CN105044489A - 高压直流塑料绝缘电缆附件通流上限确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压直流塑料绝缘电缆附件通流上限确定方法，该方法包括步骤：搭建有限元模型；计算不同载流下线芯最高温度和各层绝缘最大温差；以线芯最高长期允许温度和各固体绝缘层内外表面最大允许温差作为高压直流电缆附件稳态载流量的约束条件并得到初始载流区间；使用二分法的思想不断缩小载流区间，最终得到高压直流电缆附件稳态载流量；在高压直流电缆附件运行期间，以载流量计算结果作为附件通流上限。本发明同时考虑了导电线芯最高长期允许温度和各固体绝缘层内外表面最大允许温差两个约束条件，符合高压直流电缆附件绝缘特性；可以根据外界环境的变化灵活地调节附件载流量，充分利用了电力电缆线路传输容量、提高了电缆利用率。

Description

高压直流塑料绝缘电缆附件通流上限确定方法

技术领域

本发明涉及电力技术领域，特别涉及一种高压直流塑料绝缘电缆附件(包括终端和接头)通流上限确定方法。

背景技术

高压直流电缆附件稳态载流量的准确计算及通流上限确定对于其传输能力的充分利用具有重要意义。

目前确定电缆本体载流量的方法是以IEC60287为基础的解析计算方法以及利用边界元、有限差分、有限元的数值计算方法为主。可以看出现阶段电缆本体载流量的研究已日趋完善，但是对于电缆附件温度分布与载流关系尚缺乏深入研究。电缆附件(即接头和终端)是电力电缆安全运行中最薄弱的环节，也是电缆绝缘的重要环节。只有在综合考虑电缆本体和电缆附件的载流水平后，提出充分利用电力电缆线路传输容量、提高电缆利用率才具有实际意义。

与交流电缆不同，直流条件下，高压直流电缆附件各绝缘层内外表面温差同样影响着绝缘状态。所以在进行高压直流电缆附件稳态载流量的计算时，应同时考虑电缆线芯导体最高长期允许温度和各固体绝缘层内外表面最大允许温差，以确保绝缘处于良好的状态。在载流量确定以后，以载流量的计算值作为附件运行期间施加通流上限的参考，可以保障附件长期安全运行同时充分利用电缆附件传输容量。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题及不足，本发明提供一种高压直流电缆附件通流上限确定方法。该方法可以通过环境温度的变化灵活调节附件载流量，同时考虑了线芯导体最高长期允许温度和各固体绝缘层内外表面最大允许温差为附件载流量确定的两个约束条件，符合高压直流电缆附件绝缘特性的要求。在载流量确定以后，以载流量的计算值作为附件运行期间施加通流上限的参考，可以保障附件长期安全运行同时充分利用电缆附件传输容量。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案。

一种高压直流塑料绝缘电缆附件通流上限确定方法，包括如下步骤：

步骤1，依据电缆附件结构尺寸建立高压直流电缆附件几何模型图；

步骤2，输入电缆附件各个组件的材料参数，划分网格，建立高压直流电缆附件有限元模型；

步骤3，将附件导电线芯最高温度T_max初始值定为T_n＝70℃，n为迭代计算的步骤，取n＝1，在初始载流值下求出此时导体线芯单位直流电阻R和导电线芯发热量Q_n；

步骤4，将线芯发热量Q_n和环境温度T_a作为有限元加载条件施加到有限元模型中；

步骤5，求解模型，在温度场后处理云图中得到附件的最高温度T_max为T_(n+1)，并重新计算出一个线芯发热量Q_(n+1)；

步骤6，判断相邻两次迭代计算温度差值|T_(n+1)-T_n|是否满足温度精度ξ，若不满足则将(n+1)的值赋给n，由T_n计算Q_n并跳转到步骤4；若满足则跳转到步骤7，此时的温度即为该条件下线芯的最高温度，并得到该条件下的稳态温度场分布；

步骤7，在稳态温度场确定后，计算以初始载流值为基准的不同线芯载流下的线芯最高温度以及各固体绝缘层内外表面最大允许温差；

步骤8，以线芯最高长期允许温度和各固体绝缘层内外表面最大允许温差作为高压直流电缆附件稳态载流量的约束条件，得到一个符合条件的允许载流区间；

步骤9，运用数学上二分法的思想不断逼近，缩小允许载流区间，最终得到满足精度要求的附件载流量值。

步骤10，在高压直流电缆附件运行期间，以载流量计算结果作为附件通流上限。

在上述步骤3中，单位长度直流电阻R(Ω/m)按照IEC60287标准中提供的方法计算：

R＝R₀(1+α₂₀(T_max-20))(1)

其中，R₀(Ω/m)为20℃时的线芯导体单位长度直流电阻，α₂₀为直流电阻温度系数。查标准可知：α₂₀＝3.93×10^-3；R₀＝3.12×10^-5Ω/m。

在上述步骤3中，导电线芯发热量Q(W/m²)的计算公式为：

$Q=\frac{{I_L}^2{R}_L}{V}=\frac{{I_L}^{2}R}{S}={I_L}^2\×\frac{R}{\mathrm{\π}\·r^2}---\left(2\right)$

其中，I_L(A)为线芯载流，R_L(Ω)为线芯导体电阻，V(m³)为线芯导体体积，S(m²)为线芯导体底面积，r为线芯导体底半径(m)。

在上述步骤4中，环境温度T_a可以通过在附件最外层安装测温装置测出，测温装置不局限于热电偶和测温光纤。

在上述步骤6中，相邻两次迭代计算温度差值的精度要求一般为0.1℃。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：本发明提供一种高压直流电缆附件通流上限确定方法。该方法可以保障附件在所计算的载流量下长期安全可靠的运行，并且可以通过环境温度的变化灵活调节附件载流量，同时考虑了线芯导体最高长期允许温度和各固体绝缘层内外表面最大允许温差为附件载流量确定的两个约束条件，符合高压直流电缆附件绝缘特性的要求。在载流量确定以后，以载流量的计算值作为运行期间附件施加通流上限的参考，可以保障附件长期安全运行同时充分利用电缆附件传输容量。

附图说明

图1为实例中高压直流塑料绝缘电缆附件通流上限确定方法的流程图；

图2为实例中提供的160kV高压直流电缆终端几何模型图。

具体实施方式

下面结合附图，进一步说明本发明的具体实施，但本发明的实施和保护不限于此。

如图1所示，本实例高压直流塑料绝缘电缆附件通流上限确定方法，该方法包括以下步骤：

步骤1，依据电缆终端结构尺寸建立160kV高压直流电缆终端几何模型图如图2所示，包括了接线端子1、屏蔽罩2、导电线芯3、XLPE绝缘4、硅油5、增强绝缘6、环氧套管7、硅橡胶外护套8、应力锥9.、铜托10、法兰11；

步骤2，输入电缆终端各个组件的材料参数，划分网格，建立电缆终端有限元模型；

步骤3，将初始载流值800A下导电线芯最高温度T_max初始值定为70℃，计算此时单位长度直流电阻R为3.73e(-5)Ω/m和导电线芯发热量Q₁为42992.64W/m²；

步骤4，将线芯发热量Q₁和外界环境温度T_a为30℃作为边界条件带入到物理模型中；

步骤5，求解模型，在温度场后处理云图中得到终端的最高温度T_max为T₂，T₂值为51.3℃并重新计算出一个线芯发热量Q₂为40251.96W/m²；

步骤6，将Q₂和T_a作为边界条件再次带入到模型中，求解模型，在温度场后处理云图中得到新的最高温度T_max为T₃，T₃值为50.0℃，并重新计算出一个线芯发热量Q₃为40168.38W/m²；

步骤7，将Q₃和T_a作为边界条件再次带入到模型中，求解模型，在温度场后处理云图中得到新的最高温度T_max为T₄，T₄值为49.9℃，因为|T₄-T₃|满足温度精度0.1℃，此时的温度场即为外界温度30℃、线芯载流800A下的终端稳态温度分布。此时的线芯最高温度49.9℃，XLPE绝缘层最大温差13.3℃，增强绝缘层最大温差7.3℃；

步骤8，在稳态温度场确定后，计算以初始载流值为基准的不同线芯载流下的线芯最高温度以及各固体绝缘层内外表面最大允许温差；

步骤9，以线芯最高长期允许温度90℃和各固体绝缘层内外表面最大允许温差20℃作为高压直流电缆终端稳态载流量的约束条件，得到一个符合条件的允许载流区间[800A,1000A]。

步骤10，运用数学上二分法的思想不断逼近，缩小允许载流区间，最终得到满足精度要求的终端载流量值950A。此时线芯最高温度59℃，不超过90℃；XLPE绝缘层最大温差19.8℃，硅橡胶绝缘层最大温差9.8℃，均小于20℃。在满足载流精度的允许范围内，160kV高压直流电缆终端在绝缘外表面温度30℃时的最大载流可达到950A。

步骤11，在160kV高压直流电缆终端运行期间，以载流量计算结果950A作为终端通流上限。在载流量确定以后，以载流量的计算值作为运行期间附件施加通流上限的参考，可以保障附件长期安全运行同时充分利用电缆附件传输容量。

本发明结合上述具体实施方法仅说明本发明的技术方案而非对其限制。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 (6)

1.一种高压直流塑料绝缘电缆附件通流上限确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，依据电缆附件结构尺寸建立高压直流电缆附件几何模型图；

步骤2，输入电缆附件各个组件的材料参数，划分网格，建立高压直流电缆附件有限元模型；

步骤3，设定附件导电线芯最高温度T_max初始值定为T_n，n为迭代计算的步骤，取n＝1，在初始载流值下求出此时导体线芯单位直流电阻R和导电线芯发热量Q_n；

步骤4，将线芯发热量Q_n和环境温度T_a作为有限元加载条件施加到有限元模型中；

步骤5，求解模型，在温度场后处理云图中得到附件的最高温度T_max为T_(n+1)，并重新计算出一个线芯发热量Q_(n+1)；

步骤6，判断相邻两次迭代计算温度差值|T_(n+1)-T_n|是否满足温度精度ξ，若不满足则将(n+1)的值赋给n，由T_n计算Q_n并跳转到步骤4；若满足则跳转到步骤7，此时的温度即为该条件下线芯的最高温度，并得到该条件下的稳态温度场分布；

步骤7，在稳态温度场确定后，计算以初始载流值为基准的不同线芯载流下的线芯最高温度以及各固体绝缘层内外表面最大允许温差；

步骤8，以线芯最高长期允许温度和各固体绝缘层内外表面最大允许温差作为高压直流电缆附件稳态载流量的约束条件，得到一个符合条件的允许载流区间；

步骤9，运用数学上二分法的思想不断逼近，缩小允许载流区间，最终得到满足精度要求的附件载流量值。

步骤10，在高压直流电缆附件运行期间，以载流量计算结果作为附件通流上限。

2.根据权利要求1中所述的高压直流电缆附件通流上限确定方法，其特征在于，单位长度直流电阻R(Ω/m)按照IEC60287标准中提供的方法计算：

R＝R₀(1+α₂₀(T_max-20))(1)

其中，R₀(Ω/m)为20℃时的线芯导体单位长度直流电阻，α₂₀为直流电阻温度系数。查标准可知：α₂₀＝3.93×10^-3；R₀＝3.12×10^-5Ω/m。

3.根据权利要求1中所述的高压直流电缆附件通流上限确定方法，其特征在于，导电线芯发热量Q(W/m²)的计算公式为：

$Q=\frac{{I_L}^{2}RL}{V}=\frac{{I_L}^{2}R}{S}={I_L}^2\×\frac{R}{\mathrm{\π}\·r^2}---\left(2\right)$

其中，I_L(A)为线芯载流，R_L(Ω)为线芯导体电阻，V(m³)为线芯导体体积，S(m²)为线芯导体底面积，r为线芯导体底半径(m)。

4.根据权利要求1中所述的高压直流电缆附件通流上限确定方法，其特征在于，环境温度T_a通过在附件最外层安装测温装置测出，测温装置不局限于热电偶和测温光纤。

5.根据权利要求1中所述的高压直流电缆附件通流上限确定方法，其特征在于，相邻两次迭代计算温度差值的精度要求为0.1℃。

6.根据权利要求1中所述的高压直流电缆附件通流上限确定方法，其特征在于，步骤3将附件导电线芯最高温度T_max初始值定为T_n＝70℃。