CN111077181B - 一种中低压电缆外表面与土壤接触热阻的测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中低压电缆外表面与土壤接触热阻的测试装置及方法，是在圆筒结构内将液压膜、土壤和中低压电缆由外向内依次设置且紧密接触，并在上、下端面加设隔热层，营造出沿圆筒壁径向的一维稳态导热环境；液压膜将其外侧的油压传递给内侧的土壤，使土壤沿径向被压紧并与电缆均匀接触；电缆接通电源并达到稳态导热后，利用布置在土壤内部的多个温度传感器测量土壤内部不同半径位点的温度值，再按照现有方法测量出电缆缆芯的温度值；根据圆筒壁径向一维稳态导热模型，计算电缆外表面和土壤之间的接触热阻，同时计算土壤的热导率。

Description

一种中低压电缆外表面与土壤接触热阻的测试装置及方法

技术领域

本发明涉及一种接触热阻的测试装置及方法，具体涉及一种中低压电缆外表面与土壤接触热阻的测试装置及方法，属于工程热物理、热工学、电气工程领域。本研究得到国网浙江省电力有限公司科技项目(5211DS17002N)资助。

背景技术

随着经济的发展和城市规模的扩大，电力输送的方式逐渐由架空线路向地下电缆转变。土壤直埋是地下电缆的一种敷设方式，一般适用于中低压电缆，即35kV以下的电缆。土壤直埋电缆外表面与土壤直接接触，而电缆工作时产生的热损耗需要通过周围介质带走，所以这类电缆周围的土壤环境决定了其散热条件。电缆外表面与土壤在微观上是凹凸不平的，因此两者的直接接触只发生在一些离散的点上，其余大部分则是空气或其它介质。这种不完全接触会产生接触热阻，其大小关系到电缆的散热效率，进而影响电缆载流量，即电缆长期工作时通过缆芯导体的电流大小。目前：IEC-60287标准给出的计算电缆内部热阻的公式精度较高，但计算电缆外表面与土壤接触热阻的公式精度较低且适用范围不广；ASTM D5470-17标准能够有效测试在一定轴向压力下接触面为平面的两种固体材料之间的接触热阻，但土壤需沿径向被压紧且电缆外表面与土壤的接触面是环形曲面。因此，现有方法难以准确计算和测试电缆外表面与土壤之间的接触热阻，这给土壤直埋电缆载流量的准确预测造成了很大困难。

发明内容

针对现有技术中对电缆外表面与土壤接触热阻的测试研究存在的不足，本发明提出了一种中低压电缆外表面与土壤接触热阻的测试方法，能对中低压电缆外表面与土壤的接触热阻进行有效测试，且能测得土壤的热导率。

所述的测试方法将液压膜、土壤和中低压电缆由外向内依次紧密连接，形成圆筒结构，并在上、下端面加设隔热层，营造出沿圆筒壁径向的一维稳态导热环境；液压膜为一层传递液体压力的膜，将其外侧的油压传递给内侧的土壤，使土壤沿径向被压紧并与电缆均匀接触；电缆接通电源并达到稳态导热后，利用布置在土壤内部的多个温度传感器测量土壤内部不同半径位点的温度值，按照《基于温度场梯度和热功率传导模型的电缆芯温度测量方法》(申请公布号：CN 108801501A)提出的方法测量电缆缆芯的温度值；根据圆筒壁径向一维稳态导热模型，计算电缆外表面和土壤之间的接触热阻，同时计算土壤的热导率。

为实现上述测试方法，本发明配套了一种中低压电缆外表面与土壤接触热阻的测试装置，包括储油箱、输油管道、油泵、阀门、压力计、测试筒，其中测试筒由进油孔、筒壁、液压油区、液压膜、土壤、待测接触面、电缆、温度传感器、上密封圈、上端盖、上隔热层、下隔热层、排油孔、下端盖、下密封圈构成；具体而言，测试筒由外向内依次为筒壁、液压油区、液压膜、土壤、待测接触面、电缆；筒壁、上端盖、下端盖采用不溶于液压油的材料；筒壁设有一个进油孔；上端盖设有多个温度传感器插入的孔位；上端盖、下端盖的中心设有一个电缆插入的孔位；下端盖设有用于固定液压膜的凹槽和一个排油孔；筒壁与上端盖、下端盖的结合处分别设有上密封圈、下密封圈；液压膜采用液压油无法渗透的材料；上隔热层、下隔热层均采用以纳米二氧化硅气凝胶为主体材料的气凝胶毡；土壤内部布置有多个温度传感器，与计算机终端相连；电缆和土壤紧密接触，与一个额定电阻串联后同直流电源相连。

该装置中，土壤需事先烘干，避免测试过程中发生水分迁移，保证其内部的均一性；土壤内部的多个温度传感器的布置位点需在同一水平面的一条直线上；电缆插入测试筒内的部分需保持竖直；上端盖、下端盖所设的各孔位的直径不能过大，需与电缆、温度传感器的直径相匹配，以降低热耗散。

本发明所述的一种中低压电缆外表面与土壤接触热阻的测试装置及方法，采用环形液压膜传递液压的方式使土壤沿径向被压紧且与电缆外表面均匀接触，克服了现有技术无法均匀控制径向压力、只能准确测试接触面为平面的两种材料之间的接触热阻等不足，能够复现土壤直埋电缆的实际敷设情况且有效测试电缆外表面与土壤之间的接触热阻，测试结果能够为工程上准确预测土壤直埋电缆载流量提供依据。

附图说明

图1为测试装置连接示意图

图2为测试筒结构示意图

图3为圆筒壁径向一维稳态导热模型俯视图

图中：1储油箱；2输油管道；3油泵；4阀门；5压力计；6测试筒；7进油孔；8筒壁；9液压油区；10液压膜；11土壤；12待测接触面；13电缆；14温度传感器；15上密封圈；16上端盖；17上隔热层；18下隔热层；19排油孔；20下端盖；21下密封圈。

具体实施方式

如图1～3所示，一种中低压电缆外表面与土壤接触热阻的测试装置及方法，以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例如下：

第一部分，装置连接与数据采集

将测试筒6的各部分按照下述方式进行连接：连接筒壁8与下端盖20，并用下密封圈21密封；在下端盖20内所设凹槽处嵌入液压膜10；在既定位置布置电缆13和下隔热层18；在液压膜10和电缆13之间填入适量事先烘干的土壤11；在土壤11上方布置上隔热层17；连接筒壁8与上端盖16，并用上密封圈15密封；注意关闭排油孔19。

将储油箱1、各段输油管道2、油泵3、阀门4、压力计5依次连接后，再与测试筒6的进油孔7连接。

装置连接准确无误后，打开阀门4并开启油泵3，使储油箱1中的液压油经油泵3加压后从进油孔7流入并充满测试筒6内的液压油区9；液压膜10将液压油区9的压强传递给土壤11，使土壤11被压紧并与电缆13充分接触；调控油泵3的功率可以调节液压油的压缩程度，压力计5用于监测液压油的压强。

为防止电流过大，将电缆12与一个额定电阻串联后同直流电源相连；接通电源，将电流设置为一恒定值，电缆12因电流热效应向周围散热；当各测试点温度值变化不超过0.5℃时，认为导热已达稳态，此时记录各测试点的温度值。

测试过程结束后，切断直流电源避免电能浪费，并打开排油孔19将液压油区9的液压油回收至储油箱1内。

第二部分，待测接触面热阻计算

上隔热层17、下隔热层18能阻断轴向传热，使电缆13发出的热量沿径向传递，因此从电缆13缆芯导体到土壤11内某一温度测试点j(j＝1,2,…)的导热视为沿圆筒壁的径向一维导热；根据热阻的定义，达到稳态后，通过整个圆筒壁的热流量φ与圆筒壁的总热阻θ_t的乘积等于缆芯导体温度T₀与该温度测试点j的温度T_j之差，即

T₀-T_j＝φθ_t (1)

通过整个圆筒壁的热流量φ等于缆芯导体的热损耗；设缆芯导体在温度为T₀时的单位长度的直流电阻率为ρ，待测接触面12的长度为L，则φ可表示为

φ＝I²ρL (2)

圆筒壁的总热阻θ_t包括电缆13内部的总热阻θ_i、待测接触面12的热阻θ_c、土壤11的热阻θ_s，即

θ_t＝θ_i+θ_c+θ_s (3)

电缆13内部的总热阻θ_i包括缆芯导体和金属套之间的热阻θ_i1、金属套和铠装层之间的热阻θ_i2、外护层的热阻θ_i3，即

θ_i＝θ_i1+θ_i2+θ_i3 (4)

设待测接触面12同缆芯导体的距离为r₀，该温度测试点j同缆芯导体的距离为r_j，土壤11的均一性良好即其热导率λ恒定；根据圆筒壁稳态径向导热模型，土壤的热阻θ_s可表示为

联立上述各式，即得

式中，T₀按照《基于温度场梯度和热功率传导模型的电缆芯温度测量方法》(申请公布号：CN 108801501 A)提出的方法测量得到；T_j由温度传感器14测量得到；I即为直流电源所设的恒定电流值；ρ根据缆芯导体的材料和温度查阅相关手册得到；θ_i1、θ_i2、θ_i3均为结构参数，根据电缆13的型号按照IEC-60287标准计算得到；L、r₀、r_j均由刻度尺测量得到；θ_c、λ根据2组不同的r_j、T_j的值计算得到，具体为

对于温度测试点1，即j＝1时，有

对于温度测试点2，即j＝2时，有

两式相减，计算得到j＝1和j＝2时的土壤(11)的热导率，即

将式(9)代入式(7)或式(8)，计算得到j＝1和j＝2时的待测接触面12的热阻，即

多个温度传感器14能够测量得到多组r_j、T_j的值，据此计算得到多组θ_c、λ的值，再求取平均值，以减小误差。

设温度传感器14亦即温度测试点的数量为n，据此能够计算得到

组θ_c、λ的值；用M、N表示任意两个不同的温度测试点，则土壤11的平均热导率

为

相应地，待测接触面12的平均热阻

为

Claims (4)

1.一种中低压电缆外表面与土壤接触热阻的测试装置，其特征在于：该测试装置包括储油箱(1)、输油管道(2)、油泵(3)、阀门(4)、压力计(5)、测试筒(6)，其中测试筒(6)由进油孔(7)、筒壁(8)、液压油区(9)、液压膜(10)、土壤(11)、待测接触面(12)、电缆(13)、温度传感器(14)、上密封圈(15)、上端盖(16)、上隔热层(17)、下隔热层(18)、排油孔(19)、下端盖(20)、下密封圈(21)构成；具体而言，测试筒(6)由外向内依次为筒壁(8)、液压油区(9)、液压膜(10)、土壤(11)、电缆(13)；电缆(13)与土壤(11)接触表面即待测接触面(12)；筒壁(8)、上端盖(16)、下端盖(20)采用不溶于液压油的材料；筒壁(8)设有一个进油孔(7)；上端盖(16)设有多个温度传感器(14)插入的孔位；上端盖(16)、下端盖(20)的中心设有一个电缆(13)插入的孔位；下端盖(20)设有用于固定液压膜(10)的凹槽和一个排油孔(19)；筒壁(8)与上端盖(16)、下端盖(20)的结合处分别设有上密封圈(15)、下密封圈(21)；液压膜(10)采用液压油无法渗透的材料；上隔热层(17)、下隔热层(18)均采用以纳米二氧化硅气凝胶为主体材料的气凝胶毡；土壤(11)内部布置有多个温度传感器(14)，与计算机终端相连；电缆(13)与一个额定电阻串联后同直流电源相连。

2.根据权利要求1所述的一种中低压电缆外表面与土壤接触热阻的测试装置，其特征在于：土壤(11)需事先烘干，避免测试过程中发生水分迁移，保证其内部的均一性；土壤(11)内部的多个温度传感器(14)的布置位点需在同一水平面的一条直线上；电缆(13)插入测试筒(6)内的部分需保持竖直；上端盖(16)、下端盖(20)所设的各孔位的直径不能过大，需与电缆(13)、温度传感器(14)的直径相匹配，以降低热耗散。

3.一种中低压电缆外表面与土壤接触热阻的测试方法，其特征在于，采用如权利要求1或2所述的装置实现，具体方法是：多个温度传感器(14)与计算机终端相连，用于显示土壤内部各测试点的温度值，当电缆(13)通电一段时间后达到稳态，即各测试点温度值变化不超过0.5℃时，记录各测试点的温度值；电缆(13)内部的总热阻、达到稳态时缆芯导体的温度和热损耗，均可以根据电缆型号和直流电源的电流值，按照IEC-60287标准给出的公式计算得到；将各测点的温度值及其与电缆(13)缆芯导体的距离代入热阻分析公式和圆筒壁径向一维导热公式，可以计算得到待测接触面(12)的热阻和土壤(11)的热导率；

待测接触面热阻计算的具体方法为：

上隔热层(17)、下隔热层(18)能阻断轴向传热，使电缆(13)发出的热量沿径向传递，因此从电缆(13)缆芯导体到土壤(11)内某一温度测试点j(j＝1，2，…)的导热视为沿圆筒壁的径向一维导热；根据热阻的定义，达到稳态后，通过整个圆筒壁的热流量φ与圆筒壁的总热阻θ_t的乘积等于缆芯导体温度T₀与该温度测试点j的温度T_j之差，即

T₀-T_j＝φθ_t (1)

通过整个圆筒壁的热流量φ等于缆芯导体的热损耗；设缆芯导体在温度为T₀时的单位长度的直流电阻率为ρ，待测接触面(12)的长度为L，则φ可表示为

φ＝I²ρL (2)

圆筒壁的总热阻θ_t包括电缆(13)内部的总热阻θ_i、待测接触面(12)的热阻θ_c、土壤(11)的热阻θ_s，即

θ_t＝θ_i+θ_c+θ_s (3)

电缆(13)内部的总热阻θ_i包括缆芯导体和金属套之间的热阻θ_i1、金属套和铠装层之间的热阻θ_i2、外护层的热阻θ_i3，即

θ_i＝θ_i1+θ_i2+θ_i3 (4)

设待测接触面(12)同缆芯导体的距离为r₀，该温度测试点j同缆芯导体的距离为r_j，土壤(11)的均一性良好即其热导率λ恒定；根据圆筒壁稳态径向导热模型，土壤的热阻θ_s可表示为

联立上述各式，即得

式中，T₀可按照现有方法测量得到；T_j由温度传感器(14)测量得到；I即为直流电源所设的恒定电流值；ρ根据缆芯导体的材料和温度查阅相关手册得到；θ_i1、θ_i2、θ_i3均为结构参数，根据电缆(13)的型号按照IEC-60287标准计算得到；L、r₀、r_j均由刻度尺测量得到；θ_c、λ根据2组不同的r_j、T_j的值计算得到，具体为

对于温度测试点1，即j＝1时，有

对于温度测试点2，即j＝2时，有

两式相减，计算得到j＝1和j＝2时的土壤(11)的热导率，即

将式(9)代入式(7)或式(8)，计算得到j＝1和j＝2时的待测接触面(12)的热阻，即

多个温度传感器(14)能够测量得到多组r_j、T_j的值，据此计算得到多组θ_c、λ的值，再求取平均值，以减小误差；

设温度传感器(14)亦即温度测试点的数量为n，据此能够计算得到

组θ_c、λ的值；用M、N表示任意两个不同的温度测试点，则土壤(11)的平均热导率

为

相应地，待测接触面(12)的平均接触热阻

为

4.根据权利要求3所述的一种中低压电缆外表面与土壤接触热阻的测试方法，其特征在于，该方法装置连接与数据采集部分的具体实施流程如下：

将测试筒(6)的各部分按照下述方式进行连接：连接筒壁(8)与下端盖(20)，并用下密封圈(21)密封；在下端盖(20)内所设凹槽处嵌入液压膜(10)；布置电缆(13)和下隔热层(18)；在液压膜(10)和电缆(13)之间填入适量事先烘干的土壤(11)；在土壤(11)上方布置上隔热层(17)；连接筒壁(8)与上端盖(16)，并用上密封圈(15)密封；注意关闭排油孔(19)；

将储油箱(1)、各段输油管道(2)、油泵(3)、阀门(4)、压力计(5)依次连接后，再与测试筒(6)的进油孔(7)连接；

装置连接准确无误后，打开阀门(4)并开启油泵(3)，使储油箱(1)中的液压油经油泵(3)加压后从进油孔(7)流入并充满测试筒(6)内的液压油区(9)；液压膜(10)将液压油区(9)的压强传递给土壤(11)，使土壤(11)被压紧并与电缆(13)充分接触；调控油泵(3)的功率可以调节液压油的压缩程度，压力计(5)用于监测液压油的压强；

为防止电流过大，将电缆(12)与一个额定电阻串联后同直流电源相连；接通电源，将电流设置为一恒定值，电缆(12)因电流热效应向周围散热；当各测试点温度值变化不超过0.5℃时，认为导热已达稳态，此时记录各测试点的温度值；

测试过程结束后，切断直流电源避免电能浪费，并打开排油孔(19)将液压油区(9)的液压油回收至储油箱(1)内。

Images