CN107796533A - 一种电缆接头缆芯的温度的获取方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电缆接头缆芯的温度的获取方法，包括以下步骤：A、获取环境温度数据并采用温度传感器阵列获取电缆本体表面温度数据，B、根据上述数据计算电缆本体缆芯温度；C、将电缆本体缆芯温度输入轴向温度分布模型中，得到电缆接头的内部缆芯温度。本方法通过获取环境温度和电缆本体表面温度数据计算电缆本体缆芯温度，再根据轴向温度分布模型，得到电缆接头的内部缆芯温度。

Description

一种电缆接头缆芯的温度的获取方法
技术领域
本发明涉及一种电缆接头缆芯的温度的获取方法。
背景技术
随着国家对电力行业投入的进一步加大和城网改造工作的进一步深入，电力电缆得到了越来越广泛的应用。近年来，随着经济飞速发展，电网建设持续推进，高压电缆网络已经慢慢取代架空线成为政府、交通枢纽、商业区及各大居民小区主要供电方式。
但是，随着电缆使用量的增加，电缆在通道内过于密集，在夏冬两季用电高峰期，散发的热量无法迅速向外界传导，长时间在高温环境下运行，会使电缆事故发生率升高，同时也会影响电缆使用寿命。与此同时，电缆运行维护过程中的野蛮施工往往也会带来运行电缆的短路爆炸以及大面积停电事故，使得抢修恢复难度大，还损害老百姓的用电权益。
现有研究表明，电力电缆接头作为电力电缆的最薄弱环节，其内部故障的原因大多数是由于其施工工艺不规范造成的，其主要表现在电缆接头运行过程中接触电阻变大，使得电缆接头温升异常，并最终导致电缆绝缘击穿，引起重大事故。与此同时，电缆接头在制作过程中由于施工不规范造成的电缆偏心，也容易导致电缆绝缘局部场强过大发生绝缘击穿，并最终发生短路事故。
对于深埋于地下的高压电力电缆，除了传统的人工巡视，更需要先进的技术手段对其运行状况全面监测。特别是在迎峰度夏负荷高峰期，部分地下电缆线路会出现重载甚至超载运行状况，一旦故障发生，如何在第一时间定位故障点、加快抢修速度、减少停电时间，成了供电企业必须面对的难题。如何实现对电缆接头缆芯的温度监测，对保障电缆接头安全可靠运行具有重要的工程意义。
发明内容
本发明为了解决上述技术问题提供一种电缆接头缆芯的温度的获取方法。
本发明通过下述技术方案实现：
一种电缆接头缆芯的温度的获取方法，包括以下步骤：
A、获取环境温度数据并采用温度传感器阵列获取电缆本体表面温度数据，
B、根据上述数据计算电缆本体缆芯温度；
C、将电缆本体缆芯温度输入轴向温度分布模型中，得到电缆接头的内部缆芯温度。
本方法通过获取环境温度和电缆本体表面温度数据计算电缆本体缆芯温度，再根据轴向温度分布模型，得到电缆接头的内部缆芯温度。
作为优选，所述步骤B中将环境温度数据和电缆本体表面温度数据输入电缆本体缆芯温度的函数关系式，计算电缆本体缆芯温度。
进一步的，所述电缆本体缆芯温度的函数关系式的创建过程为：
计算热路模型热源和电缆本体各层的热容热阻，建立电缆本体的热路模型；
根据热路模型，建立对应的节点电压方程，积分得到暂态下电缆本体缆芯温度的函数关系式。
作为优选，所述轴向温度分布模型的创建过程为：
C1、利用COMSOL软件对相应型号的电缆接头进行电磁-热耦合场仿真，得到电缆接头的三维温度场分布，此处的电缆接头的三维温度场分布包括电缆接头表皮轴向温度分布，电缆接头径向温度分布、电缆接头缆芯的轴向温度分布等；
C2、针对电缆接头缆芯的轴向温度分布，采用曲线拟合的方式，得到接头缆芯-本体缆芯的轴向温度分布模型。
此步骤中采用COMSOL软件进行电磁-热耦合场仿真，其求解速度较快，精度高。
作为优选，所述轴向温度分布模型创建的具体方法为：
(1)根据电缆型号利用COMSOL软件建立仿真模型；
(2)将电缆接头的各层材料参数输入COMSOL软件，所述参数包括电导率、相对介电常数、相对磁导率、导热系数；
(3)对网格剖分以后进行计算，计算结束以后，COMSOL软件会建立所有结果的数据集，在数据集中获取轴向温度分布曲线；
(4)对轴向温度分布曲线进行函数拟合，得到电缆接头缆芯温度与电缆本体缆芯温度分布的函数关系。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明的方法通过获取环境温度和电缆本体表面温度数据计算电缆本体缆芯温度，再根据轴向温度分布模型，得到电缆接头的内部缆芯温度，保障电缆接头安全可靠运行。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明专利的电缆本体暂态热路模型；
图2为本发明专利的电缆接头缆芯轴向温度分布曲线；
图3为本发明缆芯温度计算原理示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
一种电缆接头缆芯的温度的获取方法，包括以下步骤：
A、获取环境温度数据并采用温度传感器阵列获取电缆本体表面温度数据，
B、根据上述数据计算电缆本体缆芯温度；
C、将电缆本体缆芯温度输入轴向温度分布模型中，得到电缆接头的内部缆芯温度。
实施例2
基于实施例1的原理，本实施例对各步骤实现方法进行详细细化并举例说明，参见图3的缆芯温度计算原理。
A、获取环境温度数据并采用温度传感器阵列获取电缆本体表面温度数据，电缆本体表面温度数据可通过且优先采用申请号为201620960350.7的阵列式温度传感器获得，在电缆接头本体轴向的三个监测点上分别获取温度监测数据θ′1、θ′1、θ′3。
B、通过以下方法构建暂态下电缆本体缆芯温度的函数关系式。
根据电缆负荷电流计算热路模型热源，根据电缆接头材料参数计算电缆本体各层的热容热阻，建立电缆本体的热路模型；
根据热路模型，建立对应的节点电压方程，得到关于电缆本体缆芯的函数关系式；
将电缆本体表面温度数据取平均值，将步骤A中得到的环境温度数据和该平均值带入上述节点电压方程，求解得到电缆本体缆芯温度。
该步骤实现电缆本体表面温度到电缆本体缆芯温度的反演过程，以110kV电缆的结构对本步骤进行详细说明。110kV电缆本体的热路模型如图1所示，其从左至右9层依次为等效为导体、导体屏蔽层、绝缘层、绝缘屏蔽层、绕包带、气隙、铝护套、外护套、外界环境，Qi为电缆各层损耗，i＝1、2、3、…、7；Q1′为导体屏蔽层损耗；Q2′为绝缘屏蔽层损耗；Ci为电缆各层热容；C1′为导体屏蔽层热容；C2′为绝缘屏蔽层热容；Ti为电缆各层温度；T1′为导体屏蔽层温度；T2′为绝缘屏蔽层温度；Ri为电缆各层热阻；R1′为导体屏蔽层热阻；R2′为绝缘屏蔽层热阻。根据IEC-60287计算得出电缆的上述热容热阻参数。
针对图1中的热路模型，建立对应的节点电压方程，其各节点电压方程为：
对上式进行积分处理，再借助Matlab软件，可得出暂态下的电缆本体缆芯温度计算式：
式中：f(Ci,Ri,Qi)和f(Ci',Ri',Qi')为与电缆本体各层参数有关的量；g(Ti0)和g(Ti0')为暂态时电缆各层的初始温度；σ(T6)为电缆实时表面温度。
C、将电缆本体缆芯温度输入轴向温度分布模型中，得到电缆接头的内部缆芯温度。具体为：
根据电缆具体型号，利用COMSOL软件建立几何仿真模型；
将电缆接头的各层材料参数输入COMSOL软件，所述参数包括电导率、相对介电常数、相对磁导率、导热系数，所述各层材料包括导体、导体屏蔽层、绝缘层、绝缘屏蔽层、绕包带、气隙、铝护套、外护套、空气；
对网格剖分以后进行计算，得到计算结果以后，针对电缆接头温度场分布云图建立数据集，在数据集中获取缆芯轴向温度分布曲线。同时，在缆芯轴向温度分布曲线中，选取电缆本体缆芯的三个点作为温度监测点θ1、θ2、θ3，温度监测点θ1、θ2、θ3与步骤A中的温度监测点θ′1、θ′2、θ′3位置依次对应；
对轴向温度分布曲线进行函数拟合，得到电缆接头缆芯温度与电缆本体缆芯监测点温度θ1、θ2、θ3的函数关系。
该步骤是建立轴向温度分布模型的具体操作步骤，在COMSOL软件中实现，通过建立物理模型，进行参数设置和网格划分以后，可以得到电缆接头的温度场的分布。电缆接头的三维温度场分布的获取可以直接在数据集中直接获取。
本步骤实现电缆本体缆芯温度与电缆接头缆芯温度的反演。现仍以110kV电缆本体进行说明。
对于轴向温度反演，需要找出电缆接头缆芯与电缆本体缆芯的轴向温度分布规律，关键是找出合适的关系式来对其温度分布进行表征。在上述步骤B的基础上，建立电缆接头-本体的电磁-热耦合模型，设置边界条件并施加激励电流645A，仿真得到电缆接头—本体缆芯轴向温度分布如图2所示。
通过在电缆接头-本体缆芯选取温度监测点θ1、θ2、θ3，选取合适函数进行拟合得到电缆接头-本体缆芯温度分函数：
θjt≈f1(θ1)+f2(θ2)+f3(θ3)
将本体表皮-本体缆芯温度反演得到的本体缆芯温度θ1、θ2、θ3代入电缆接头-本体缆芯温度分布函数，即可得到电缆接头内部温度。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种电缆接头缆芯的温度的获取方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、获取环境温度数据并采用温度传感器阵列获取电缆本体表面温度数据，
B、根据上述数据计算电缆本体缆芯温度；
C、将电缆本体缆芯温度输入轴向温度分布模型中，得到电缆接头的内部缆芯温度。
2.根据权利要求1所述的一种电缆接头缆芯的温度的获取方法，其特征在于，所述步骤B中将环境温度数据和电缆本体表面温度数据输入电缆本体缆芯温度的函数关系式，计算电缆本体缆芯温度。
3.根据权利要求2所述的一种电缆接头缆芯的温度的获取方法，其特征在于，所述电缆本体缆芯温度的函数关系式的创建过程为：
计算热路模型热源和电缆本体各层的热容热阻，建立电缆本体的热路模型；
根据热路模型，建立对应的节点电压方程，积分得到暂态下电缆本体缆芯温度的函数关系式。
4.根据权利要求1所述的一种电缆接头缆芯的温度的获取方法，其特征在于，所述轴向温度分布模型的创建过程为：
C1、利用COMSOL软件对相应型号的电缆接头进行电磁-热耦合场仿真，得到电缆接头的三维温度场分布；
C2、针对电缆接头缆芯的轴向温度分布，采用曲线拟合的方式，得到接头缆芯-本体缆芯的轴向温度分布模型。
5.根据权利要求1所述的一种电缆接头缆芯的温度的获取方法，其特征在于，所述轴向温度分布模型创建的具体方法为：
根据电缆型号利用COMSOL软件建立仿真模型；
将电缆接头的各层材料参数输入COMSOL软件，所述参数包括电导率、相对介电常数、相对磁导率、导热系数；
对网格剖分以后进行计算，在数据集中获取轴向温度分布曲线；
对轴向温度分布曲线进行函数拟合，得到电缆接头缆芯温度与电缆本体缆芯温度分布的函数关系。
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