满足电网运行部门监控配网电缆实时导体温度的需求。同时，三芯电缆的热路模型能应用于计算电缆加载应急负荷时的应急时间，很好地解决了运行中配网三芯电缆能否接受短时过载，允许过载的时间多长的问题。三芯电缆线芯温度的准确计算可为运行中负荷的控制提供参考,保证电缆的可靠性,并最大限度发挥电缆的输送能力。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种10kV三芯电缆温度场模型建立方法，建立的10kV三芯电缆稳态热路模型可用于数值计算，通过所建立的热路模型和测量的电缆表皮温度来准确计算电缆线芯温度，从而防止电缆运行过程中载流量过大而导致的事故。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种10kV三芯电缆温度场模型建立方法，包括以下步骤：

1)利用ANSYS仿真软件对加载电流的10kV三芯电缆进行热场仿真，得到10kV三芯电缆径向截面的温度场分布图；

2)根据所得的电缆径向截面温度场分布图，利用分割法结合电缆对称结构和等温线对电缆截面进行分割，把电缆按照三个线芯切成三等分，选取其中的三分之一作为研究对象，

3)结合传热学与电缆径向截面温度场分布图对选取的三分之一电缆结构进行稳态热路模型的建立，将处在同图等温线上的电缆结构层作为热路模型中的节点；

4)确定热流量流经电缆各层材料热阻及产生的损耗；

5)根据10kV三芯电缆的温度场分布图、所确定的热路模型的各个节点、各节点之间的热阻以及各种材料的损耗，建立10kV三芯电缆稳态热路模型。

在步骤1)中，利用ANSYS仿真软件，对10kV三芯电缆进行热场仿真，得到其径向截面温度场分布图，根据电缆内部从导体到电缆表面的传热特点，做出如下建模假设：

A.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；

B.忽略轴向传热，且认为电缆轴对称，且沿圆周方向均匀传热，即热量沿径向一维传导；

C.假定电缆的导体、金属护套以及铠装为发热均匀的等温体；

D.由于电缆的导体屏蔽层、绝缘屏蔽层较薄，将导体屏蔽层和绝缘屏蔽层归并到绝缘层；

在步骤2)中，根据所得的电缆径向截面温度场分布图，利用分割法结合电缆对称结构和等温线对电缆截面进行分割，分割方式为：以电缆中心为起点，连接一根线芯与另外两根线芯的切点，然后延伸至电缆表皮，把电缆三等分，取其中三分之一为研究对象；

根据电缆剖面结构和电缆径向截面温度场分布可知，靠近电缆线芯的结构，如绝缘层、填充层这些明显不是各个方向上等温，而是在电缆中心到线芯中心的三个连线方向上，温度梯度最大，在电缆中心到绝缘层间切点的连线方向上，温度梯度最小，这是由于在前者的方向上，填充层最厚，而在后者的方向上，填充层最薄，电缆表面在理想条件下接近均温，这是由于靠近电缆表面有一层金属铠装层，其导热系数较大，起到一定的均温作用，若只就稳态下单根三芯电缆的散热，总体上还是表现为三个线芯及所围成的中心区域，整体向电缆表面传热的过程；

在步骤3)中，结合传热学与电缆径向截面温度场分布图对选取的三分之一电缆结构进行稳态热路模型的建立，将处在同图等温线上的电缆结构层作为热路模型中的节点，如下：

3.1)将电缆导体作为第一个节点，记为A；

3.2)将电缆的金属护套作为热路模型的第二个节点，记为B；

3.3)将电缆的铠装层作为热路模型的第三个节点，记为C；

3.4)将电缆的表面作为第四个节点，记为D；

在步骤4)中，确定热流量流经电缆各层材料热阻及产生的损耗，如下：

4.1)第一个节点和第二个节点间是电缆三个导体到绝缘层传热回路的并联结构，其中包含线芯电缆导体及内屏蔽层产生的损耗Q_c、线芯绝缘及绝缘屏蔽层的介质损耗Q_d、线芯绝缘层热阻T₁；

4.2)第二节点和第三节点之间是电缆填充层及内护套的等效热阻；

4.3)第三节点和第四节点之间是电缆外护套等效热阻；

在步骤5)中，根据10kV三芯电缆的温度场分布图、所确定的热路模型的各个节点、各节点之间的热阻以及各种材料的损耗，建立10kV三芯电缆稳态热路模型。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

针对与建立适用于工程计算的10kV三芯电缆热路模型，本发明提出对电缆径向截面进行分割处理，然后根据所分割出来的图形，可认为不规则的单芯电缆，结合传热学中热路与电路的相通性，对其建立热路模型。建立的10kV三芯电缆稳态热路模型可用于数值计算，通过所建立的热路模型和测量的电缆表皮温度来准确计算电缆线芯温度，从而防止电缆运行过程中载流量过大而导致的事故。

附图说明

图1为10kV三芯电缆温度场分布图。

图2为三分之一电缆径向截面图。

图3为10kV三芯电缆的剖面结构图。

图4为10kV三芯电缆稳态热路模型。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

本实施例所述的10kV三芯电缆温度场模型建立方法，是以YJV22—8.7/10—3×240mm²三芯电缆为例，其具体情况如下：

1)利用ANSYS仿真软件，对10kV三芯电缆进行热场仿真，得到其径向截面温度场分布图，如图1所示。根据电缆内部从导体到电缆表面的传热特点，做出如下建模假设：

A.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；

B.忽略轴向传热，且认为电缆轴对称，且沿圆周方向均匀传热，即热量沿径向一维传导；

C.假定电缆的导体、金属护套以及铠装为发热均匀的等温体；

D.由于电缆的导体屏蔽层、绝缘屏蔽层较薄，将导体屏蔽层和绝缘屏蔽层归并到绝缘层。

2)根据10kV三芯电缆径向截面温度场分布情况，由于电缆有三个线芯，温度场分布复杂，需对其截面进行分割，根据所得的电缆径向截面温度场分布图，利用分割法结合电缆对称结构和等温线对电缆截面进行分割，分割方式为：以电缆中心为起点，连接一根线芯与另外两根线芯的切点，然后延伸至电缆表皮，把电缆三等分，取其中三分之一为研究对象，如图2所示。

根据电缆剖面结构(如图3所示)和电缆径向截面温度场分布图可知，靠近电缆线芯的结构，如绝缘层、填充层等明显不是各个方向上等温，而是在电缆中心到线芯中心的三个连线方向上，温度梯度最大，在电缆中心到绝缘层间切点的连线方向上，温度梯度最小，这是由于在前者的方向上，填充层最厚，而在后者的方向上，填充层最薄，电缆表面在理想条件下接近均温，这是由于靠近电缆表面有一层金属铠装层，其导热系数较大，起到一定的均温作用，若只就稳态下单根三芯电缆的散热，总体上还是表现为三个线芯及所围成的中心区域，整体向电缆表面传热的过程。

3)结合传热学与电缆径向截面温度场分布图对选取的三分之一电缆结构进行稳态热路模型的建立，将处在同图等温线上的电缆结构层作为热路模型中的节点，如下：

3.1)将电缆导体作为第一个节点，记为A；

3.2)由于电缆的金属护套热阻率大，均温效果明显，因此将金属护套作为热路模型的第二个节点，记为B；

3.3)由于电缆的铠装层的均温效果明显，将铠装层作为热路模型的第三个节点，记为C；

3.4)将电缆的表面作为第四个节点，记为D。

4)确定热流量流经电缆各层材料热阻及产生的损耗，如下：

4.1)第一个节点和第二个节点间是电缆三个导体到绝缘层传热回路的并联结构，其中包含线芯电缆导体及内屏蔽层产生的损耗Q_c、线芯绝缘及绝缘屏蔽层的介质损耗Q_d、线芯绝缘层热阻T₁；

4.2)第二节点和第三节点之间是电缆填充层及内护套的等效热阻；

4.3)第三节点和第四节点之间是电缆外护套等效热阻。

5)根据10kV三芯电缆的温度场分布图、所确定的热路模型的各个节点、各节点之间的热阻以及各种材料的损耗，建立10kV三芯电缆稳态热路模型，如图4所示。

以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种10kV三芯电缆温度场模型建立方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)利用ANSYS仿真软件对加载电流的10kV三芯电缆进行热场仿真，得到10kV三芯电缆径向截面的温度场分布图；

2)根据所得的电缆径向截面温度场分布图，利用分割法结合电缆对称结构和等温线对电缆截面进行分割，把电缆按照三个线芯切成三等分，选取其中的三分之一作为研究对象，

3)结合传热学与电缆径向截面温度场分布图对选取的三分之一电缆结构进行稳态热路模型的建立，将处在同图等温线上的电缆结构层作为热路模型中的节点；

4)确定热流量流经电缆各层材料热阻及产生的损耗；

5)根据10kV三芯电缆的温度场分布图、所确定的热路模型的各个节点、各节点之间的热阻以及各种材料的损耗，建立10kV三芯电缆稳态热路模型。

2.根据权利要求1所述的一种10kV三芯电缆温度场模型建立方法，其特征在于：

在步骤1)中，利用ANSYS仿真软件，对10kV三芯电缆进行热场仿真，得到其径向截面温度场分布图，根据电缆内部从导体到电缆表面的传热特点，做出如下建模假设：

A.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；

B.忽略轴向传热，且认为电缆轴对称，且沿圆周方向均匀传热，即热量沿径向一维传导；

C.假定电缆的导体、金属护套以及铠装为发热均匀的等温体；

D.由于电缆的导体屏蔽层、绝缘屏蔽层较薄，将导体屏蔽层和绝缘屏蔽层归并到绝缘层；

在步骤2)中，根据所得的电缆径向截面温度场分布图，利用分割法结合电缆对称结构和等温线对电缆截面进行分割，分割方式为：以电缆中心为起点，连接一根线芯与另外两根线芯的切点，然后延伸至电缆表皮，把电缆三等分，取其中三分之一为研究对象；

根据电缆剖面结构和电缆径向截面温度场分布可知，靠近电缆线芯的结构，如绝缘层、填充层这些明显不是各个方向上等温，而是在电缆中心到线芯中心的三个连线方向上，温度梯度最大，在电缆中心到绝缘层间切点的连线方向上，温度梯度最小，这是由于在前者的方向上，填充层最厚，而在后者的方向上，填充层最薄，电缆表面在理想条件下接近均温，这是由于靠近电缆表面有一层金属铠装层，其导热系数较大，起到一定的均温作用，若只就稳态下单根三芯电缆的散热，总体上还是表现为三个线芯及所围成的中心区域，整体向电缆表面传热的过程；

在步骤3)中，结合传热学与电缆径向截面温度场分布图对选取的三分之一电缆结构进行稳态热路模型的建立，将处在同图等温线上的电缆结构层作为热路模型中的节点，如下：

3.1)将电缆导体作为第一个节点，记为A；

3.2)将电缆的金属护套作为热路模型的第二个节点，记为B；

3.3)将电缆的铠装层作为热路模型的第三个节点，记为C；

3.4)将电缆的表面作为第四个节点，记为D；

在步骤4)中，确定热流量流经电缆各层材料热阻及产生的损耗，如下：

4.1)第一个节点和第二个节点间是电缆三个导体到绝缘层传热回路的并联结构，其中包含线芯电缆导体及内屏蔽层产生的损耗Q_c、线芯绝缘及绝缘屏蔽层的介质损耗Q_d、线芯绝缘层热阻T₁；

4.2)第二节点和第三节点之间是电缆填充层及内护套的等效热阻；

4.3)第三节点和第四节点之间是电缆外护套等效热阻；

在步骤5)中，根据10kV三芯电缆的温度场分布图、所确定的热路模型的各个节点、各节点之间的热阻以及各种材料的损耗，建立10kV三芯电缆稳态热路模型。