CN105677987B - 柔性矿物绝缘电缆载流量的计算方法、验证装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柔性矿物绝缘电缆载流量的计算方法、验证装置及方法。本发明根据稳态热路模型，设计建立对云母带材和绕包带热阻系数的测量装置和方法；针对多层绕包的绝缘热阻，分析了气隙对热阻的影响，建立了云母带/气隙的串联热阻模型并对热阻进行了归一化处理，提出了填充系数和绕包等效半径的概念和计算方法，建立了多层绕包绝缘热阻的计算方法；分析了皱纹铜护套和成缆绕包层之间气隙对内护热阻的影响，提出的皱纹铜护套前后等效半径的计算方法，建立了由成缆绕包和气隙构成复合内护热阻的计算方法；设计建立了对载流量进行验证的实验装置，其具有结构简单、测试准确、操作方便的特点。
Description
技术领域
本发明涉及低压耐火电缆设计制造的技术领域，更具体地讲，涉及一种柔性矿物绝缘电缆载流量的计算方法、验证装置及方法。
背景技术
近年来，民用建筑领域一系列火灾事故的发生，给国家和人民带来了严重的生命和财产损失，也引起了全社会对建筑防火的重视。电气火灾占据火灾事故的很大比例，而其中电线电缆是引起电气火灾的重要火灾源。
从防火的角度出发，对电线电缆提出三个层次的要求：(1)电缆在火灾情况下不延燃，火焰能自熄灭；(2)燃烧时少释放浓烟，尽量不释放有毒卤素气体；(3)在火灾产生的高温、振动、喷淋等严苛环境下能够坚持供电一段时间，保证重要的照明、广播、消防等系统正常工作。这三个层次要求分别对应阻燃电缆、低烟无卤电缆和耐火电缆，其中矿物绝缘电缆由金属和无机矿物质构成，不含有机材料，具有耐高温、不燃烧、无烟无卤的特点，是一种在火灾情况下安全等级最高的防火型电缆。
目前矿物绝缘电缆主要有两种：传统的氧化镁矿物绝缘电缆和新型柔性矿物绝缘电缆，两者的结构类似，都是在铜导体和皱纹铜护套之间填充矿物绝缘材料。其中，氧化镁矿物绝缘电缆填充的是氧化镁粉，而新型柔性矿物绝缘电缆则是绕包多层云母带。与传统的氧化镁矿物绝缘电缆相比，新型柔性矿物绝缘电缆具有制造工艺简单、不易吸潮、敷设安装简便等一系列优点，目前得到用户和制造厂家的大规模推广应用。
但是，目前仍然缺乏对柔性矿物绝缘电缆载流量计算方法的研究，严重影响了客户选型和产品的推广应用，造成这一问题的原因主要有三个方面：(1)柔性矿物绝缘电缆采用多层绕包的绝缘结构，无法套用挤包绝缘的计算公式计算绝缘热阻；(2)目前对绕包用合成云母带的研究主要集中在高温绝缘性能方面，缺乏热传导方面的研究和相关数据；(3)柔性矿物绝缘电缆中很大一部分采用裸铜护套，难于计算外部空气热阻。
因此，有必要提供一种柔性矿物绝缘电缆载流量的计算方法、验证装置及方法。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题和不足，本发明的目的在于提供一种针对柔性矿物绝缘电缆的载流量计算方法并提供对所计算的载流量进行验证的装置和方法。
为了实现上述目的，本发明的一方面提供了一种柔性矿物绝缘电缆载流量的计算方法，所述计算方法包括以下步骤：
A、计算在导体外绕包多层云母带后形成的绝缘线芯的绝缘层热阻T1：采用热阻归一化原理对由绕包在导体外的云母带层和云母带层中的气隙组成的多层热阻复合模型进行简化并根据云母带层与气隙的体积占比将云母带层和气隙分别归并到绝缘线芯内层和绝缘线芯外层，分别计算云母带层和气隙的热阻并将所述云母带层和气隙的热阻相加得到绝缘层热阻T1，根据式1计算得到所述绝缘层热阻T1：
式中，为云母带的热阻系数，K*m/W；为已知的气隙热阻系数，K*m/W；R1为导体的半径，m；R2为云母带层的等效半径，m；R3为绝缘层的半径，m；
根据式2计算得到所述云母带层的等效半径R2：
式中，η为云母带的填充系数；
根据式3计算得到所述云母带的填充系数η：
式中，m为单位长度单根绝缘线芯中云母带的重量，kg；ρ为云母带的密度，kg/m3；
B、计算n根绝缘线芯成缆后绕包绕包带并包覆皱纹铜护套后形成的缆芯的内护层热阻T2，根据式4计算得到所述内护层热阻T2，其中，1≤n≤5：
式中，为绕包带的热阻系数，K*m/W；R4为成缆半径，m；R5为成缆绕包后的半径，m；R6为皱纹铜护套的内等效半径且R6＝R5+0.5H，m；H为皱纹铜护套的波谷与波峰之间的轧纹深度，m；
C、计算由缆芯形成的电缆的外护层热阻T3：当所述缆芯外无外护套时，外护层热阻T3为0；当所述缆芯外挤包有外护套时，根据式5计算得到所述外护层热阻T3：
式中，为外护套的热阻系数，K*m/W；R7为皱纹铜护套的外等效半径且R7＝R5+0.5H+δ，δ为皱纹铜护套的厚度，m；R8为电缆的半径，m；
D、计算电缆敷设于静止空气中的外部热阻T4，根据式6计算得到所述外部热阻T4：
式中，h为散热系数，W/m2K5/4；De为电缆的外径，m，其中，当所述缆芯外无外护套时，De为2R7，当所述缆芯外挤包有外护套时，De为2R8；ΔθS为电缆表面相对环境的温升，K；
E、计算柔性矿物绝缘电缆的载流量，根据式7计算得到所述柔性矿物绝缘电缆中单根导体流过的理论载流量In：
式中，θc为导体最高额定温度，K；θ0为环境温度，K；R为在导体最高额定温度下导体单位长度的交流电阻，Ω/m；T1为绝缘层热阻，K·m/W；T2为内护层热阻，K·m/W；T3为外护层热阻，K·m/W；T4为外部热阻，K·m/W。
根据本发明柔性矿物绝缘电缆载流量的计算方法的一个实施例，根据稳态热路模型建立绕包带材热阻系数测量装置，测量并计算得到所述云母带的热阻系数或所述绕包带的热阻系数
根据本发明柔性矿物绝缘电缆载流量的计算方法的一个实施例，所述绕包带材热阻系数测量装置包括保温炉体、加热极、测试极、温控模块和多通道温度测量仪，所述加热极和测试极放置在所述保温炉体中并且测试样品和参比样品依次放置在所述加热极和测试极之间，所述多通道温度测量仪与测试极、加热极、温控模块以及测试样品与参比样品之间的界面分别连接，所述温控模块还与所述加热极连接，其中，所述加热极和测试极由紫铜板制成，所述测试样品由多层云母带或多层绕包带叠加而成。
根据本发明柔性矿物绝缘电缆载流量的计算方法的一个实施例，测量并计算得到所述云母带的热阻系数或所述绕包带的热阻系数包括以下步骤：
将所述加热极、参比样品、测试样品和测试极依次放置在所述保温炉体内并通过最上方的测试极施加压力排出层间空气；
通过所述温控模块将加热极的温度稳定在θH，通过所述多通道温度测量仪同时测量样品界面温度θ0和测试极温度θL；
待达到热稳态后，利用式8并结合稳定在稳态值的θH、θ0和θL计算得到云母带的热阻系数或绕包带的热阻系数
示中，d1为测试样品的厚度，m；d2为参比样品的厚度，m；为已知的参比样品热阻系数，K*m/W。
根据本发明柔性矿物绝缘电缆载流量的计算方法的一个实施例，在步骤D中，当所述缆芯外挤包有外护套时，根据式9计算得到所述散热系数h；当所述缆芯外无外护套时，散热系数取根据式9计算得到的散热系数h的80％：
式中，Z、E、g为空气中电缆黑色表面时的常数值，当单根电缆敷设时，Z＝0.62、E＝0.95、g＝0.25。
根据本发明柔性矿物绝缘电缆载流量的计算方法的一个实施例，在步骤D中，采用迭代法计算(ΔθS)1/4并且具体利用式10和式11进行迭代计算：
KA＝πDe(T1+T2+T3)——式10，
式中，Δθ为导体对环境的允许温升，K；
令(ΔθS)1/4的初值为2并反复迭代至得到(ΔθS)1/4的终值。
根据本发明柔性矿物绝缘电缆载流量的计算方法的一个实施例，在步骤E中，根据式12计算在所述导体最高额定温度下导体单位长度的交流电阻R：
R＝R'(1+Ys+Yp)——式12，
式中，R'为在所述导体最高额定温度下导体单位长度的直流电阻，Ω/m；Ys、Yp分别为集肤效应参数和临近效应参数并且利用IEC-60287标准进行计算。
本发明的另一方面提供了一种柔性矿物绝缘电缆载流量的验证装置，所述验证装置对利用上述柔性矿物绝缘电缆载流量的计算方法计算得到的柔性矿物绝缘电缆的理论载流量进行验证，其中，
所述验证装置置于可变环境温度实验室中并且所述验证装置包括可变负载、电流测量模块、导体温度测量模块和电源，其中，所述可变负载包括低压变压器和调压器，所述导体温度测量模块包括热电偶和温度测量仪，所述柔性矿物绝缘电缆位于所述可变环境温度实验室中且导体的两端分别与低压变压器连接，电流测量模块设置在所述导体与低压变压器连接的线路中，所述调压器与低压变压器连接，所述电源与调压器连接，所述热电偶和温度测量仪与柔性矿物绝缘电缆连接。
本发明的再一方面提供了一种柔性矿物绝缘电缆载流量的验证方法，采用上述验证装置对计算得到的柔性矿物绝缘电缆的理论载流量进行验证。
根据本发明柔性矿物绝缘电缆载流量的验证方法的一个实施例，所述验证方法包括以下步骤：
取单位长度的柔性矿物绝缘电缆置于所述可变环境温度实验室中，将所述柔性矿物绝缘电缆的导体两端分别连接在所述低压变压器上；
通过连接在所述低压变压器上的调压器控制加载在所述导体上的电流，通过电流测量模块对电流进行检测，当电流达到计算得到的柔性矿物绝缘电缆的理论载流量时，保持电流不变，通过所述热电偶和温度测量仪检测导体的温度，待检测到的导体温度达到稳定时，记录导体的稳态温度并与计算载流量时设定的温度进行对比，分析误差；
在设定的环境温度下，通过连接在所述低压变压器上的调压器控制加载在所述导体上的电流，使得导体的温度恰好达到设定的长期工作温度，此时的电流为柔性矿物绝缘电缆的实际载流量，将所述柔性矿物绝缘电缆的实际载流量与所述柔性矿物绝缘电缆的理论载流量进行对比，分析误差。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)根据稳态热路模型，设计建立对云母带材和绕包带热阻系数的测量装置和方法；(2)针对多层绕包的绝缘热阻，分析了气隙对热阻的影响，建立了云母带/气隙的串联热阻模型并对热阻进行了归一化处理，提出了填充系数和绕包等效半径的概念和计算方法，建立了多层绕包绝缘热阻的计算方法；(3)分析了皱纹铜护套和成缆绕包层之间气隙对内护热阻的影响，提出的皱纹铜护套前后等效半径的计算方法，建立了由成缆绕包和气隙构成复合内护热阻的计算方法；(4)设计建立了对载流量进行验证的实验装置，其具有结构简单、测试准确、操作方便的特点。
附图说明
图1示出了根据本发明示例性实施例的柔性矿物绝缘电缆的结构示意图。
图2示出了根据本发明示例性实施例的柔性矿物绝缘电缆载流量计算方法中简化多层热阻复合模型的原理图。
图3示出了根据本发明示例性实施例的柔性矿物绝缘电缆载流量计算方法中绕包带材热阻系数测量装置的结构示意图。
图4示出了根据本发明示例性实施例的柔性矿物绝缘电缆载流量的验证装置的结构示意图
附图标记说明：
1-导体、2-绝缘层、3-绝缘线芯、4-绕包层、5-皱纹铜护套、6-外护套、7、气隙、8-云母带、9-云母带层、10-保温炉体、11-加热极、12-参比样品、13-测试样品、14-测试极、15-温控模块、16-多通道温度测量仪、17-热电偶、18-低压变压器、19-调压器、20-热电偶、21-温度测量仪、22-电流测量模块、23-柔性矿物绝缘电缆、24-电源。
具体实施方式
在下文中，将结合附图详细说明本发明的柔性矿物绝缘电缆载流量的计算方法、验证装置及方法。
首先对根据本发明示例性实施例的柔性矿物绝缘电缆的结构进行具体说明。图1示出了根据本发明示例性实施例的柔性矿物绝缘电缆的结构示意图，如图1所示，本发明中的柔性矿物绝缘电缆由导体1和绕包在导体1外表面上的绝缘层2组成的绝缘线芯3成缆后绕包形成绕包层4并包覆皱纹铜护套5后形成缆芯并挤包外护套6形成。其中，绝缘层2由多层云母带绕包形成，绕包层4由多层绕包带绕包形成，外护套6也可以不设置并且使电缆直接为裸铜套电缆。
本发明的柔性矿物绝缘电缆载流量计算方法通过采用下述技术思路进行：(1)对多层绕包绝缘层结构建立云母带/密闭气隙多层复合热路模型，通过归一化处理将其简化为云母带层和气隙串联的热路模型，从而计算出绝缘层热阻T1；其中，基于稳态热路模型设计了能够测量并计算得到云母带的热阻系数或绕包带的热阻系数的绕包带材热阻系数测量装置；(2)对皱纹铜护套的计算外径进行假设计算，从而分别计算出成缆绕包后的内护层热阻T2和外护层热阻T3；(3)根据相关研究，裸铜护套的辐射系数应该为相同外径的黑色表面的80％，从而计算出静止空气中的外部热阻T4；(4)按照IEC-60287的理论方法，计算额定工作温度下柔性矿物绝缘电缆的理论载流量。此外，本发明还在温度可调的空间内设计搭建理论载流量的验证装置，从而能够对计算结果进行验证分析。
下面先对柔性矿物绝缘电缆载流量的计算方法进行具体说明。
根据本发明的示例性实施例，所述柔性矿物绝缘电缆载流量的计算方法包括以下多个步骤。
步骤A：
计算在导体1外绕包多层云母带后形成的绝缘线芯3的绝缘层热阻T1。
由于柔性矿物绝缘电缆的绝缘层2由多层云母带重叠绕包而成，因此相邻带材之间会有气隙，而密闭气隙的热阻系数很高，可以达到35～40K*m/W，这会大大降低电缆的导热性能，继而降低电缆的载流量，因此气隙对电缆载流量的影响不可忽略。
本步骤采用热阻归一化原理对由绕包在导体1外的云母带层和云母带层中的气隙组成的多层热阻复合模型进行简化并根据云母带层与气隙的体积占比将云母带层和气隙分别归并到绝缘线芯内层和绝缘线芯外层，分别计算云母带层和气隙的热阻并将云母带层和气隙的热阻相加即可得到绝缘层热阻T1。
图2示出了根据本发明示例性实施例的柔性矿物绝缘电缆载流量计算方法中简化多层热阻复合模型的原理图。如图2所示，本步骤将多层云母带8归并为云母带层9并作为绝缘线芯内层直接位于导体1外，将气隙7归并并作为绝缘线芯外层直接位于云母带层9外，由此云母带层9和气隙7之间相当于串联连接的方式，则两者的热阻之和即为绝缘层热阻T1。
其中，根据式1计算得到绝缘层热阻T1：
式中，为云母带的热阻系数，K*m/W；为已知的气隙热阻系数且R1为导体1的半径，m；R2为云母带层的等效半径，m；R3为绝缘层2的半径，m；
其中，云母带的热阻系数的测量和计算方法将在下文中具体描述。而云母带层的等效半径R2则利用体积不变原理并根据式2计算得到：
式中，η为云母带的填充系数。
在计算云母带的填充系数η时，可以通过称重法确定单位长度绝缘线芯中云母带的重量m，用重量m除以密度ρ得到有效体积，有效体积与实际体积之比即为填充系数η。具体根据式3计算得到云母带的填充系数η：
式中，m为单位长度单根绝缘线芯中云母带的重量，kg；ρ为云母带的密度，kg/m3。
其中，本步骤计算得到的绝缘层热阻实际上为单根绝缘线芯的绝缘层热阻。
根据本发明，本发明针对绝缘层2、绕包层4等绕包层的热阻系数进行了绕包带材热阻系数测量装置的设计，从而能够利用该测量装置来测量并计算得到云母带的热阻系数或绕包带的热阻系数
图3示出了根据本发明示例性实施例的柔性矿物绝缘电缆载流量计算方法中绕包带材热阻系数测量装置的结构示意图。
如图3所示，所述绕包带材热阻系数测量装置包括保温炉体10、加热极11、测试极14、温控模块15和多通道温度测量仪16，加热极11和测试极14放置在保温炉体10中并且测试样品13和参比样品12依次放置在加热极1和测试极14之间，多通道温度测量仪16与测试极14、加热极11、温控模块15以及测试样品13与参比样品12之间的界面分别连接，温控模块15还与加热极11连接。其中，加热极11和测试极14由导热性能良好的紫铜板制成，测试样品13由多层云母带或多层绕包带叠加而成。
具体地，测量并计算得到云母带的热阻系数或绕包带的热阻系数可以包括以下步骤：
1)先将加热极11、参比样品12、测试样品13和测试极14依次放置在保温炉体10内并通过最上方的测试极14施加压力排出层间空气；
2)通过温控模块15将加热极的温度稳定在θH，通过多通道温度测量仪16同时测量样品界面温度θ0和测试极温度θL；
3)由于保温炉体10能够保温，故热流只能沿着图3中的虚线方向向上传导，待达到热稳态后，加热极温度θH、样品界面温度θ0和测试极温度θL分别稳定于各自稳态值，根据热阻串联模型，则可利用式8并结合稳定在稳态值的θH、θ0和θL计算得到云母带的热阻系数或绕包带的热阻系数
式中，d1为测试样品的厚度，m；d2为参比样品的厚度，m；为已知的参比样品热阻系数，K*m/W。
也即，分别在式8中代入云母带和绕包带的试验参数，即可得到云母带的热阻系数或绕包带的热阻系数
步骤B：
计算n根绝缘线芯成缆后绕包绕包带并包覆皱纹铜护套后形成的缆芯的内护层热阻T2。其中，1≤n≤5。
由于成缆后绕包层4的层数仅为2-3层，可以忽略绕包层4中气隙对热阻的影响，但是由于皱纹铜护套5不平滑，其与绕包层4之间存在气隙，需要计算这层气隙对内护层热阻的影响。
具体地，根据式4计算得到内护层热阻T2，：
式中，为绕包带的热阻系数，K*m/W；R4为成缆半径，m；R5为成缆绕包后的半径，m；R6为皱纹铜护套的内等效半径且R6＝R5+0.5H，m；H为皱纹铜护套的波谷与波峰之间的轧纹深度，m。其中，由于皱纹铜护套5不平滑并且其波谷与绕包层4紧挨，因此本发明对其进行了内等效半径和外等效半径的等效处理，内等效半径可以用于计算内护层热阻，外等效半径可以用于计算外护层热阻。绕包带的热阻系数则可以采用上述绕包带材热阻系数测量装置测量得到，在此不进行赘述。
步骤C：
计算由缆芯形成的电缆的外护层热阻T3。
当缆芯外无外护套6时，外护层热阻T3为0；当缆芯外挤包有外护套3时，根据式5计算得到外护层热阻T3：
式中，为外护套的热阻系数，K*m/W；R7为皱纹铜护套5的外等效半径且R7＝R5+0.5H+δ，δ为皱纹铜护套5的厚度，m；R8为电缆的半径，m。其中，外护套的热阻系数可以通过查表得知。
步骤D：
计算电缆敷设于静止空气中的外部热阻T4。
具体地，根据式6计算得到外部热阻T4：
式中，h为散热系数，W/m2K5/4；De为电缆的外径，m，其中，当缆芯外无外护套时，De为2R7，当缆芯外挤包有外护套时，De为2R8；ΔθS为电缆表面相对环境的温升，K。
对于散热系数h，当缆芯外挤包有外护套时，根据式9计算得到所述散热系数h；当所述缆芯外无外护套时，散热系数取根据式9计算得到的散热系数h的80％：
式中，Z、E、g为空气中电缆黑色表面时的常数值，当单根电缆敷设时，Z＝0.62、E＝0.95、g＝0.25。
对于ΔθS，则可以采用迭代法计算(ΔθS)1/4并且具体利用式10和式11进行迭代计算：
KA＝πDe(T1+T2+T3)——式10，
式中，Δθ为导体对环境的允许温升，K；
令(ΔθS)1/4的初值为2并反复迭代至得到(ΔθS)1/4的终值。一般而言，迭代4至6次即可确定(ΔθS)1/4的终值。
其中，上述计算得到的内护层热阻、外护层热阻和外部空气热阻实际上为整根电缆缆芯的热阻。
步骤E：
计算柔性矿物绝缘电缆的载流量。
电缆的载流量是指电缆中单根绝缘线芯的导体稳态温度达到长期允许工作温度时的稳态电流。本发明的计算方法是为了获得柔性矿物绝缘电缆在额定温度条件下的理论载流量。
根据IEC-60287的规定，在低压下可忽略介质损耗因数；由于金属护套基本采用单点接地，无环流和涡流损耗，可以忽略金属屏蔽损耗因数；柔性矿物绝缘电缆无铠装结构，铠装损耗因数为0。
因此，可以根据式7计算得到柔性矿物绝缘电缆中单根绝缘线芯的导体流过的理论载流量In：
式中，θc为导体最高额定温度，K；θ0为环境温度，K；R为在导体最高额定温度下导体单位长度的交流电阻，Ω/m；T1为绝缘层热阻，K·m/W；T2为内护层热阻，K·m/W；T3为外护层热阻，K·m/W；T4为外部热阻，K·m/W。其中，当该柔性矿物绝缘电缆为三芯电缆时，则n＝3。
其中，根据式12计算在导体最高额定温度下导体单位长度的交流电阻R：
R＝R'(1+Ys+Yp)——式12，
式中，R'为在导体最高额定温度下导体单位长度的直流电阻，Ω/m；Ys、Yp分别为集肤效应参数和临近效应参数并且可以利用IEC-60287标准进行计算。
为了对上述计算方法计算得到的柔性矿物绝缘电缆理论载流量进行验证，本发明还同时提供了柔性矿物绝缘电缆载流量的验证装置和验证方法。
图4示出了根据本发明示例性实施例的柔性矿物绝缘电缆载流量的验证装置的结构示意图。
如图4所示，根据本发明的示例性实施例，所述验证装置置于可变环境温度实验室(未示出)中并且所述验证装置包括可变负载、电流测量模块、导体温度测量模块和电源。具体地，可变负载包括低压变压器18和调压器19，导体温度测量模块包括热电偶20和温度测量仪21，柔性矿物绝缘电缆23位于可变环境温度实验室中且导体的两端分别与低压变压器18连接，电流测量模块22设置在导体与低压变压器18连接的线路中，调压器19与低压变压器18连接，电源24与调压器19连接，热电偶20和温度测量仪21与柔性矿物绝缘电缆23连接。当柔性矿物绝缘电缆23为三芯电缆时，低压变压器18为三相低压变压器，电源24为三相交流电源，调压器19为三相调压器。
具体地，采用上述验证装置对计算得到的柔性矿物绝缘电缆的理论载流量进行验证的方法可以包括以下步骤：
1)取单位长度的柔性矿物绝缘电缆23置于可变环境温度实验室中，将柔性矿物绝缘电缆23的导体1两端分别连接在低压变压器18上；
2)通过连接在低压变压器18上的调压器19控制加载在导体1上的电流，通过电流测量模块22(如电流表)对电流进行检测，当电流达到计算得到的柔性矿物绝缘电缆的理论载流量时，保持电流不变，通过热电偶20和温度测量仪21检测导体1的温度，待检测到的导体温度达到稳定时，记录导体1的稳态温度并与计算载流量时设定的温度进行对比，分析误差；
3)在设定的环境温度下，通过连接在低压变压器18上的调压器19控制加载在导体1上的电流，使得导体1的温度恰好达到设定的长期工作温度，此时的电流为柔性矿物绝缘电缆的实际载流量，将柔性矿物绝缘电缆的实际载流量与柔性矿物绝缘电缆的理论载流量进行对比，分析误差。
其中，步骤2和步骤3分别从不同的角度进行了验证。
综上所述，本发明的柔性矿物绝缘电缆载流量的计算方法、验证装置及方法具有以下优点：(1)根据稳态热路模型，设计建立对云母带材和绕包带热阻系数的测量装置和方法；(2)针对多层绕包的绝缘热阻，分析了气隙对热阻的影响，建立了云母带/气隙的串联热阻模型并对热阻进行了归一化处理，提出了填充系数和绕包等效半径的概念和计算方法，建立了多层绕包绝缘热阻的计算方法；(3)分析了皱纹铜护套和成缆绕包层之间气隙对内护热阻的影响，提出的皱纹铜护套前后等效半径的计算方法，建立了由成缆绕包和气隙构成复合内护热阻的计算方法；(4)设计建立了对载流量进行验证的实验装置，其具有结构简单、测试准确、操作方便的特点。
尽管上面已经结合示例性实施例描述了本发明的柔性矿物绝缘电缆载流量的计算方法、验证装置及方法，但是本领域普通技术人员应该清楚，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，可以对上述实施例进行各种修改和变化。
Claims (10)
1.一种柔性矿物绝缘电缆载流量的计算方法，其特征在于，所述计算方法包括以下步骤：
A、计算在导体外绕包多层云母带后形成的绝缘线芯的绝缘层热阻T1：采用热阻归一化原理对由绕包在导体外的云母带层和云母带层中的气隙组成的多层热阻复合模型进行简化并根据云母带层与气隙的体积占比将云母带层和气隙分别归并到绝缘线芯内层和绝缘线芯外层，分别计算云母带层和气隙的热阻并将所述云母带层和气隙的热阻相加得到绝缘层热阻T1，根据式1计算得到所述绝缘层热阻T1：
式中，为云母带的热阻系数，K*m/W；为已知的气隙热阻系数，K*m/W；R1为导体的半径，m；R2为云母带层的等效半径，m；R3为绝缘层的半径，m；
根据式2计算得到所述云母带层的等效半径R2：
式中，η为云母带的填充系数；
根据式3计算得到所述云母带的填充系数η：
式中，m为单位长度单根绝缘线芯中云母带的重量，kg；ρ为云母带的密度，kg/m3；
B、计算n根绝缘线芯成缆后绕包绕包带并包覆皱纹铜护套后形成的缆芯的内护层热阻T2，根据式4计算得到所述内护层热阻T2，其中，1≤n≤5：
式中，为绕包带的热阻系数，K*m/W；R4为成缆半径，m；R5为成缆绕包后的半径，m；R6为皱纹铜护套的内等效半径且R6＝R5+0.5H，m；H为皱纹铜护套的波谷与波峰之间的轧纹深度，m；
C、计算由缆芯形成的电缆的外护层热阻T3：当所述缆芯外无外护套时，外护层热阻T3为0；当所述缆芯外挤包有外护套时，根据式5计算得到所述外护层热阻T3：
式中，为外护套的热阻系数，K*m/W；R7为皱纹铜护套的外等效半径且R7＝R5+0.5H+δ，δ为皱纹铜护套的厚度，m；R8为电缆的半径，m；
D、计算电缆敷设于静止空气中的外部热阻T4，根据式6计算得到所述外部热阻T4：
式中，h为散热系数，W/m2K5/4；De为电缆的外径，m，其中，当所述缆芯外无外护套时，De为2R7，当所述缆芯外挤包有外护套时，De为2R8；ΔθS为电缆表面相对环境的温升，K；
E、计算柔性矿物绝缘电缆的载流量，根据式7计算得到所述柔性矿物绝缘电缆中单根导体流过的理论载流量In：
式中，θc为导体最高额定温度，K；θ0为环境温度，K；R为在导体最高额定温度下导体单位长度的交流电阻，Ω/m；T1为绝缘层热阻，K·m/W；T2为内护层热阻，K·m/W；T3为外护层热阻，K·m/W；T4为外部热阻，K·m/W。
2.根据权利要求1所述的柔性矿物绝缘电缆载流量的计算方法，其特征在于，根据稳态热路模型建立绕包带材热阻系数测量装置，测量并计算得到所述云母带的热阻系数或所述绕包带的热阻系数
3.根据权利要求2所述的柔性矿物绝缘电缆载流量的计算方法，其特征在于，所述绕包带材热阻系数测量装置包括保温炉体、加热极、测试极、温控模块和多通道温度测量仪，所述加热极和测试极放置在所述保温炉体中并且测试样品和参比样品依次放置在所述加热极和测试极之间，所述多通道温度测量仪与测试极、加热极、温控模块以及测试样品与参比样品之间的界面分别连接，所述温控模块还与所述加热极连接，其中，所述加热极和测试极由紫铜板制成，所述测试样品由多层云母带或多层绕包带叠加而成。
4.根据权利要求3所述的柔性矿物绝缘电缆载流量的计算方法，其特征在于，测量并计算得到所述云母带的热阻系数或所述绕包带的热阻系数包括以下步骤：
将所述加热极、参比样品、测试样品和测试极依次放置在所述保温炉体内并通过最上方的测试极施加压力排出层间空气；
通过所述温控模块将加热极的温度稳定在θH，通过所述多通道温度测量仪同时测量样品界面温度θ0和测试极温度θL；
待达到热稳态后，利用式8并结合稳定在稳态值的θH、θ0和θL计算得到云母带的热阻系数或绕包带的热阻系数
示中，d1为测试样品的厚度，m；d2为参比样品的厚度，m；为已知的参比样品热阻系数，K*m/W。
5.根据权利要求1所述的柔性矿物绝缘电缆载流量的计算方法，其特征在于，在步骤D中，当所述缆芯外挤包有外护套时，根据式9计算得到所述散热系数h；当所述缆芯外无外护套时，散热系数取根据式9计算得到的散热系数h的80％：
式中，Z、E、g为空气中电缆黑色表面时的常数值，当单根电缆敷设时，Z＝0.62、E＝0.95、g＝0.25。
6.根据权利要求1所述的柔性矿物绝缘电缆载流量的计算方法，其特征在于，在步骤D中，采用迭代法计算(ΔθS)1/4并且具体利用式10和式11进行迭代计算：
KA＝πDe(T1+T2+T3)——式10，
式中，Δθ为导体对环境的允许温升，K；
令(ΔθS)1/4的初值为2并反复迭代至得到(ΔθS)1/4的终值。
7.根据权利要求1所述的柔性矿物绝缘电缆载流量的计算方法，其特征在于，在步骤E中，根据式12计算在所述导体最高额定温度下导体单位长度的交流电阻R：
R＝R'(1+Ys+Yp)——式12，
式中，R'为在所述导体最高额定温度下导体单位长度的直流电阻，Ω/m；Ys、Yp分别为集肤效应参数和临近效应参数并且利用IEC-60287标准进行计算。
8.一种柔性矿物绝缘电缆载流量的验证装置，其特征在于，所述验证装置对利用权利要求1至7中任一项所述柔性矿物绝缘电缆载流量的计算方法计算得到的柔性矿物绝缘电缆的理论载流量进行验证，其中，
所述验证装置置于可变环境温度实验室中并且所述验证装置包括可变负载、电流测量模块、导体温度测量模块和电源，其中，所述可变负载包括低压变压器和调压器，所述导体温度测量模块包括热电偶和温度测量仪，所述柔性矿物绝缘电缆位于所述可变环境温度实验室中且导体的两端分别与低压变压器连接，电流测量模块设置在所述导体与低压变压器连接的线路中，所述调压器与低压变压器连接，所述电源与调压器连接，所述热电偶和温度测量仪与柔性矿物绝缘电缆连接。
9.一种柔性矿物绝缘电缆载流量的验证方法，其特征在于，采用权利要求8所述的验证装置对计算得到的柔性矿物绝缘电缆的理论载流量进行验证。
10.根据权利要求9所述的柔性矿物绝缘电缆载流量的验证方法，其特征在于，所述验证方法包括以下步骤：
取单位长度的柔性矿物绝缘电缆置于所述可变环境温度实验室中，将所述柔性矿物绝缘电缆的导体两端分别连接在所述低压变压器上；
通过连接在所述低压变压器上的调压器控制加载在所述导体上的电流，通过电流测量模块对电流进行检测，当电流达到计算得到的柔性矿物绝缘电缆的理论载流量时，保持电流不变，通过所述热电偶和温度测量仪检测导体的温度，待检测到的导体温度达到稳定时，记录导体的稳态温度并与计算载流量时设定的温度进行对比，分析误差；
在设定的环境温度下，通过连接在所述低压变压器上的调压器控制加载在所述导体上的电流，使得导体的温度恰好达到设定的长期工作温度，此时的电流为柔性矿物绝缘电缆的实际载流量，将所述柔性矿物绝缘电缆的实际载流量与所述柔性矿物绝缘电缆的理论载流量进行对比，分析误差。
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Denomination of invention: Computing method and verifying device and method for current carrying capacity of flexible mineral insulated cable Effective date of registration: 20190621 Granted publication date: 20181016 Pledgee: Leshan City Commercial Bank Limited by Share Ltd. Sales Department Pledgor: SUNWAY Co.,Ltd. Registration number: 2019990000595 |
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Date of cancellation: 20210928 Granted publication date: 20181016 Pledgee: Leshan City Commercial Bank Limited by Share Ltd. Sales Department Pledgor: SUNWAY Co.,Ltd. Registration number: 2019990000595 |
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Denomination of invention: Calculation method, verification device and method of ampacity of flexible mineral insulated cable Effective date of registration: 20211018 Granted publication date: 20181016 Pledgee: Leshan City Commercial Bank Limited by Share Ltd. Sales Department Pledgor: SUNWAY Co.,Ltd. Registration number: Y2021510000246 |
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Date of cancellation: 20231106 Granted publication date: 20181016 Pledgee: Leshan City Commercial Bank Limited by Share Ltd. Sales Department Pledgor: SUNWAY Co.,Ltd. Registration number: Y2021510000246 |
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Denomination of invention: Calculation method, verification device and method for current carrying capacity of flexible mineral insulated cables Effective date of registration: 20231201 Granted publication date: 20181016 Pledgee: Leshan City Commercial Bank Limited by Share Ltd. Sales Department Pledgor: SUNWAY Co.,Ltd. Registration number: Y2023980068812 |