CN112199869A - 一种考虑电缆沟道通风特性的电缆载流量计算方法 - Google Patents

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CN112199869A CN202010915693.2A CN202010915693A CN112199869A CN 112199869 A CN112199869 A CN 112199869A CN 202010915693 A CN202010915693 A CN 202010915693A CN 112199869 A CN112199869 A CN 112199869A
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Abstract

本发明公开了一种考虑电缆沟道通风特性的电缆载流量计算方法。本发明通过测量空气温度值、深层土壤温度值、通风系统进风口处温度值、所述通风系统进出风口和电缆沟道内多处风速值，结合通风电缆沟内流体流动与传热的特点，建立电缆沟通风系统内三维流体场与温度场耦合求解的物理和数学模型，采用有限元法对模型进行准确计算，得到通风电缆沟内三维流场的速度分布和电缆以外区域的三维温度场分布，根据求得的电缆表面最高温度，计算得到在设定通风条件下的电缆允许载流量。本发明在将电缆沟道内多位置通风流量系数纳入参考体系后，不仅实现电缆允许载流量的实时计算，还可以为工程实际中电缆沟通风方案的选取提供理论指导。

Description

一种考虑电缆沟道通风特性的电缆载流量计算方法
技术领域
本发明涉及电缆领域，尤其是一种考虑电缆沟道通风特性的电缆载流量计算方法。
背景技术
电缆沟内电缆运行时产生热量，如果不能被及时带走，不仅会使得电缆沟内空气温度升高，电缆的载流量和缆芯利用率降低，直接造成经济损失，还会加速电缆绝缘层的热老化，影响电缆寿命和整个电网的安全运行。当前各地电缆沟道内维护情况差异较大，对电缆沟内通风性能造成不同程度的影响，不利于电缆长期稳定运行。
因此，有效监控电缆沟道内实时通风性能，对于提高敷设电缆的载流量和延长电缆线路的使用寿命具有重要意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种考虑电缆沟道通风特性下的电缆载流量计算方法，其可以计算得到在设定通风条件下的电缆允许载流量，在将电缆沟道内多处位置通风流量系数纳入参考体系后，不仅实现电缆允许载流量的实时计算，还可以为工程实际中电缆沟通风方案的选取提供理论指导。
为此，本发明通过以下技术方案来解决上述技术问题：一种考虑电缆沟道通风特性的电缆载流量计算方法，其包括：
步骤1)，获取空气温度值及深层土壤温度值；
步骤2)，获取通风口进风口温度值、风速值及出风口风速值；
步骤3)，获取电缆沟道内多处的风速值；
步骤4)，根据所获得的温度值及风速值计算得到在设定通风条件下的电缆允许载流量，包括：
结合通风电缆沟内流体流动与传热的特点，建立电缆沟通风系统内三维流体场与三维温度场耦合求解的物理模型和数学模型；采用有限元法对物理和数学模型进行准确计算，得到通风电缆沟内三维流场的速度分布和电缆以外区域的三维温度场分布；根据求得的电缆表面最高温度，计算得到在设定通风条件下的电缆允许载流量。
进一步地，通过通风测温装置实时获取通风口进风口温度值、风速值、出风口风速值和电缆沟道内多处的风速值。
进一步地，所述的通风测温装置包括通风装置、温度测量模块、风速测量模块、无线发射模块、无线接收模块和数据分析模块；
所述的通风装置采用竖井集中送、排风的纵向通风方式，利用鼓风机和引风机在电缆沟隔设定距离的两端进行强制送风和排风，从一端送入温度低的空气，并在另一端排出温度高的空气，即利用空气的热交换带走电缆沟内的热量；
所述的温度测量模块有多个，分别用于获取空气温度值、深层土壤温度值和通风系统进风口处温度值；
所述的风速测量模块有多个，分别用于获取通风系统进、出风口处以及电缆沟道内多处的风速值；
所述的无线发射模块有多个，分别与对应的温度测量模块和风速测量模块连接，用于将所述空气温度值、深层土壤温度值、通风系统进风口处温度值、所述通风系统进出风口风速值和电缆沟道内多处风速值发送至所述无线接收模块；
所述的无线接收模块设置在配电自动化终端上，用于接收所述空气温度值、深层土壤温度值、通风系统进风口处温度值、所述通风系统进出风口和电缆沟道内多处风速值，并发送至所述数据分析模块；
所述的数据分析模块设置在配电自动化终端上，用于根据所述空气温度值、深层土壤温度值、通风系统进风口处温度值、通风系统进出风口风速值和电缆沟道内多处风速值计算设定通风条件下的电缆允许载流量。
进一步地，在通风系统进出风口中设置一个或多个风速测量模块，在电缆沟道内每隔100m设置一个或多个风速测量模块；每个温度测量点只需设置一个温度测量模块，每个温度测量模块和风速测量模块都配有一个无线发射模块，实时将获取到的空气温度值、深层土壤温度值、通风系统进风口处温度值、所述通风系统进出风口和电缆沟道内多处风速值通过无线通讯的方式发送到配电自动化终端上的无线接收模块，再发送到数据分析模块进行处理，计算得出当前通风条件下的电缆允许载流量。
进一步地，通过在空气中和深层土壤中设置温度传感器来获取空气温度值和深层土壤温度值。
进一步地，通过在通风系统进、出风口处的表面设置温度传感器及速度传感器来获取通风口进风口温度值、风速值及出风口风速值。
进一步地，通过在电缆沟道内壁表面设置速度传感器来获取电缆沟道内多点的风速值。
进一步地，步骤4)中，根据求得的电缆表面最高温度，运用等值热路法和双点弦截法计算得到在设定通风条件下的电缆允许载流量。
进一步地，步骤4)中，所述的物理模型是指根据相似原理和基于有限元软件建立的沟道模型，该模型改变电缆沟道方向坐标系比例，其中，电缆按照电缆结构1:1等比例构建，电缆结构由内而外依次分为导体、内半导电层、绝缘层、外半导体层、阻水缓冲层、铠装层及内护套，电缆的布置结构按照沟道敷设的实际情况分为三层，每层两侧壁各布置三根不同相位电缆。更进一步地，沟道长度按照实际长度进行1:100的比例进行缩短构建。
进一步地，步骤4)中，根据麦克斯韦方程组，并引入矢量磁位A，对于有外加激励源存在的电流区，其磁矢量位的控制方程为：
Figure BDA0002664941020000031
对于非电流区域其磁矢量位的控制方程为：
Figure BDA0002664941020000041
Figure BDA0002664941020000042
Figure BDA0002664941020000043
其中，
Figure BDA0002664941020000044
为矢量微分算子；μ为材料磁导率，H/m；A为矢量磁位；σ为材料电导率，S/m；Js为外加电流密度，A/m2；ω为角频率，rad/s；J为总电流密度，A/m2；Qv为单位体积电磁损耗，J/m3；
根据流体力学理论，电缆沟内通风冷却系统内的空气流体的流动要遵循3个最基本的守恒定律，即质量守恒定律、动量守恒定律及能量守恒定律，这些守恒定律的控制方程写成如下形式：
Figure BDA0002664941020000045
Figure BDA0002664941020000046
Figure BDA0002664941020000047
其中，
Figure BDA0002664941020000048
为矢量微分算子；ρ为流体密度，kg/m3；u为流体的绝对速度矢量，m/s；p为流场的压力，Pa；μs为流体动力粘度，Pa·s；Tf为流体介质温度，K；λ为介质导热系数，W/(m·K)；Cp为流体比热容，J/(kg·K)；
根据传热学理论，热传导微分方程为：
Figure BDA0002664941020000049
Q＝Qv
其中，λ为介质导热系数，W/(m·K)；Ts为固体介质温度，K；Q为介质单位体积发热率，J/m3。
本发明具有的有益效果在于：本发明在将电缆沟道内多位置通风流量系数纳入参考体系后，不仅实现电缆允许载流量的实时计算，还可以为工程实际中电缆沟通风方案的选取提供理论指导，对保障电力安全运行具有重要的意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，并与背景技术的技术方案进行对比，下面将对本发明实施例和背景技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的本发明实施例附图仅仅是一部分实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本发明较佳实施例的电缆允许载流量计算方法的流程图。
图2示出了本发明较佳实施例的通风测温装置的结构框图。
图3示出了本发明中通风系统设计示意图。
图4示出了本发明较佳实施例的电缆沟模型截图。
图5示出了本发明较佳实施例的等效物理模型图。
图6示出了本发明较佳实施例的等效热路模型图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的本发明实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种考虑电缆沟道通风特性的电缆载流量计算方法，如图1所示，包括：
步骤1、获取空气温度值及深层土壤温度值；
步骤2、获取通风口进风口温度值、风速值及出风口风速值；
步骤3、获取电缆沟道内多处的风速值；
步骤4、根据所获得的温度值及风速值计算得到设定通风条件下的电缆允许载流量。
步骤4中电缆允许载流量通过以下方法计算：
步骤401、结合通风电缆沟内流体流动与传热的特点，建立电缆沟通风系统内三维流体场与三维温度场耦合求解的物理模型和数学模型；
步骤402、采用有限元法对物理模型和数学模型进行准确计算，得到通风电缆沟内三维流场的速度分布和电缆以外区域的三维温度场分布；
步骤403、根据求得的电缆表面最高温度，运用等值热路法和双点弦截法，计算得到设定通风条件下的电缆允许载流量。
通过通风测温装置实时获取通风口进风口温度值、风速值、出风口风速值和电缆沟道内多处的风速值。
本实施例的通风测温装置，具体结构如图2所示，包括通风电缆沟1、温度测量模块2、风速测量模块3、无线发射模块4、无线接收模块5和数据分析模块6。
如图3所示，所述通风电缆沟采用竖井集中送、排风的纵向通风方式，利用鼓风机和引风机在电缆沟隔设定距离的两端进行强制送风和排风，从一端送入温度较低的空气，并在另一端排出温度较高的空气，即利用空气的热交换带走电缆沟内的热量。
如图4所示，根据电缆沟尺寸以及电缆的结构参数和敷设参数，对电缆沟内电缆区域建立三维闭域场的几何模型。
所述的温度测量模块有多个，分别用于获取空气温度值、深层土壤温度值和通风系统进风口处温度值。
所述的风速测量模块有多个，分别用于获取通风系统进、出风口处以及电缆沟道内多处的风速值。
所述无线发射模块为多个，分别与所述温度测量模块和所述风速测量模块连接，用于将所述空气温度值、深层土壤温度值、通风系统进风口处温度值、所述通风系统进出风口以及电缆沟道内多处风速值发送至所述无线接收模块。
所述无线接收模块设置在配电自动化终端上，用于接收所述空气温度值、深层土壤温度值、通风系统进风口处温度值、所述通风系统进出风口以及电缆沟道内多处风速值，并发送至所述数据分析模块。
所述数据分析模块设置在配电自动化终端上，用于根据所述空气温度值、深层土壤温度值、通风系统进风口处温度值、所述通风系统进出风口以及电缆沟道内多处风速值计算设定通风条件下的电缆允许载流量。
在通风系统进出风口中设置一个或多个风速测量模块，在电缆沟道内每隔100m设置一个或多个风速测量模块；每个温度测量点只需设置一个温度测量模块，每个温度测量模块和风速测量模块都配有一个无线发射模块，实时将获取到的空气温度值、深层土壤温度值、通风系统进风口处温度值、所述通风系统进出风口和电缆沟道内多处风速值通过无线通讯的方式发送到配电自动化终端上的无线接收模块，再发送到数据分析模块进行处理，计算得出当前通风条件下的电缆允许载流量。
通过在空气中和深层土壤中设置温度传感器(即本实施例中的温度测量模块采用温度传感器)来获取空气温度值和深层土壤温度值。
通过在通风系统进、出风口处的表面设置温度传感器(即本实施例中的温度测量模块采用温度传感器)及速度传感器(即本实施例中的风速测量模块采用速度传感器)来获取通风口进风口温度值、风速值及出风口风速值。
通过在电缆沟道内壁表面设置速度传感器(即本实施例中的风速测量模块为速度传感器)来获取电缆沟道内多点的风速值。
步骤4)中，根据求得的电缆表面最高温度，运用等值热路法和双点弦截法计算得到在设定通风条件下的电缆允许载流量。
如图4所示为电缆沟道的二维截面示意图，通过对截面两侧视为热绝缘边界，对截面底部区域视为恒温，顶部与空气存在对流换热，能方便进行沟道内温度场计算。
如图5所示为电缆沟道的三维等效物理模型。所述的物理模型是指根据相似原理和基于有限元软件建立的沟道模型，该模型改变电缆沟道方向坐标系比例(即沟道长度按照实际长度进行1:100的比例进行缩短构建)，其中，电缆按照电缆结构1:1等比例构建，电缆结构由内而外依次分为导体、内半导电层、绝缘层、外半导体层、阻水缓冲层、铠装层及内护套，电缆的布置结构按照沟道敷设的实际情况分为三层，每层两侧壁各布置三根不同相位电缆。
如图6所示为单芯电缆的等效热路模型，电缆在运行时，缆芯、绝缘层、金属屏蔽层等均会产生损耗，发出热量形成热流场。根据热流场中的热连续原理及傅里叶定律，热流通过电缆各层向外传导时，电缆的每一层都可以用等值热阻来表示，由于热阻的作用将产生温降。
步骤4)中，根据麦克斯韦方程组，并引入矢量磁位A，对于有外加激励源存在的电流区，其磁矢量位的控制方程为：
Figure BDA0002664941020000081
对于非电流区域其磁矢量位的控制方程为：
Figure BDA0002664941020000082
Figure BDA0002664941020000083
Figure BDA0002664941020000084
其中，
Figure BDA0002664941020000085
为矢量微分算子；μ为材料磁导率，H/m；A为矢量磁位；σ为材料电导率，S/m；Js为外加电流密度，A/m2；ω为角频率，rad/s；J为总电流密度，A/m2；Qv为单位体积电磁损耗，J/m3；
根据流体力学理论，电缆沟内通风冷却系统内的空气流体的流动要遵循3个最基本的守恒定律，即质量守恒定律、动量守恒定律及能量守恒定律，这些守恒定律的控制方程写成如下形式：
Figure BDA0002664941020000086
Figure BDA0002664941020000087
Figure BDA0002664941020000091
其中，
Figure BDA0002664941020000092
为矢量微分算子；ρ为流体密度，kg/m3；u为流体的绝对速度矢量，m/s；p为流场的压力，Pa；μs为流体动力粘度，Pa·s；Tf为流体介质温度，K；λ为介质导热系数，W/(m·K)；Cp为流体比热容，J/(kg·K)；
根据传热学理论，热传导微分方程为：
Figure BDA0002664941020000093
Q＝Qv
其中，λ为介质导热系数，W/(m·K)；Ts为固体介质温度，K；Q为介质单位体积发热率，J/m3。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种考虑电缆沟道通风特性的电缆载流量计算方法，其特征在于，包括：
步骤1)，获取空气温度值及深层土壤温度值；
步骤2)，获取通风口进风口温度值、风速值及出风口风速值；
步骤3)，获取电缆沟道内多处的风速值；
步骤4)，根据所获得的温度值及风速值计算得到在设定通风条件下的电缆允许载流量，包括：
结合通风电缆沟内流体流动与传热的特点，建立电缆沟通风系统内三维流体场与三维温度场耦合求解的物理模型和数学模型；采用有限元法对物理和数学模型进行准确计算，得到通风电缆沟内三维流场的速度分布和电缆以外区域的三维温度场分布；根据求得的电缆表面最高温度，计算得到在设定通风条件下的电缆允许载流量。
2.根据权利要求1所述的电缆载流量计算方法，其特征在于，通过通风测温装置实时获取通风口进风口温度值、风速值、出风口风速值和电缆沟道内多处的风速值。
3.根据权利要求2所述的电缆载流量计算方法，其特征在于，所述的通风测温装置包括通风装置、温度测量模块、风速测量模块、无线发射模块、无线接收模块和数据分析模块；
所述的通风装置采用竖井集中送、排风的纵向通风方式，利用鼓风机和引风机在电缆沟隔设定距离的两端进行强制送风和排风，从一端送入温度低的空气，并在另一端排出温度高的空气，即利用空气的热交换带走电缆沟内的热量；
所述的温度测量模块有多个，分别用于获取空气温度值、深层土壤温度值和通风系统进风口处温度值；
所述的风速测量模块有多个，分别用于获取通风系统进、出风口处以及电缆沟道内多处的风速值；
所述的无线发射模块有多个，分别与对应的温度测量模块和风速测量模块连接，用于将所述空气温度值、深层土壤温度值、通风系统进风口处温度值、所述通风系统进出风口风速值和电缆沟道内多处风速值发送至所述无线接收模块；
所述的无线接收模块设置在配电自动化终端上，用于接收所述空气温度值、深层土壤温度值、通风系统进风口处温度值、所述通风系统进出风口和电缆沟道内多处风速值，并发送至所述数据分析模块；
所述的数据分析模块设置在配电自动化终端上，用于根据所述空气温度值、深层土壤温度值、通风系统进风口处温度值、通风系统进出风口风速值和电缆沟道内多处风速值计算设定通风条件下的电缆允许载流量。
4.根据权利要求3所述的电缆载流量计算方法，其特征在于，在通风系统进出风口中设置一个或多个风速测量模块，在电缆沟道内每隔100m设置一个或多个风速测量模块；每个温度测量点只需设置一个温度测量模块，每个温度测量模块和风速测量模块都配有一个无线发射模块，实时将获取到的空气温度值、深层土壤温度值、通风系统进风口处温度值、所述通风系统进出风口和电缆沟道内多处风速值通过无线通讯的方式发送到配电自动化终端上的无线接收模块，再发送到数据分析模块进行处理，计算得出当前通风条件下的电缆允许载流量。
5.根据权利要求3所述的电缆载流量计算方法，其特征在于，通过在空气中和深层土壤中设置温度传感器来获取空气温度值和深层土壤温度值。
6.根据权利要求3所述的电缆载流量计算方法，其特征在于，通过在通风系统进、出风口处的表面设置温度传感器及速度传感器来获取通风口进风口温度值、风速值及出风口风速值。
7.根据权利要求3所述的电缆载流量计算方法，其特征在于，通过在电缆沟道内壁表面设置速度传感器来获取电缆沟道内多点的风速值。
8.根据权利要求1-7任一项所述的电缆载流量计算方法，其特征在于，步骤4)中，根据求得的电缆表面最高温度，运用等值热路法和双点弦截法计算得到在设定通风条件下的电缆允许载流量。
9.根据权利要求1-7任一项所述的电缆载流量计算方法，其特征在于，步骤4)中，所述的物理模型是指根据相似原理和基于有限元软件建立的沟道模型，该模型改变电缆沟道方向坐标系比例，其中，电缆按照电缆结构1:1等比例构建，电缆结构由内而外依次分为导体、内半导电层、绝缘层、外半导体层、阻水缓冲层、铠装层及内护套，电缆的布置结构按照沟道敷设的实际情况分为三层，每层两侧壁各布置三根不同相位电缆。
10.根据权利要求1-7任一项所述的电缆载流量计算方法，其特征在于，步骤4)中，根据麦克斯韦方程组，并引入矢量磁位A，对于有外加激励源存在的电流区，其磁矢量位的控制方程为：
Figure FDA0002664941010000031
对于非电流区域其磁矢量位的控制方程为：
Figure FDA0002664941010000032
Figure FDA0002664941010000033
Figure FDA0002664941010000034
其中，
Figure FDA0002664941010000035
为矢量微分算子；μ为材料磁导率，H/m；A为矢量磁位；σ为材料电导率，S/m；Js为外加电流密度，A/m2；ω为角频率，rad/s；J为总电流密度，A/m2；Qv为单位体积电磁损耗，J/m3；
根据流体力学理论，电缆沟内通风冷却系统内的空气流体的流动要遵循3个最基本的守恒定律，即质量守恒定律、动量守恒定律及能量守恒定律，这些守恒定律的控制方程写成如下形式：
Figure FDA0002664941010000036
Figure FDA0002664941010000041
Figure FDA0002664941010000042
其中，
Figure FDA0002664941010000043
为矢量微分算子；ρ为流体密度，kg/m3；u为流体的绝对速度矢量，m/s；p为流场的压力，Pa；μs为流体动力粘度，Pa·s；Tf为流体介质温度，K；λ为介质导热系数，W/(m·K)；Cp为流体比热容，J/(kg·K)；
根据传热学理论，热传导微分方程为：
Figure FDA0002664941010000044
Q＝Qv
其中，λ为介质导热系数，W/(m·K)；Ts为固体介质温度，K；Q为介质单位体积发热率，J/m3。
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