CN107122577A - 一种实时动态的电缆载流量计算方法及系统 - Google Patents
一种实时动态的电缆载流量计算方法及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种实时动态的电缆载流量计算方法及系统，包括：向电缆中输入一具有预定负荷值的负荷电流，采集电缆的第一表面温度值以及土壤表面的空气温度值、风力值、太阳辐射值；利用数据迭代算法，根据上述值对一预设的第一土壤导热系数进行迭代处理以得到一第二土壤导热系数，进而得到土壤的等效热阻系数；对土壤进行分层处理并建立一分层土壤模型，利等效热阻系数处理得到土壤的土壤外部热阻；根据预定规则建立一电缆本体热路模型，利用电缆本体热路模型和土壤外部热阻处理得到电缆的电缆载流量。本发明的有益效果：将土壤水分迁移分层土壤模型分析方法和数值迭代分析方法引入电缆热路模型中，更加准确地计算电缆的载流量。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统技术领域，尤其涉及一种实时动态的电缆载流量计算方法及系统。
背景技术
随着电力系统的不断发展与进步，电力电缆的应用数量越来越多，逐渐占据主体地位。电缆在运行过程中，线芯导体通过交流电流时会产生焦耳热，如果电流过大产生的焦耳热太大，就会导致绝缘强度下降；电流过小会是的电缆线路得不到充分利用，造成资源浪费，因此在铺设电缆之前会对电缆温度场进行准确计算，进而推算电缆载流量，以提高电缆的传输能力。
影响电缆运行载流量的可变因素很多，目前IEC-60287标准以及有限元分析方法均把土壤假定为靠近电缆区域为干燥土壤，而其他区域土壤导热系数不变的情况加以处理。没有考虑土壤水分迁移以及外界环境对土壤热阻系数的影响。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种实时动态的电缆载流量计算方法。
本发明采用如下技术方案：
一种实时动态的电缆载流量计算方法，所述电缆埋设于土壤中；所述计算方法包括：
步骤S1、向所述电缆中输入一具有预定负荷值的负荷电流，并采集所述电缆的第一表面温度值以及所述土壤表面的空气温度值、风力值、太阳辐射值；
步骤S2、利用数据迭代算法，根据所述预定负荷值、所述第一表面温度值、所述空气温度值、所述风力值、所述太阳辐射值对一预设的第一土壤导热系数进行迭代处理以得到一处理后的第二土壤导热系数，根据所述第二土壤导热系数处理得到所述土壤的等效热阻系数；
步骤S3、对所述土壤进行分层处理并建立一分层土壤模型，利用所述分层土壤模型和所述等效热阻系数处理得到所述土壤的土壤外部热阻；
步骤S4、根据预定规则建立一电缆本体热路模型，利用所述电缆本体热路模型和所述土壤外部热阻处理得到所述电缆的电缆载流量。
优选的，所述电缆包括多个导体和由内至外依次设置在每个所述导体外部的绝缘层、内护层、外护层、外部层、金属屏蔽层及铠装层。
优选的，所述步骤S2包括：
步骤S21、接收所述预定负荷值、所述第一表面温度值、所述空气温度值、所述风力值、所述太阳辐射值，并预设所述第一土壤导热系数；
步骤S22、根据所述预定负荷值、所述第一表面温度值、所述空气温度值、所述风力值、所述太阳辐射值、所述第一土壤导热系数，利用Ansys软件采用有限元分析方法分析温度场分布以得到所述电缆的第二表面温度；
步骤S23、判断所述第一表面温度和所述第二表面温度之间的差值的绝对值是否小于一预定的判断系数；
若判断结果为是，则将所述第一土壤导热系数作为所述第二土壤导热系数，随后转至步骤S24；
若判断结果为否，调整所述第一土壤导热系数，随后转至步骤S22；
步骤S24、根据所述第二土壤导热系数处理得到所述土壤的所述等效热阻系数。
优选的，所述步骤S3中，采用下述公式表示所述分层土壤模型：
其中，
T4表示所述土壤外部热阻；
N表示分层数；
ρT表示所述等效热阻系数；
bi表示分层边界距离所述土壤的表面的深度；
i≥2，且i为正整数。
优选的，采用下述公式表示所述电缆本体热路模型：
其中，
I表示所述电缆载流量；
Δθ表示高于所述电缆所处环境温度的导体温升；
R表示最高工作温度下所述导体单位长度的交流电阻；
Wd表示所述导体绝缘单位长度的介质损耗；
n表示所述电缆的芯数；
T1表示所述绝缘层的热阻；
T2表示所述内衬层的热阻；
T3表示所述外护层的热阻；
T4表示所述土壤外部热阻；
λ1表示所述金属屏蔽层相对于所述电缆内所有所述导体总损耗的比率；
λ2表示所述铠装层相对于所述电缆内所有所述导体总损耗的比率。
优选的，所述步骤S4中，所述预定规则为IEC-60287标准。
优选的，一种实时动态的电缆载流量计算系统，采用上述的实时动态的电缆载流量计算方法。
本发明的有益效果：通过建立电缆热路模型，考虑土壤水分迁移对热量传递的影响以及地表空气温度、风力、太阳辐射的对土壤热阻系数的影响，采用分层土壤模型和数值迭代算法修正外界热阻以得到第二土壤导热系数，从而实时动态的确定电缆载流量。
附图说明
图1为本发明的一种优选实施例中，一种实时动态的电缆载流量计算方法的流程图；
图2为本发明的一种优选实施例中，步骤S2的流程图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，下述技术方案，技术特征之间可以相互组合。
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明：
如图1所示，一种实时动态的电缆载流量计算方法，上述电缆埋设于土壤中；上述计算方法包括：
步骤S1、向上述电缆中输入一具有预定负荷值的负荷电流，并采集上述电缆的第一表面温度值以及上述土壤表面的空气温度值、风力值、太阳辐射值；
步骤S2、利用数据迭代算法，根据上述预定负荷值、上述第一表面温度值、上述空气温度值、上述风力值、上述太阳辐射值对一预设的第一土壤导热系数进行迭代处理以得到一处理后的第二土壤导热系数，根据上述第二土壤导热系数处理得到上述土壤的等效热阻系数；
步骤S3、对上述土壤进行分层处理并建立一分层土壤模型，利用上述分层土壤模型和上述等效热阻系数处理得到上述土壤的土壤外部热阻；
步骤S4、根据预定规则建立一电缆本体热路模型，利用上述电缆本体热路模型和上述土壤外部热阻处理得到上述电缆的电缆载流量。
在本实施例中，根据上述第二土壤导热系数处理得到上述土壤的等效热阻系数为现有技术，本领域技术人员能够根据现有技术获得。
通过建立电缆热路模型，考虑土壤水分迁移对热量传递的影响，以及地表空气温度、风力、太阳辐射的对土壤热阻系数的影响，采用分层土壤模型和数值迭代算法修正外界热阻以得到第二土壤导热系数，从而实时动态的确定电缆载流量。
上述电缆包括多个导体和由内至外依次设置在每个上述导体外部的绝缘层、内护层、外护层、外部层、金属屏蔽层及铠装层。
在一个具体实施例中，采用下述公式表示上述电缆本体热路模型：
其中，
I表示上述电缆载流量；
Δθ表示高于上述电缆所处环境温度的导体温升；
R表示最高工作温度下上述导体单位长度的交流电阻；
Wd表示上述导体绝缘单位长度的介质损耗；
n表示上述电缆的芯数；
T1表示上述绝缘层的热阻；
T2表示上述内衬层的热阻；
T3表示上述外护层的热阻；
T4表示上述土壤外部热阻；
λ1表示上述金属屏蔽层相对于上述电缆内所有上述导体总损耗的比率；
λ2表示上述铠装层相对于上述电缆内所有上述导体总损耗的比率。
在本实施例中，上述步骤S4中，上述预定规则为IEC-60287标准。根据IEC60287标准可得到上述电缆本体热路模型，上述电缆本体热路模型为现有技术，本领域技术人员能够根据现有技术获得。
在上述电缆本体热路模型的公式中，I为电缆载流量(A)；Δθ为高于环境温度的导体温升(℃)；R为最高工作温度下导体单位长度的交流电阻(Ω/m)；Wd为导体绝缘单位长度的介质损耗(W/m)；n为电缆的芯数；T1、T2、T3、T4分别绝缘层热阻、内衬层热阻、外护层热阻外界媒质热阻(m·K/W)；λ1、λ2分别为电缆金属套(金属屏蔽层)及电缆铠装层相对于该电缆所有导体总损耗的比率。
首先，求解参数T1、T2、T3，由于T1、T2、T3为电缆本体热阻，只与电缆各层的材料、结构、形状等固有参数有关，所以一旦电缆材质选定之后T1、T2、T3可以根据IEC方法计算得出，参数T1、T2、T3的计算为现有技术，本领域技术人员能够根据现有技术获得。
其次，求解参数T4，对于外界媒质热阻T4(土壤外部热阻)，其不仅与电缆本体的热参数相关，还与电缆的敷设方式、外界环境参数有关，对于直埋式电缆来说，外界媒质主要是土壤，在暂态情况下，土壤中的水分受电力电缆发热的影响向远离电缆的方向迁移，使得电力电缆敷设环境中的土壤水分分布不均，从而使得土壤中的导热系数也分布不均。因此将土壤进行分层处理，建立分层土壤热路模型，每层土壤中的导热系数一样，土壤外部热阻就可以表示为：
其中，
T4表示上述土壤外部热阻；
N表示分层数；
ρT表示上述等效热阻系数；
bi表示分层边界距离上述土壤的表面的深度；
i≥2，且i为正整数；
对于土壤热阻系数ρT的计算，土壤受天气状况，如地表空气温度、风力、太阳辐射的影响，存在水分迁移现象，而且不同深度的土壤含水率不同，因此热阻系数是一个变化的量。
本申请中采用数值迭代方法计算其土壤热阻系数等效值，如图2所示，步骤S2包括：
步骤S21、接收上述预定负荷值、上述第一表面温度值、上述空气温度值、上述风力值、上述太阳辐射值，并预设上述第一土壤导热系数；
步骤S22、根据上述预定负荷值、上述第一表面温度值、上述空气温度值、上述风力值、上述太阳辐射值、上述第一土壤导热系数，利用Ansys软件采用有限元分析方法分析温度场分布以得到上述电缆的第二表面温度；
步骤S23、判断上述第一表面温度和上述第二表面温度之间的差值的绝对值是否小于一预定的判断系数；
若判断结果为是，则将上述第一土壤导热系数作为上述第二土壤导热系数，随后转至步骤S24；
若判断结果为否，调整上述第一土壤导热系数，随后转至步骤S22；
步骤S24、根据上述第二土壤导热系数处理得到上述土壤的上述等效热阻系数。
在本实施例中，当电缆敷设完毕之后，它的敷设条件、接地方式、排列方式等都已经确定，在给定负荷电流时，电缆的损耗就可以确定，地表空气温度、风力、太阳辐射可以利用在线系统实时监测，同时监测场内某一点的温度，利用迭代算法估算出土壤的等效热阻系数；
在另一个具体实施例中，一种实时动态的电缆载流量计算系统，采用上述的实时动态的电缆载流量计算方法。
通过说明和附图，给出了具体实施方式的特定结构的典型实施例，基于本发明精神，还可作其他的转换。尽管上述发明提出了现有的较佳实施例，然而，这些内容并不作为局限。
对于本领域的技术人员而言，阅读上述说明后，各种变化和修正无疑将显而易见。因此，所附的权利要求书应看作是涵盖本发明的真实意图和范围的全部变化和修正。在权利要求书范围内任何和所有等价的范围与内容，都应认为仍属本发明的意图和范围内。
Claims (7)
1.一种实时动态的电缆载流量计算方法，所述电缆埋设于土壤中；其特征在于，所述计算方法包括：
步骤S1、向所述电缆中输入一具有预定负荷值的负荷电流，并采集所述电缆的第一表面温度值以及所述土壤表面的空气温度值、风力值、太阳辐射值；
步骤S2、利用数据迭代算法，根据所述预定负荷值、所述第一表面温度值、所述空气温度值、所述风力值、所述太阳辐射值对一预设的第一土壤导热系数进行迭代处理以得到一处理后的第二土壤导热系数，根据所述第二土壤导热系数处理得到所述土壤的等效热阻系数；
步骤S3、对所述土壤进行分层处理并建立一分层土壤模型，利用所述分层土壤模型和所述等效热阻系数处理得到所述土壤的土壤外部热阻；
步骤S4、根据预定规则建立一电缆本体热路模型，利用所述电缆本体热路模型和所述土壤外部热阻处理得到所述电缆的电缆载流量。
2.根据权利要求1所述的电缆载流量计算方法，其特征在于，所述电缆包括多个导体和由内至外依次设置在每个所述导体外部的绝缘层、内护层、外护层、外部层、金属屏蔽层及铠装层。
3.根据权利要求1所述的电缆载流量计算方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
步骤S21、接收所述预定负荷值、所述第一表面温度值、所述空气温度值、所述风力值、所述太阳辐射值，并预设所述第一土壤导热系数；
步骤S22、根据所述预定负荷值、所述第一表面温度值、所述空气温度值、所述风力值、所述太阳辐射值、所述第一土壤导热系数，利用Ansys软件采用有限元分析方法分析温度场分布以得到所述电缆的第二表面温度；
步骤S23、判断所述第一表面温度和所述第二表面温度之间的差值的绝对值是否小于一预定的判断系数；
若判断结果为是，则将所述第一土壤导热系数作为所述第二土壤导热系数，随后转至步骤S24；
若判断结果为否，调整所述第一土壤导热系数，随后转至步骤S22；
步骤S24、根据所述第二土壤导热系数处理得到所述土壤的所述等效热阻系数。
4.根据权利要求1所述的电缆载流量计算方法，其特征在于，所述步骤S3中，采用下述公式表示所述分层土壤模型：
<mrow>
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<mi>i</mi>
</msub>
</mfrac>
<mo>;</mo>
</mrow>
其中，
T4表示所述土壤外部热阻；
N表示分层数；
ρT表示所述等效热阻系数；
bi表示分层边界距离所述土壤的表面的深度；
i≥2，且i为正整数。
5.根据权利要求1所述的电缆载流量计算方法，其特征在于，采用下述公式表示所述电缆本体热路模型：
<mrow>
<mi>I</mi>
<mo>=</mo>
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</mrow>
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<mo>;</mo>
</mrow>
其中，
I表示所述电缆载流量；
Δθ表示高于所述电缆所处环境温度的导体温升；
R表示最高工作温度下所述导体单位长度的交流电阻；
Wd表示所述导体绝缘单位长度的介质损耗；
n表示所述电缆的芯数；
T1表示所述绝缘层的热阻；
T2表示所述内衬层的热阻；
T3表示所述外护层的热阻；
T4表示所述土壤外部热阻；
λ1表示所述金属屏蔽层相对于所述电缆内所有所述导体总损耗的比率；
λ2表示所述铠装层相对于所述电缆内所有所述导体总损耗的比率。
6.根据权利要求1所述的电缆载流量计算方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述预定规则为IEC-60287标准。
7.一种实时动态的电缆载流量计算系统，其特征在于，采用如权利要求1-6中任意一项所述的实时动态的电缆载流量计算方法。
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