CN104657609A - 一种考虑土壤局部干燥的直埋单芯电缆载流量计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑土壤局部干燥的直埋单芯电缆载流量计算方法，包括以下步骤S1、对直埋单芯电缆本体进行建模，得到本体热路模型；S2、对直埋单芯电缆外部土壤建立包含局部干燥土壤和自然土壤两层结构的热路模型；S3、将电缆本体的热路模型和外部土壤热路模型连接起来，得到直埋单芯电缆热路模型；S4、对热路模型进行求解，经过计算得到考虑局部干燥情况的直埋单芯电缆载流量。本发明将直埋电缆外部土壤划分为具有与电缆本体同轴的局部干燥边界，用局部干燥土壤和自然土壤两层热阻逼近实际土壤传热特性，简单可行，同时便于计算。

Description

一种考虑土壤局部干燥的直埋单芯电缆载流量计算方法

技术领域

本发明涉及电力电缆载流量计算领域，特别涉及一种考虑土壤局部干燥的直埋单芯电缆载流量计算方法。

背景技术

相对于架空线，电力电缆大多以直埋、排管、隧道等方式敷设在地下，不仅输电的安全性能得到保证，还能节省大量土地资源。随着城市的快速发展，城市用地日益紧张，电力电缆取代架空线路为城市供电成为一大趋势。电力电缆投入运行面临的最大问题是如何确定其输送电能的能力，即如何准确计算载流量。

当前，计算载流量的方法有多种，IEC60287给出了多种敷设方式下电力电缆载流量的计算公式，但其计算偏于保守，使得电缆的载流能力得不到充分利用，造成极大的浪费。另一种在工程应用中使用较多的方法是分层热路法，这种方法比较实用，且能很好地体现电缆的传热特性。但是，目前利用热路法进行计算时，通常基于电缆表皮温度内推计算，或者将电缆外部的敷设环境当做一层热阻进行计算。将外部环境做一层热阻的做法简化了敷设环境的复杂性，不符合实际热扩散特性，造成较大的计算误差。

对于直埋敷设电缆，当其长期运行时，温度升高会使电缆周围土壤发生水分迁移，从而在电缆周围形成一个局部干燥区域，该区域的热阻率远高于自然土壤。而如果按照一层热阻计算直埋电缆载流量难以保证计算精度。因此，有必要考虑土壤局部干燥的影响，以便能更加准确的计算出直埋电缆的载流量。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种考虑土壤局部干燥的直埋单芯电缆载流量计算方法。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种考虑土壤局部干燥的直埋单芯电缆载流量计算方法，包括下述步骤：

S1、对单芯电缆本体进行热路建模；

S2、考虑土壤局部干燥，对电缆外部土壤进行热路建模；

S3、将单芯电缆本体热路与电缆外部土壤热路连接起来，得到直埋单芯电缆热路模型；

S4、对热路模型进行求解，经过计算得到考虑局部干燥情况的直埋单芯电缆载流量。

优选的，步骤S1中，对单芯电缆本体进行热路建模包括下述步骤：

S1.1、提出建模的假设：

假设1、电缆运行中，其几何参数恒定；

假设2、不考虑轴向传热，认为电缆运行为一维热传导过程；

假设3、电缆外护套表面为等温面；

S1.2、分析电缆径向热流，当电缆线芯通过大电流时，由于交流电阻存在而产生损耗，该部分损耗以热流的形式由里向外通过电缆各层结构，另外，绝缘层会产生损耗，这部分损耗以热流形式叠加到导体产生的热流流过绝缘层以外的各层，同样，金属护套中会产生损耗，这部分损耗以热流形式叠加到导体和绝缘层热流流过铝护套外部各层；

S1.3、分析电缆各层材料的热阻特性，由于导体屏蔽和绝缘屏蔽的导热系数高，且厚度较小，忽略其对传热的影响，将单芯电缆其他各层分别用一层热阻表示其对热流的阻碍作用，热阻是材料固有的属性，用公式(1)定义热阻，

$T=\frac{\mathrm{\Δt}}{Q}---\left(1\right)$

式中，T表示热阻；△t表示材料内外表面的温差；Q表示流过材料的热流；

S1.4、构建电缆本体热路模型，将流过电缆的热流和电缆各层热阻分别用类似电路中电流源和电阻的热流和热阻表示，得到等效热路模型。

优选的，步骤S2中，土壤是一种多孔介质，其导热性能不仅与土壤颗粒有关，还与孔隙大小以及孔隙含水量有关，当电缆本体发热引起土壤温升时，电缆周围土壤水分在热作用下，向外层土壤迁移，在电缆周围形成干燥区域，该区域的热阻系数不同于自然土壤，因此可用两层热阻表示土壤的传热特性，为了计算方便，认为局部干燥区域为与电缆本体同轴的柱形区域，干燥区域的厚度随着线芯电流增大而增大，但其变化率越来越小因此，认为当线芯电流达到90％设计载流量时，干燥区域边界已经稳定通过实验即可测量边界厚度。

优选的，步骤S3中，所述热路模型是将本体部分热路与外部土壤的两层热阻结构串联起来得到的。

优选的，步骤S4中，计算直埋电缆载流量的公式为：

$I={\left\{\frac{\mathrm{\Δt}-0.5{\mathrm{\ω}}_d{T}_1-{\mathrm{\ω}}_d(T_2+T_3+T_4+T_5+T_6+T_7)}{R[T_1+T_2+T_3+T_4+(1+{\mathrm{\λ}}_1)(T_5+T_6+T_7)]}\right\}}^{0.5}---\left(2\right)$

式中，I为电缆的载流量，A；△t为高于环境温度的导体温升，℃；ω_d为绝缘单位长度的介质损耗，W/m；R为最高工作温度下导体单位长度的交流电阻，Ω/m；T₁为导体绝缘单位长度的热阻，K·m/W；T₂为绕包带单位长度的热阻，K·m/W；T₃为气隙层单位长度的热阻，K·m/W；T₄为金属铝护套单位长度的热阻，K·m/W；T₅为外护套单位长度的热阻，K·m/W；T₆为局部干燥土壤单位长度的热阻，K·m/W；T₇为自然土壤单位长度的热阻，K·m/W；λ₁为电缆金属护套损耗相对于导体损耗的比率。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明充分考虑了土壤局部干燥对电缆本体传热及其载流量计算的影响，减小了载流量计算的误差，为电缆的设计选型提供参考。

2、本发明将直埋电缆外部土壤划分为具有与电缆本体同轴的局部干燥边界，用局部干燥土壤和自然土壤两层热阻逼近实际土壤传热特性，简单可行，同时便于计算。

附图说明

图1为单芯电缆截面图；

图2为单芯电缆本体热路模型；

图3为电缆周围土壤发生局部干燥的示意图；

图4为直埋单芯电缆的热路模型；

图5是本发明的流程图。

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

如图5所示，本实施例一种考虑土壤局部干燥的直埋单芯电缆载流量计算方法，包括下述步骤：

S1、对电缆本体进行建模。单芯电缆的结构如图1所示，从内到外依次包括导体线芯1、导体屏蔽层2、XLPE绝缘层3、绝缘屏蔽层4、纸包带5、气缝层6、铝护套7以及外护套8。基于建模假设：电缆运行中，其几何参数恒定；不考虑轴向传热，认为电缆运行为一维热传导过程；电缆外护套表面为等温面。将导体交流损耗，绝缘介质损耗、护套损耗分别用热流Q₁，Q₂，Q₃表示；忽略金属屏蔽、绝缘屏蔽对电缆传热的影响，将单芯电缆绝缘层、绕包带、气隙、铝护套、外表皮分别用热阻T₁，T₂，T₃，T₄，T₅表示其对电缆热流的阻碍作用，得到电缆本体的热路模型如图2所示，其中，T₁为导体绝缘单位长度的热阻K·m/W；T₂为绕包带单位长度的热阻，K·m/W；T₃为气隙层单位长度的热阻，K·m/W；T₄为金属铝护套单位长度的热阻，K·m/W；T₅为外护套单位长度的热阻，K·m/W；Q₁为导体单位长度的交流损耗，W/m；Q₂为绝缘单位长度的介质损耗，W/m；Q₃为导体单位长度的护套损耗，W/m。

S2、考虑土壤局部干燥，对电缆外部土壤进行热路建模。电缆本体温升引起土壤水分迁移，将形成的局部干燥区域用一个与电缆本体同轴的圆环区域表示。图3为电缆周围土壤发生局部干燥的示意图，从内到外依次为电缆本体9、局部干燥土壤10和局部干燥边界11，其中，d为电缆直埋深度，m；d₁为局部干燥土壤的厚度，m；d₂为局部干燥界面距离地表的距离，m。将干燥土壤和自然土壤分别做一层热阻处理，分别用T₆，T₇表示，得到两个热阻串联的热路结构。

S3、将电缆本体热路和电缆外部土壤热路连接起来，得到直埋单芯电缆的等效热路模型，如图4所示，其中，T₁为导体绝缘单位长度的热阻K·m/W；T₂为绕包带单位长度的热阻，K·m/W；T₃为气隙层单位长度的热阻，K·m/W；T₄为金属铝护套单位长度的热阻，K·m/W；T₅为外护套单位长度的热阻，K·m/W；T₆为局部干燥土壤单位长度的热阻，K·m/W；T₇为自然土壤单位长度的热阻，K·m/W；Q₁为导体单位长度的交流损耗，W/m；Q₂为绝缘单位长度的介质损耗，W/m；Q₃为导体单位长度的护套损耗，W/m。

S4、对热路模型进行求解，经过计算得到考虑局部干燥情况的直埋单芯电缆载流量。基于步骤3得到的热路模型，考虑局部干燥情况的直埋电缆载流量用公式(3)进行计算，

$I={\left\{\frac{\mathrm{\Δt}-0.5{\mathrm{\ω}}_d{T}_1-{\mathrm{\ω}}_d(T_2+T_3+T_4+T_5+T_6+T_7)}{R[T_1+T_2+T_3+T_4+(1+{\mathrm{\λ}}_1)(T_5+T_6+T_7)]}\right\}}^{0.5}---\left(5\right)$

式中，I为电缆的载流量，A；△t为高于环境温度的导体温升，℃；ω_d为绝缘单位长度的介质损耗，W/m；R为最高工作温度下导体单位长度的交流电阻，Ω/m；T₁为导体绝缘单位长度的热阻，K·m/W；T₂为绕包带单位长度的热阻，K·m/W；T₃为气隙层单位长度的热阻，K·m/W；T₄为金属铝护套单位长度的热阻，K·m/W；T₅为外护套单位长度的热阻，K·m/W；T₆为局部干燥土壤单位长度的热阻，K·m/W；T₇为自然土壤单位长度的热阻，K·m/W；λ₁为电缆金属护套损耗相对于导体损耗的比率。

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 (5)

1.一种考虑土壤局部干燥的直埋单芯电缆载流量计算方法，其特征在于，包括下述步骤：

S1、对单芯电缆本体进行热路建模；

S2、考虑土壤局部干燥，对电缆外部土壤进行热路建模；

S3、将单芯电缆本体热路与电缆外部土壤热路连接起来，得到直埋单芯电缆热路模型；

S4、对热路模型进行求解，经过计算得到考虑局部干燥情况的直埋单芯电缆载流量。

2.根据权利要求1所述的考虑土壤局部干燥的直埋单芯电缆载流量计算方法，其特征在于，步骤S1中，对单芯电缆本体进行热路建模包括下述步骤：

S1.1、提出建模的假设：

假设1、电缆运行中，其几何参数恒定；

假设2、不考虑轴向传热，认为电缆运行为一维热传导过程；

假设3、电缆外护套表面为等温面；

S1.2、分析电缆径向热流，当电缆线芯通过大电流时，由于交流电阻存在而产生损耗，该部分损耗以热流的形式由里向外通过电缆各层结构，另外，绝缘层会产生损耗，这部分损耗以热流形式叠加到导体产生的热流流过绝缘层以外的各层，同样，金属护套中会产生损耗，这部分损耗以热流形式叠加到导体和绝缘层热流流过铝护套外部各层；

S1.3、分析电缆各层材料的热阻特性，由于导体屏蔽和绝缘屏蔽的导热系数高，且厚度较小，忽略其对传热的影响，将单芯电缆其他各层分别用一层热阻表示其对热流的阻碍作用，热阻是材料固有的属性，用公式(1)定义热阻，

$T=\frac{\mathrm{\Δt}}{Q}---\left(1\right)$

式中，T表示热阻；Δt表示材料内外表面的温差；Q表示流过材料的热流；

S1.4、构建电缆本体热路模型，将流过电缆的热流和电缆各层热阻分别用类似电路中电流源和电阻的热流和热阻表示，得到等效热路模型。

3.根据权利要求1所述的考虑土壤局部干燥的直埋单芯电缆载流量计算方法，其特征在于，步骤S2中，土壤是一种多孔介质，其导热性能不仅与土壤颗粒有关，还与孔隙大小以及孔隙含水量有关，当电缆本体发热引起土壤温升时，电缆周围土壤水分在热作用下，向外层土壤迁移，在电缆周围形成干燥区域，该区域的热阻系数不同于自然土壤，因此可用两层热阻表示土壤的传热特性，为了计算方便，认为局部干燥区域为与电缆本体同轴的柱形区域，干燥区域的厚度随着线芯电流增大而增大，但其变化率越来越小因此，认为当线芯电流达到90％设计载流量时，干燥区域边界已经稳定通过实验即可测量边界厚度。

4.根据权利利要求1所述的考虑土壤局部干燥的直埋单芯电缆载流量计算方法，其特征在于，步骤S3中，所述热路模型是将本体部分热路与外部土壤的两层热阻结构串联起来得到的。

5.根据权利要求1所述的考虑土壤局部干燥的直埋单芯电缆载流量计算方法，其特征在于，步骤S4中，计算直埋电缆载流量的公式为：

$I={\left\{\frac{\mathrm{\Δt}-0.5{\mathrm{\ω}}_d{T}_1-{\mathrm{\ω}}_d(T_2+T_3+T_4+T_5+T_6+T_7)}{R[T_1+T_2+T_3+T_4(1+{\mathrm{\λ}}_1)(T_5+T_6+T_7)}\right\}}^{0.5}---\left(2\right)$

式中，I为电缆的载流量，A；Δt为高于环境温度的导体温升，℃；ω_d为绝缘单位长度的介质损耗，W/m；R为最高工作温度下导体单位长度的交流电阻，Ω/m；T₁为导体绝缘单位长度的热阻，K·m/W；T₂为绕包带单位长度的热阻，K·m/W；T₃为气隙层单位长度的热阻，K·m/W；T₄为金属铝护套单位长度的热阻，K·m/W；T₅为外护套单位长度的热阻，K·m/W；T₆为局部干燥土壤单位长度的热阻，K·m/W；T₇为自然土壤单位长度的热阻，K·m/W；λ₁为电缆金属护套损耗相对于导体损耗的比率。