CN110487844B - 一种电力电缆绝缘层温度及绝缘失效的评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力电缆运行与状态监测的技术领域，更具体地，涉及一种电力电缆绝缘层温度及绝缘失效的评估方法。本发明提供的一种谐波电流对电缆温度影响的计算方法，通过实测线路中谐波电流的主要次数和含量，结合电缆及其终端外表面温度的测量值，即可计算得到绝缘层温度。再将计算得到的温度导入热老化方程进行计算，最终得到电缆绝缘层的使用寿命。

Description

一种电力电缆绝缘层温度及绝缘失效的评估方法

技术领域

本发明涉及电力电缆运行与状态监测的技术领域，更具体地，涉及一种电力电缆绝缘层温度及绝缘失效的评估方法。

背景技术

随着电力系统中的非线性负载逐渐增加，导致线路中存在大量超标的谐波电流和电压，使得输电线路的电能质量严重下降。当电力谐波畸变严重时，线路的负荷会急剧增加、损耗增大，导致电缆及其附件的运行温度过高，绝缘层老化问题突出。尤其以谐波电流作用而导致的电缆及其附件过热问题需要引起电力行业的重视。

由于电缆的绝缘层温度不能直接测量，因此目前需要一种基于谐波电流含量和电缆导体有效截面积，进行较为准确的计算出电缆温度的方法。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题，提供一种电力电缆绝缘层温度及绝缘失效的评估方法，可较为精确的计算含有多次谐波电流时电缆绝缘层温度间接计算及老化评估。

本发明的技术方案是：一种电力电缆绝缘层温度及绝缘失效的评估方法，其中，包括以下步骤：

S1.根据敷设于空间域中的电缆及附件的几何尺寸，分别建立电缆及其终端的几何模型；在软件中输入材料的电气参数和热参数；

S2.集合步骤S1中的设置，根据单一变量原则建立多组电-热耦合计算模型，并通过软件仿真获得多组绝缘层温度数据；同一组类型的计算模型，仅改变一个变量；

S3.根据步骤S2中记录的多组电缆绝缘层温度数据，利用最小二乘法，得到电缆绝缘层变化温度、频率、电流和电缆线芯截面积的表达式；

S4.根据步骤S3中的结果，得到多组单一频率电流时电缆绝缘层最高变化温度，使用多元函数线性拟合，得到在含有多次谐波电流时电流绝缘层温度计算表达式；

S5.根据步骤S3、S4，推算得到含多种谐波电流时电缆绝缘层的温度；

S6.根据步骤S5中得到的含多种谐波电流时电缆绝缘层的温度，结合公式，得到电缆绝缘材料的使用寿命与温度的关系表达式。

进一步的，所述的步骤S1中，具体为：

在有限元仿真软件ANSYS中分别建立电缆及其终端的几何模型；

电缆材料包括：铜导体、内外半导电屏蔽、交联聚乙烯绝缘、铜屏蔽、外护套；

鉴于电缆实际运行中同时存在电压和电流，使用电-热耦合法求出电缆在电压和电流同时作用下的温度场分布。

ANSYS软件电-热耦合法具体操作步骤如下：

A.根据电缆的几何尺寸建立电缆的2D、3D模型；

B.将几何模型分别建立有限元的交流电场和涡流场的计算模型，并赋予集合结构材料电磁参数，并设置导通电流，求解获得电缆的空间磁场分布和电磁损耗；

C.将交流电场和涡流场求解获得的数据导入温度场中，并设置材料的热学参数、环境温度，求解获得电缆的温度分布图并记录温度数据。

进一步的，步骤S2中，同一组类型的计算模型，仅改变一个变量，如输入电流大小、电流频率、线缆截面积等。

进一步的，所述的步骤S3中，

电缆绝缘层变化温度、频率、电流和电缆线芯截面积的表达式：如下

ΔT＝T-T₀＝|p₀₀+p₁₀x+p₀₁y+p20x²+p₁₁xy+p₀₂y²+ p₃₀x³+p₂₁x²y+p₁₂xy²+p₀₃y³+p₄₀x⁴+p₃₁x³y+p₂₂x²y²+p₁₃xy³+p₀₄y⁴| (1)

其中：ΔT为变化温度；T为线缆绝缘层温度；T₀为环境温度；x为电流频率；y为电流密度，即y＝I/S，I为导通电流，S为电线线芯截面积；P_ij拟合为系数(i＝1,2…；j＝1,2…)；“||”表示取绝对值；

使用最小二乘法进行数据拟合，即可求出各系数的值。

进一步的，所述的步骤S4中，

含有多次谐波电流时电流绝缘层温度计算表达式：

其中，T表示含有多次谐波电流时电缆绝缘层的最高温度，ΔT_n为某一电流频率下电缆绝缘层的变化温度，T₀为环境温度。

进一步的，步骤S5中，在实际运行中，电缆绝缘层温度不能直接测量，通过实测电缆线路中含有率超过1％的谐波电流次数n和谐波电流值In，结合电缆环境温度实测数据T₀，根据步骤S3、S4中的关系式(1)、(2)，即可推算得到含多种谐波电流时电缆绝缘层的温度。

进一步的，所述的步骤S6中，

结合在化学反应动力学中，由反应速率方程及Amhenius方程，电缆绝缘材料的使用寿命与温度的关系表达式：

其中，τ为材料的寿命；T为材料本身的温度，a为规定失效性能相关常数； E为活化能；R为气体常数。

与现有技术相比，有益效果是：本发明提供的一种谐波电流对电缆温度影响的计算方法，通过实测线路中谐波电流的主要次数和含量，结合电缆及其终端外表面温度的测量值，即可计算得到绝缘层温度。再将计算得到的温度导入热老化方程进行计算，最终得到电缆绝缘层的使用寿命。

本发明具有准确高、针对性强的特点，可以更好的对电缆内部温度进行评估。计算得到电缆绝缘层在不同谐波电流作用下的温度，探究谐波电流含量与绝缘层温度之间的关系，继而使用参数拟合，求出一种基于绝缘层温度与谐波电流和表面温度的关系式，为电缆在含有谐波电流时的绝缘层温度计算提供了参考依据，并对结合老化方程得出绝缘失效时间，对于电缆线路的安全运行有着重要意义。

附图说明

图1为本发明电缆的截面。

图2为本发明有限元仿真流程图。

图3为本发明某谐波影响下150mm2电缆(400A)内部温度分布图。

图4为本发明温度、频率和电流密度曲面拟合。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

如图2所示：本发明所述一种含谐波电流的电缆及其终端绝缘层温度计算方法，包括如下步骤，图1是电缆的几何模型，由于电缆和电缆终端绝缘层温度计算方法相同，故以某供电公司敷设的220kV电缆为例：

根据设计需求，建立敷设于空间域中电缆的几何模型。设定电缆各参数：电缆的几何尺寸；电缆的电气参数和热参数；

设定环境温度为22℃，对流换热系数可近似取值为8W/(m2·℃)。确定热源后，根据电-热耦合法在有限元仿真软件Ansys中得到电缆在仅含工频电压和电流时的内部温度场分布。改变外施电流有效值大小，即可仿真得到不同基波电流大小时电缆绝缘层最高温度和表面温度数据。

由于实际电网中，电流谐波成分主要为5次、7次和11次，因此，在有限元软件中模拟对应的谐波含有率的输入电流，使用有限元法，改变外施电流的频率和大小，即仿真可得到单次谐波电流作用下电缆绝缘层温度。

将电流I除以电缆线芯截面积S，得到一个变量，我们定义为电流密度A；将电流密度A、电流频率f和绝缘层温度T数据整理成表格。将电流密度A、电流频率f作为自变量，绝缘层温度T作为应变量，利用最小二乘法拟合公式(公式类型如公式3所示)和曲面，并调节公式中的变量前的系数，使得拟合曲面尽可能覆盖更多的点。拟合的公式和系数如下表达式，拟合曲面如图4所示：

ΔT＝T-T₀＝|38.82-1.11x+6.077y+7.845×10^-3·x²+0.1545xy+-1.558y²- -1.977×10^-5·x³-7.822×10^-4·x²y+0.01686xy²+0.1188y³+1.632×10^-8·x⁴+ 9.429×10^-7·x³y-2.265×10^-5x²y²+8.913×10^-05·xy³-3.698×10^-3·y⁴|

多次谐波电流下电缆的温差ΔTn与总谐波叠加下电缆的温差ΔT的关系可表达为：

T＝0.475ΔT₁+0.761ΔT₅+0.694ΔT₇+0.673ΔT₁₁+22

其中n取值为5、7、11。

将上式子所得带入老化公式(公式4)，

可得到电缆绝缘材料失效的时间。对于例子使用的绝缘材料，活化能E取值为120397.5012，规定失效性能相关常数a的取值为-10870，此数据需要具体实验测得。

本发明在面对日常电缆的运行时，根据实测谐波电流成分及含量，可计算电缆及其终端内部的绝缘层温度，具有准确高、针对性强的特点，可以更好的对电缆绝缘层温度和失效时间进行评估。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种电力电缆绝缘层温度及绝缘失效的评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.根据敷设于空间域中的电缆及附件的几何尺寸，分别建立电缆及其终端的几何模型；在软件中输入材料的电气参数和热参数；

S2.集合步骤S1中的设置，根据单一变量原则建立多组电-热耦合计算模型，并通过软件仿真获得多组绝缘层温度数据；同一组类型的计算模型，仅改变一个变量；

S3.根据步骤S2中记录的多组电缆绝缘层温度数据，利用最小二乘法，得到电缆绝缘层变化温度、频率、电流和电缆线芯截面积的表达式；

S4.根据步骤S3中的结果，得到多组单一频率电流时电缆绝缘层最高变化温度，使用多元函数线性拟合，得到在含有多次谐波电流时电流绝缘层温度计算表达式；

S5.根据步骤S3、S4，推算得到含多种谐波电流时电缆绝缘层的温度；

S6.根据步骤S5中得到的含多种谐波电流时电缆绝缘层的温度，结合公式，得到电缆绝缘材料的使用寿命与温度的关系表达式。

2.根据权利要求1所述的一种电力电缆绝缘层温度及绝缘失效的评估方法，其特征在于：所述的步骤S1中，具体为：

在有限元仿真软件ANSYS中分别建立电缆及其终端的几何模型；

电缆材料包括：铜导体、内外半导电屏蔽、交联聚乙烯绝缘、铜屏蔽、外护套；

使用电-热耦合法求出电缆在电压和电流同时作用下的温度场分布。

3.根据权利要求2所述的一种电力电缆绝缘层温度及绝缘失效的评估方法，其特征在于：ANSYS软件电-热耦合法具体操作步骤如下：

A.根据电缆的几何尺寸建立电缆的2D、3D模型；

B.将几何模型分别建立有限元的交流电场和涡流场的计算模型，并赋予集合结构材料电磁参数，并设置导通电流，求解获得电缆的空间磁场分布和电磁损耗；

C.将交流电场和涡流场求解获得的数据导入温度场中，并设置材料的热学参数、环境温度，求解获得电缆的温度分布图并记录温度数据。

4.根据权利要求1所述的一种电力电缆绝缘层温度及绝缘失效的评估方法，其特征在于：所述的步骤S3中，

电缆绝缘层变化温度、频率、电流和电缆线芯截面积的表达式：如下

其中：ΔT为变化温度；T为线缆绝缘层温度；T₀为环境温度；x为电流频率；y为电流密度，即y＝I/S，I为导通电流，S为电线线芯截面积；P_ij拟合为系数(i＝1,2…；j＝1,2…)；“||”表示取绝对值；

使用最小二乘法进行数据拟合，即可求出各系数的值。

5.根据权利要求4所述的一种电力电缆绝缘层温度及绝缘失效的评估方法，其特征在于：所述的步骤S4中，

含有多次谐波电流时电流绝缘层温度计算表达式：

其中，T表示含有多次谐波电流时电缆绝缘层的最高温度，ΔT_n为某一电流频率下电缆绝缘层的变化温度，T₀为环境温度。

6.根据权利要求5所述的一种电力电缆绝缘层温度及绝缘失效的评估方法，其特征在于：所述的步骤S5中，

通过实测电缆线路中含有率超过1％的谐波电流次数n和谐波电流值In，结合电缆环境温度实测数据T₀，根据步骤S3、S4中的关系式(1)、(2)，即可推算得到含多种谐波电流时电缆绝缘层的温度。

7.根据权利要求6所述的一种电力电缆绝缘层温度及绝缘失效的评估方法，其特征在于：所述的步骤S6中，

结合在化学反应动力学中，由反应速率方程及Amhenius方程，电缆绝缘材料的使用寿命与温度的关系表达式：

其中，τ为材料的寿命；T为材料本身的温度，a为规定失效性能相关常数；

E为活化能；R为气体常数。

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