CN107918697A

CN107918697A - 不依赖表皮温度排管敷设的三相电缆暂态温升获取方法

Info

Publication number: CN107918697A
Application number: CN201711006905.XA
Authority: CN
Inventors: 傅晨钊; 司文荣; 李红雷; 姚周飞; 贺林; 包海龙; 黄华玮
Original assignee: State Grid Shanghai Electric Power Co Ltd; East China Power Test and Research Institute Co Ltd
Current assignee: State Grid Shanghai Electric Power Co Ltd; East China Power Test and Research Institute Co Ltd
Priority date: 2017-10-25
Filing date: 2017-10-25
Publication date: 2018-04-17
Anticipated expiration: 2037-10-25
Also published as: CN107918697B

Abstract

本发明涉及一种不依赖表皮温度排管敷设的三相电缆暂态温升获取方法，包括以下步骤：1)构建排管敷设的三相电缆热路模型；2)根据排管敷设的三相电缆热路模型获取排管敷设的三相电缆暂态温升计算模型，并确定三相电缆暂态温升计算模型中的参数值；3)采用三相电缆暂态温升计算模型获取三相电缆暂态温升。与现有技术相比，本发明具有考虑外护套温升与线芯温升、扩展了模型的适用范围、计算简单快速易验证等优点。

Description

不依赖表皮温度排管敷设的三相电缆暂态温升获取方法

技术领域

本发明涉及电力电缆运行技术领域，尤其是涉及一种不依赖表皮温度排管敷设的三相电缆暂态温升获取方法。

背景技术

1)由于电力电缆运行的特殊性，一般不可能通过直接测量去获得电力电缆线芯温度，特别是线芯实时的暂态温度，因此技术人员提出了多种方法去计算电力电缆线芯温度，均为基于数值解和试验结果的工程公式或近似公式。如基于IEC60287标准是一种经典的计算电力电缆线芯温度的计算方法、基于数值计算的载流量求解方法。对于实际运行中的电缆采用数值法求解，考虑到工况的复杂性，所需计算量巨大，具体实施中效率很低，需要的计算时间非常长，而在实际运用当中，运行人员希望的是能够实时获知电力电缆线芯暂态温度，相对于数值计算的时间，这种实时性是无法得到保证的。

2)由于计算的限制，因此运行中多采用加装光线测温等装置来获取电缆表皮温度，进而推算出电缆线芯温度的方法，其原理如图1所示，其中，I1为电缆损耗热流，U1为线芯温度，U0为表皮温度，R1为“线芯-表皮”热阻，C1为“线芯-表皮”热容，实际运行中也发挥了一定的作用。

然而该类方法存在若干缺陷：严重依赖测温装置的健康状况，测温偏差、传输通讯等缺陷将直接制约电缆设备运行的选择。考虑到一回电缆存在若干断面需要进行监测，这样就需要加装多套测温装置，因此整体系统的可靠性极低，这也是目前该类方法无法大范围直接应用的根本原因；为提高装置/系统的整体可靠性，需要增强冗余设计、甚至多套并装的方法，这不仅增大了装置/系统一次投资，而且给后续的运行维护带来了巨大工作量。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种不依赖表皮温度排管敷设的三相电缆暂态温升获取方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种不依赖表皮温度排管敷设的三相电缆暂态温升获取方法，包括以下步骤：

1)构建排管敷设的三相电缆热路模型；

2)根据排管敷设的三相电缆热路模型获取排管敷设的三相电缆暂态温升计算模型，并确定三相电缆暂态温升计算模型中的参数值；

3)采用三相电缆暂态温升计算模型获取三相电缆暂态温升。

所述的步骤1)具体包括以下步骤：

11)获取排管敷设的三相电缆敷设结构以及电缆截面结构参数；

12)建立排管敷设的三相电缆热路模型。

所述的步骤2)具体包括以下步骤：

21)根据排管敷设的三相电缆结构，获取在随机不同电流下的稳态温升数值，并获取三相电缆暂态温升计算模型中稳态参数的参数值，包括线芯-外护套间的热阻R1、电缆外护套对环境的等效热阻R3、电缆线芯电阻rc和电缆护套电阻rs；

22)通过阶跃响应和遗传算法获取三相电缆暂态温升计算模型中暂态参数的参数值，包括断面等效热容的平衡热阻R2、线芯-外护套间的视在热容C1、外护套的视在热容C2、断面等效热容C3和断面等效热阻的平衡热感L1；

23)根据稳态参数的参数值和暂态参数的参数值确定三相电缆暂态温升计算模型。

所述的线芯-外护套间的热阻R1的计算式为：

线芯-外护套间的热阻＝(线芯温升-护套温升)/线芯损耗；

所述的电缆外护套对环境的等效热阻R3的计算式为：

电缆外护套对环境的等效热阻＝护套温升/(线芯损耗+护套损耗)。

所述的步骤3)具体包括以下步骤：

31)以环境温度为温度参考点，根据实时线芯电流Ic、电缆线芯电阻rc和电缆护套电阻rs计算电缆线芯损耗Qc和护套损耗Qs；

32)结合三相电缆暂态温升计算模型求解获取三相电缆暂态温升。

所述的三相电缆暂态温升计算模型的数学表达式为：

其中，U_c为线芯温度，U_s为外皮温度，U_a为环境温度，I₀为线芯及绝缘介质损耗，I₁为线芯温升热流，I₂为线芯到外皮的热流I₃为外皮损耗，I₄和I₅均为外皮到环境自身温升热流，I₆外皮到环境传输温升热流。

所述的电缆介质损耗Qd、电缆线芯电阻rc和电缆护套电阻rs均为与电缆结构相关的常量。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、本发明建立了不依赖于表皮测温的，同时考虑外护套温升与线芯温升的电缆简化热路模型；

二、扩展了模型的适用范围，可应用于排管敷设的三相电缆，且满足外皮电流、介质损耗或铠装层损耗较大的电缆温升计算的需要；

三、本发明的计算模型的确定不依赖于电缆本身发热量或电流大小，只与电缆周围材料的热特性相关，而一般运行温度范围内该类特性可认为基本不变，这样在变换电缆电流时就无需重复有限元等数值计算，直接通过简单的矩阵和迭代即可获得满意的结果。

附图说明

图1为现有单根电力电缆集总参数热路图。

图2为同时考虑外护套温升与线芯温升的电缆简化热路模型。

图3为排管结构示意图。

图4为阶跃负荷后线芯温升与外护套温升过程示意图。

图5为参数提取遗传算法的进化过程。

图6为阶跃负荷后，线芯温升与外护套温升过程对比图。

图7为工况1下的线芯温升计算结果对比图。

图8为工况1下的外护套温升计算结果对比图。

图9为工况2下的线芯温升计算结果对比图。

图10为工况2下的外护套温升计算结果对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

本发明的原理如下：

电力电缆的发热主要取决于电缆损耗与所处断面的热学特征，前者与运行电流及运行温度有明确的对应关系，可直接应用；而后者主要取决于断面的几何参数、各部分的物理参数，可认为在运行温度范围内，物理参数保持不变，这些为模型的建立提供了理论依据。

与图1所示的依赖于表皮温度测量的暂态模型不同，本发明所提模型的温度参考点为环境温度，模型如图2所示。

其中，Qc为电缆线芯损耗，Qd为电缆介质损耗，Qs为外护套损耗。根据电气知识，可知其中线芯电阻具有正的温度系数，护套电阻具有负的温度系数，而介质损耗与温度关联不大。R1为“线芯-外护套”间的热阻，C1为“线芯-外护套”间的视在热容，C2为外护套的视在热容。C3为断面等效热容，R2为断面等效热容的平衡热阻，R3为电缆外护套对环境的等效热阻，L1为断面等效热阻的平衡热感。以上参数反映了电缆向外界散热的发展过程，与外界环境相关，在不考虑外界散热条件变化时，可认为基本保持不变。

本方法的主要步骤包括：

(1)算例描述

计算对象为排管内的一回三芯电缆群，环境温度20℃，排管结构为4*3孔洞如图3所示，高度1.1米，宽度1.3米，排管顶部距地面1.55米，排管热阻系数为1.2K·m/W，土壤的热阻系数均为1.0K·m/W。电缆选择为10kV三相电缆，其截面及结构参数如下表所示。

(2)模型建立

1)稳态参数

利用通用计算软件CYMCAP(本方法采用通用软件计算，实际应用中也可采用其他数值计算或试验方法)求取随机、不同电流下的稳态温升，如表1所示。

表1计算结果

由(线芯温升-护套温升)/线芯损耗，可得到图2中R1；由护套温升/(线芯损耗+护套损耗)，可得到图2中R3。利用表1各数据，可求解不同工况下的R1与R3，取平均后作为图2所示模型的R1与R3，如表2所示。

表2R1与R3计算结果

工况	热阻R1	热阻R3
			1	1.256281	3.084112
2	1.274788	3.052632
			3	1.27044	2.982456
4	1.266174	2.946735
			5	1.266808	2.907895
6	1.269575	2.870515
			平均	1.267344	2.974057

由线芯损耗/(电流*电流)，可得到电缆线芯电阻rc；由护套损耗/(电流*电流)，可得到电缆护套电阻rs。利用表1各数据可求解不同工况下的rc与rs，取平均后作为后续损耗计算的基础数据，如表3所示。

表3线芯电阻rc与护套电阻rs计算结果

损耗的计算：

A)线芯损耗

假定线芯温度T0下的热流量，取Qc＝Ic²*rc*(1+kT0)*k1，其中Ic为线芯电流，rc为电缆线芯在0℃的电阻，k为电阻的温度系数，k1为考虑耦合影响、涡流损耗等的折算系数；

B)护套损耗

假定护套温度T1下的热流量，取Qs＝Is²*rc*k2/(1+kT1)，其中Is为护套电流，rs为电缆护套在0℃的电阻，k为电阻的温度系数，k2为考虑耦合影响、涡流损耗等的折算系数；

C)总损耗

总损耗＝线芯损耗+护套损耗。

2)电缆1暂态参数的获得

A)阶跃响应的求取

设定电缆1的额定电流为360A，环境温度20℃，0+时刻，电流由0跃升为360A，持续时间为96h，计算步长为0.1h，计算软件选择为CYMCAP，线芯温升与外护套温升计算结果如图4所示。

B)暂态参数的遗传算法求取

图2中的元件参数除R1、R3外，皆可进行遗传算法求取。步骤如下：

a.设置参数范围

取C1、C2∈(0,100)，C3∈(0,200)，R1∈(0.001,10)，二进制编码，初始种群数量为200，最大遗传代数为100，交叉概率0.75，变异概率0.3。

b.设置适应度函数

根据图2所示模型的线芯暂态温升响应mc(i)与外护套暂态温升响应ms(i)，与图7所示计算线芯暂态温升响应Tc(i)与外护套暂态温升响应Ts(i)，两组曲线的偏差作为适应度函数，取

c.设置收敛判据

达到最大遗传代数时的适应度函数小于960*0.1*0.1*2＝19.2，即认为收敛。图5为遗传算法的进化过程。计算结果为：C1＝22.02，C2＝35.17，R2＝1.53，C3＝80.47。

根据上述参数，计算的阶跃响应如图6所示。

(3)模型的验证

1)工况1

电缆1施加电流，工况：0-24h，1.0额定电流(下同)；24-48h，0.5；48-72h，1.25；72-96h，0.75。将上述模型应用结果mc、ms与CYMCAP直接计算结果Tc、Ts相比较，如图7、图8所示。

误差统计如表4所示，最大偏差均小于3K，表明了该模型的可行性与准确性。

表4误差统计结果

2)工况2

电缆1施加电流，Day1：0-2h：0.8额定电流(下同)；2-4h：0.4；4-6h：0.9；6-8h：0.8；8-10h，0.5；10-12h：0.5；12-14h：0.2；14-16h：0.5；16-18h：0.3；18-20h，0.8；20-22h：0.6；22-24h：0.3。Day2：同day1。

将上述模型应用结果mc、ms与CYMCAP直接计算结果Tc、Ts相比较，如图9、图10所示。

误差统计如表5所示，最大偏差均小于3K，表明了该模型的可行性与准确性。

表5误差统计结果

Claims

1.一种不依赖表皮温度排管敷设的三相电缆暂态温升获取方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)构建排管敷设的三相电缆热路模型；

3)采用三相电缆暂态温升计算模型获取三相电缆暂态温升。

2.根据权利要求1所述的一种不依赖表皮温度排管敷设的三相电缆暂态温升获取方法，其特征在于，所述的步骤1)具体包括以下步骤：

12)建立排管敷设的三相电缆热路模型。

3.根据权利要求1所述的一种不依赖表皮温度排管敷设的三相电缆暂态温升获取方法，其特征在于，所述的步骤2)具体包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的一种不依赖表皮温度排管敷设的三相电缆暂态温升获取方法，其特征在于，所述的线芯-外护套间的热阻R1的计算式为：

线芯-外护套间的热阻＝(线芯温升-护套温升)/线芯损耗；

所述的电缆外护套对环境的等效热阻R3的计算式为：

5.根据权利要求3所述的一种不依赖表皮温度排管敷设的三相电缆暂态温升获取方法，其特征在于，所述的步骤3)具体包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的一种不依赖表皮温度排管敷设的三相电缆暂态温升获取方法，其特征在于，所述的三相电缆暂态温升计算模型的数学表达式为：

其中，其中，U_c为线芯温度，U_s为外皮温度，U_a为环境温度，I₀为线芯及绝缘介质损耗，I₁为线芯温升热流，I₂为线芯到外皮的热流I₃为外皮损耗，I₄和I₅均为外皮到环境自身温升热流，I₆外皮到环境传输温升热流。

7.根据权利要求6所述的一种不依赖表皮温度排管敷设的三相电缆暂态温升获取方法，其特征在于，所述的电缆介质损耗Qd、电缆线芯电阻rc和电缆护套电阻rs均为与电缆结构相关的常量。