CN108595722B - 一种综合管廊电力舱温度监控方法 - Google Patents

一种综合管廊电力舱温度监控方法 Download PDF

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Abstract

一种综合管廊电力舱温度监控方法，根据某综合管廊电力舱实际数据，建立综合管廊电力舱二维模型，对不同回路、不同电压等级电缆线路施加实际正常运行时的常规电流。考虑电力舱内空气自然对流的散热状态，采用有限元法进行电磁场、流场、温度场耦合数值计算，根据计算结果，在温度较高的空气区域选取多条温度观测线，读取计算结果中观测线上各温度值，拟合成温度曲线进行对比分析，得到电力舱内环境温度最高的点，在进行电力舱内火灾消防布置温度监控时，对此处进行温度监测。相比目前采用每层电缆表面铺设探测器的方法，本发明一种综合管廊电力舱温度监控方法，极大的降低了工程造价，节约了综合管廊运行维护成本。

Description

一种综合管廊电力舱温度监控方法
技术领域
本发明一种综合管廊电力舱温度监控方法，涉及城市地下综合管廊电力舱消防安全领域。
背景技术
由于城市地下综合管廊电力舱室内部存在大量不同回路不同电压等级的电力电缆线路，而且综合管廊通风散热环境恶劣，一旦某根电缆起火，会很快波及相邻电缆，造成电缆成束延燃，并引起短路造成火灾快速蔓延、火势猛烈，难以控制。大量的综合管廊发生火灾表明，一旦电力舱引发火灾，如果不能及早发现并采取措施，大火会蔓延到其他舱室，如通讯舱、热力舱等，对社会生产及居民生活造成严重影响，带来巨大的经济损失。因此，预防综合管廊电力舱火灾的发生意义重大。
目前针对综合管廊电力舱内温度监控的研究主要集中在温度监控系统的研究，其中包括温度检测传感器的研究、系统模块的研究等，对于如何有效的布置温度监控点研究较少，有文献也提到在每层电缆上表面铺设光纤感温火灾探测器。由于不同城市的综合管廊，其电力舱中电缆线路布置形式不同，用统一模式的温度监控系统无法更有针对性、更有效的去实施监控。且如果在每层电缆都铺设探测器，虽然可以大范围地实现温度监控，但是也大大提高了工程造价，极大地提高了综合管廊的运维成本。
发明内容
针对上述综合管廊电力舱内温度监控的弊端，本发明提供一种综合管廊电力舱温度监控方法，得到的最高温度点与实际工程对象符合，而不是通过一种统一布置监控系统的方法来实现温度监测，这样的监测更具有针对性，更为有效。相比目前采用每层电缆表面铺设探测器的方法，本发明方法极大的降低了工程造价，节约了综合管廊运行维护成本。
本发明采取的技术方案为：
一种综合管廊电力舱温度监控方法，根据某综合管廊电力舱实际数据，建立综合管廊电力舱二维模型，对不同回路、不同电压等级电缆线路施加实际正常运行时的常规电流；
考虑电力舱内空气自然对流的散热状态，采用有限元法进行电磁场、流场、温度场耦合数值计算，根据计算结果，在温度较高的空气区域选取多条温度观测线，读取计算结果中观测线上各温度值，拟合成温度曲线进行对比分析，得到电力舱内环境温度最高的点，在进行电力舱内火灾消防布置温度监控时，对此处进行温度监测。
本发明一种综合管廊电力舱温度监控方法，技术效果如下：
1)、针对具体的城市综合管廊电力舱工程实际模型，加载实际运行电流进行分析，得到的最高温度点与实际工程对象符合，而不是通过一种统一布置监控系统的方法来实现温度监测，这样的监测更具有针对性，更为有效。
2)、相比目前采用每层电缆表面铺设探测器的方法，本方法极大的降低了工程造价，节约了综合管廊运行维护成本。
附图说明
图1为某市地下综合管廊工程设计图，其中中间的舱室为电力舱。
图2为综合管廊电力舱的二维模型图。
图3为计算域中导体上电流密度分布图。
图4为电力舱中温度分布图。
图5为在温度较高的空气区域选取4条温度观测线图。
图6为有限元计算结果中观测线上各温度值，拟合成温度曲线图。
图7为带有环境温度最高A的电力舱内环境温度分布图。
具体实施方式
一种综合管廊电力舱温度监控方法，根据工程实际中的综合管廊电力舱实际数据，建立综合管廊电力舱二维模型，对不同回路、不同电压等级电缆线路施加实际正常运行时的常规电流，考虑电力舱内空气自然对流的散热状态，采用有限元法进行电磁场、流场、温度场耦合数值计算，根据计算结果，在温度较高的空气区域选取4条温度观测线，读取计算结果中观测线上各温度值，拟合成温度曲线进行对比分析，得到电力舱内环境温度最高的点，在进行电力舱内火灾消防布置温度监控时应对此处进行重点的温度检测，以确保运行安全。
一种综合管廊电力舱温度监控方法，包括以下步骤：
步骤1：根据工程实际中的综合管廊电力舱实际数据，如：电力舱各部分几何尺寸、电力舱中电缆线路布置情况，包括电缆线路电压等级、电缆线路回路数、电缆敷设方式等，建立综合管廊电力舱二维模型，其中包括电力舱四周围墙面、电力舱中各回路不同电压等级电力电缆、电缆钢支架、空气。
步骤2：针对不同回路不同电压等级的电缆线路，电缆缆芯铜导体区域，加载实际运行时的常规电流，对整个二维模型的计算区域，采用有限元法进行电磁场数值计算，通过对电磁场控制方程(1)-(3)进行有限元数值计算得到导体区域的电磁损耗Q；
Figure BDA0001498370220000031
Figure BDA0001498370220000032
Figure BDA0001498370220000033
式中
Figure BDA0001498370220000034
是哈密顿算子，即矢量的微分算符；
Figure BDA0001498370220000035
为矢量磁位的相量形式；
Figure BDA0001498370220000036
标量电位的相量形式；j为复数的虚部单位；ω为电缆缆芯通过电流的角频率；σ为导体区域的电导率；μ为导体区域的相对磁导率；
Figure BDA0001498370220000037
为源电流密度，即电缆缆芯加载的电流密度；J为导体区域的电流密度；Q为电磁损耗，包括源电流及涡流引起的损耗；V1是涡流区，即电缆钢支架，由于交变磁场影响，会产生感应涡流；V2为源电流区，即电缆的缆芯，通过的是运行电流；Ω为计算产生电磁损耗的导体区域，即电缆缆芯、钢支架。
步骤3：由于综合管廊电力舱在地下，没有设置强制通风的情况下，内部散热形式为空气的自然对流，自然对流动量微分方程(4)、(5)和能量方程(6)联立求解，此外还需要同时计算热传导方程(7)，采用有限元法进行流场与温度场的直接耦合计算，得到电力舱中温度分布情况；
Figure BDA0001498370220000038
Figure BDA0001498370220000039
Figure BDA00014983702200000310
Figure BDA00014983702200000311
(4)、(5)式中：ρ是空气密度；vx、vy是空气在x、y方向的速度分量；αV是空气膨胀系数；g是重力加速度；T是求解的空气温度；T∞是趋于稳态时温度值；μ是空气的粘性系数。
(6)式中：ρ是空气密度；c是空气比热容；k是空气热导率；
Figure BDA00014983702200000312
是拉普拉斯算子；T是求解的空气温度；Q是热量。
(7)式中：Q是热量；kx,ky分别表示热导率的各向异性参数；T是求解的空气温度。
步骤4：针对温度计算结果，在温度较高的空气区域选取3-4条温度观测线，读取步骤3有限元法的计算结果中观测线上各温度值，拟合成温度曲线进行对比分析，得到电力舱内环境温度最高的点，在进行电力舱内火灾消防布置温度监控时，对此处进行重点的温度检测，以确保运行安全。
以湖北某城市地下综合管廊电力舱为例：
图1为某市地下综合管廊工程设计图，其中中间的舱室为电力舱。
按照步骤1首先建立电力舱的二维模型，如图2所示。其中包括10kV水平排列多回电缆线路、四回110kV品字形排列电缆线路、两回220kV品字形排列电缆线路，及每层电缆线路钢支架。
根据步骤2针对不同回路、不同电压等级的电缆线路，如：电力舱左侧每层支架上水平排列放置四回10kV电缆线路；电力舱右侧上面四层支架上分别品字形排列放置四回110kV电缆线路，下面两层支架品字形排列放置两回电缆线路。电缆缆芯铜导体区域，加载正常运行时的电流，其中10kV电缆加载200A工频电流，110kV电缆加载300A工频电流，220kV电缆加载500A工频电流，对整个二维模型的计算区域采用有限元法进行电磁场数值计算，可得到导体区域的电磁损耗Q。
图3为计算域中导体上电流密度分布情况。图3中，颜色偏红部分电流密度较大，颜色偏蓝部分电流密度较小直至0，由图3可知电缆缆芯铜导体电流密度最大达到970801A/m2，电缆钢支架上有部分感应涡流，但大小远小于缆芯，电力舱为混凝土材料，不导磁也不导电，无感应涡流。
根据步骤3，考虑电力舱内为空气自然对流散热，采用有限元法进行流场与温度场的直接耦合计算，得到电力舱中温度分布情况，如图4所示。图4中，颜色偏红部分温度较高，颜色偏蓝部分温度较低，其中温度最高为45.8℃，主要分布在左侧10kV电缆线路缆芯部分，最低为18.3℃，主要分布在电力舱周围混凝土墙。从图中也可看出热空气向顶部运动，冷空气向下，左侧10kV电缆线路上面第2-4层支架间空气温度较高。
根据步骤4，在温度较高的空气区域选取4条温度观测线，如图5所示。图5中电力舱左侧10kV电缆线路区域竖直方向，画出四条平行排列的不同型式虚线为温度的观测线，两点划线的虚线为1号观测线，点划线的虚线为2号观测线，分段虚线为3号观测线，点虚线为4号观测线，然后分别沿这四条虚线的路径，电力舱下边沿为路径起点，上边沿为路径终点，读取温度曲线。
读取步骤3有限元计算结果中观测线上各温度值，拟合成温度曲线，如图6所示，图6中蓝色、红色、黑色、绿色曲线分别为图5中1号、2号、3号、4号观测线上温度分布情况，横坐标起点为电力舱下边沿处，温度最大点为由下至上第四层红色温度曲线顶点。
通过对比分析，得到电力舱内环境温度最高的点为图7中的A点处，在此处设置温度监控系统，可以更有效地实施温度预警。

Claims (2)

1.一种综合管廊电力舱温度监控方法，其特征在于：根据综合管廊电力舱实际数据，建立综合管廊电力舱二维模型，对不同回路、不同电压等级电缆线路施加实际正常运行时的常规电流；
考虑电力舱内空气自然对流的散热状态，采用有限元法进行电磁场、流场、温度场耦合数值计算，根据计算结果，在温度较高的空气区域选取多条温度观测线，读取计算结果中观测线上各温度值，拟合成温度曲线进行对比分析，得到电力舱内环境温度最高的点，在进行电力舱内火灾消防布置温度监控时，对此处进行温度监测。
2.一种综合管廊电力舱温度监控方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：根据工程实际中的综合管廊电力舱实际数据，建立综合管廊电力舱二维模型，其中包括电力舱四周围墙面、电力舱中各回路不同电压等级电力电缆、电缆钢支架、空气；
步骤2：针对不同回路不同电压等级的电缆线路，电缆缆芯铜导体区域，加载实际运行时的常规电流，对整个二维模型的计算区域，采用有限元法进行电磁场数值计算，通过对电磁场控制方程(1)-(3)进行有限元数值计算得到导体区域的电磁损耗Q；
Figure FDA0003312760840000011
Figure FDA0003312760840000012
Figure FDA0003312760840000013
式中
Figure FDA0003312760840000014
是哈密顿算子，即矢量的微分算符；
Figure FDA0003312760840000015
为矢量磁位的相量形式；
Figure FDA0003312760840000016
标量电位的相量形式；j为复数的虚部单位；ω为电缆缆芯通过电流的角频率；σ为导体区域的电导率；μ为导体区域的相对磁导率；
Figure FDA0003312760840000017
为源电流密度，即电缆缆芯加载的电流密度；J为导体区域的电流密度；Q为电磁损耗，包括源电流及涡流引起的损耗；V1是涡流区，即电缆钢支架，由于交变磁场影响，会产生感应涡流；V2为源电流区，即电缆的缆芯，通过的是运行电流；Ω为计算产生电磁损耗的导体区域，即电缆缆芯、钢支架；
步骤3：由于综合管廊电力舱在地下，没有设置强制通风的情况下，内部散热形式为空气的自然对流，自然对流动量微分方程(4)、(5)和能量方程(6)联立求解，此外还需要同时计算热传导方程(7)，采用有限元法进行流场与温度场的直接耦合计算，得到电力舱中温度分布情况；
Figure FDA0003312760840000021
Figure FDA0003312760840000022
Figure FDA0003312760840000023
Figure FDA0003312760840000024
(4)、(5)式中：ρ是空气密度；vx、vy是空气在x、y方向的速度分量；αV是空气膨胀系数；g是重力加速度；T是求解的空气温度；T∞是趋于稳态时温度值；μ是空气的粘性系数；
(6)式中：ρ是空气密度；c是空气比热容；k是空气热导率；
Figure FDA0003312760840000025
是拉普拉斯算子；T是求解的空气温度；Q是热量；
(7)式中：Q是热量；kx,ky分别表示热导率的各向异性参数；T是求解的空气温度；
步骤4：针对温度计算结果，在温度较高的空气区域选取3-4条温度观测线，读取步骤3有限元法的计算结果中观测线上各温度值，拟合成温度曲线进行对比分析，得到电力舱内环境温度最高的点，在进行电力舱内火灾消防布置温度监控时，对此处进行重点的温度检测。
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