CN115204000A - 一种基于土壤热阻率变化的电缆额定载流量的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于土壤热阻率变化的电缆额定载流量的计算方法，包括：S1：建立直埋电缆的二维有限元仿真模型；S2：在二维有限元仿真模型上施加电流，设定边界条件；S3：采用设定边界条件的有限元仿真模型仿真求解电缆附近土壤温度；S4：判断土壤热阻率是否符合步骤该土壤温度下的值，若是，则执行步骤S5，若不是，按照土壤温度与土壤热阻率的关系修正土壤热阻率，返回步骤S3；S5：求解电缆导体温度，判断求解的电缆导体温度是否达到所允许的最高运行温度，若是，计算得到的载流量即为电缆的额定载流量，若不是，更改施加电流值，返回步骤S3。本发明对于电缆载流量仿真的土壤环境条件进行了细化，提高了电缆载流量计算的准确性。

Description

一种基于土壤热阻率变化的电缆额定载流量的计算方法

技术领域

本发明涉及数值仿真计算技术领域，具体是一种基于土壤热阻率变化的电缆额定载流量的计算方法。

背景技术

电缆是电力系统中电能传输的重要载体，准确计算电力电缆的额定载流量可以使电缆线路的传输容量得到充分的利用，同时保证电缆的运行安全可靠性。电缆载流量受到电缆的最高允许工作温度的限制，当电缆载流量过大时，由于功率损耗，电缆线芯温度会急剧上升，可能造成电缆绝缘老化加速，电缆使用寿命减少甚至电缆烧毁等不利影响。因此，为了保证电缆的安全可靠运行，有必要进一步提高电缆的载流量和温度计算的精确性。

目前，电缆载流量的计算方法大多基于IEC-60287标准热路等效法或者有限元数值计算。在计算中，通常假设敷设电缆的土壤环境单一、均匀，热阻系数为一个定值。但实际中，由于电缆发热，附近土壤温度上升，附近土壤水分迁移，含水量减小，热阻率增大。

土壤热阻系数反应了土壤对热流传导的阻碍能力，土壤热阻越小，其对热传导的阻碍能力越弱，电缆载流量越大，电缆输送容量相应越大。因此，需要建立基于土壤热阻率变化的电缆额定载流量的计算方法，为提高计算精确性提供参考。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有计算方法中存在的不足，提供了一种基于土壤热阻率变化的电缆额定载流量的计算方法，可以提高计算结果的精确度，使仿真分析更贴近现实，更具有实际参考意义。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于土壤热阻率变化的电缆额定载流量的计算方法，包括下列步骤：

S1：建立直埋电缆的二维有限元仿真模型，包括设置电缆敷设环境，其中电缆敷设环境包括土壤热阻率；

S2：在所述二维有限元仿真模型上施加电流，设定边界条件；

S3：采用S2中设定边界条件的有限元仿真模型仿真求解电缆附近土壤温度；

S4：判断土壤热阻率是否符合步骤S3所求解的电缆附近土壤温度下的值，若是，则执行步骤S5，若不是，按照土壤温度与土壤热阻率的关系修正土壤热阻率，返回执行步骤S3；

S5：求解电缆导体温度，判断求解的电缆导体温度是否达到所允许的最高运行温度，若是，计算得到的载流量即为电缆的额定载流量，若不是，更改施加于所述二维有限元仿真模型上的电流值，返回执行步骤S3。

优选的，所述的步骤S1的具体步骤如下：建立直埋电缆的几何模型；设置计算区域内所需的仿真参数；设置多物理场耦合；设置电缆敷设环境。

优选的，所述的步骤S2中，所述的边界条件包括温度场边界条件和电磁场边界条件。

优选的，由于土壤热阻率受到土壤水分含量影响，电缆发热影响周围土壤温度进而导致土壤中的水分迁移，所述的步骤S4中，要求对于土壤的含水量进行大致估算，并在此基础上，获得土壤热阻率与土壤温度之间的关系。

优选的，所述的直埋电缆几何模型包括线芯导体、绝缘层、金属护套以及外护套。

优选的，所述的多物理场为电磁场和温度场，所述的多物理场耦合为设置电导率为随温度变化的量，设置电缆线芯导体的功率损耗为温度场的热源，电导率公式如下：

式中，σ为电导率，ρ₀为参考电阻率，T_ref为参考温度，α为导体材料的电阻率温度系数。

优选的，所述的电缆敷设环境还包括电缆间距、电缆敷设深度、地表对流系数。

优选的，所述的温度场边界条件包括土壤底端为第一类边界条件，土壤顶端为第三类边界条件，土壤左右边界为第二类边界条件。

优选的，所述的电磁场边界条件为电缆导体载流量的设置以及金属护套的电磁感应。

优选的，所述的土壤的含水量设定如下：土壤干燥程度分为干燥、适中和湿润，其中干燥的含水量为<6％，适中的含水量为6％～30％，湿润的含水量为>30％。

优选的，所述的土壤热阻率在土壤含水量较低时，随着含水量增加而迅速下降，干燥土壤的热阻率高达2(m·K)/W；当土壤含水量大于30％时，土壤热阻率的变化较小，基本保持在0.4(m·K)/W左右。

本发明具有如下有益效果：本发明采用有限元方法，基于土壤热阻率变化，在多物理场耦合下，对电缆载流量和温度进行仿真计算，考虑了计算电缆载流量和温度时，由于电缆温度上升引起周围土壤热阻变化，对电缆线芯导体散热产生的影响。通过迭代计算，从而获得电缆的额定载流量。本发明提高了电缆载流量计算的准确性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种基于土壤热阻率变化的电缆额定载流量的计算方法的流程示意图；

图2为本发明电缆仿真模型的示意图；

图3为土壤热阻率随土壤含水量的变化示意图。

图中：1、土壤；2、金属护套；3、线芯导体(630mm²)；4、绝缘层(交联聚乙烯)；5、外护套。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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的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。

请参阅图1，本发明实施例提供一种基于土壤热阻率变化的电缆载流量和温度仿真计算方法，包括以下步骤：

第一步，建立直埋电缆的二维有限元仿真模型，具体的，如图2所示，建立直埋电缆的几何模型；设置计算区域内所需的仿真参数；设置多物理场耦合；设置电缆敷设环境。其中，所述的直埋电缆几何模型包括线芯导体、绝缘层、金属护套以及外护套。

第二步，在所述二维有限元仿真模型上施加电流，设定边界条件，所述的边界条件包括温度场边界条件和电磁场边界条件。

第三步，采用第二步设定边界条件的有限元仿真模型仿真求解电缆附近土壤温度；

第四步，判断土壤热阻率是否符合该土壤温度下的范围，若是，进行后续步骤，若不是，修正土壤热阻率，返回执行第三步；其中修正土壤热阻率是按照测量获得的土壤参数拟合获得热阻率和温度的函数关系，按照函数关系进行修正，修正土壤热阻率更符合实际状况，计算更准确。

第五步，通过修正土壤热阻率求解电缆导体温度，判断求解的电缆导体温度是否达到所允许的最高运行温度(例如90℃)，若是，计算得到的载流量即为电缆的额定载流量，若不是，更改电缆导体中的电流值，返回执行第三步。

本发明具体实施过程如下：

首先，在有限元中按照直埋电缆实际的结构尺寸进行几何建模,本实施例中电缆选取630mm²、100kV电缆，电缆几何参数如下表1所示：

表1

软件优选为COMSOL Multiphysics，定义电缆中各层结构的材料以及材料属性，以及不同物理场下模型的边界条件，将几何模型导入网格划分软件，并对几何模型进行网格划分；其次，在电缆发热导致土壤温度上升后，对土壤热阻率进行迭代计算；最后，判断计算所得的电缆导体温度是否达到所允许的最高运行温度。通过改变电缆模型中不同截面的电流值，当任意一根电缆达到长期运行的最高温度，则此时的电流值为该电缆的额定载流量。

对基于土壤热阻率变化的电缆载流量和温度仿真计算，其温度场计算满足如下方程：

式中，T为温度，κ为材料导热系数，q_v为体积发热率。

电磁场计算满足如下方程：

式中，A₁、A₂、A₃、A₄分别为电缆导体层区域、绝缘层区域、金属套区域、外护套区域的矢量磁位，J_s为导体区域中的电流密度，σ₁、σ₂分别为线芯导体和金属外护套的电导率，μ₀为磁导率，ω表示电角度。

电缆内部温度分布的改变，会使电缆内部金属材料的电导率发生改变，进而影响电缆内部电磁场的分布，温度与金属材料电导率的关系可由下式表示：

式中，σ为电导率，ρ₀为参考电阻率，T_ref为参考温度，α为导体材料的电阻率温度系数。

土壤热阻率与土壤含水量关系如下：

式中，k_soil为土壤热阻率，单位为(m·K)/W，δ_w为土壤含水量，公式为仿真拟合结果。如图3所示为实施例所采用的土壤含水量与热阻率的关系，所述的土壤热阻率在土壤含水量较低时，随着含水量增加而迅速下降，干燥土壤(含水量小于6％)的热阻率高达2(m·K)/W；当土壤含水量大于30％时，土壤热阻率的变化较小，基本保持在0.4(m·K)/W左右。

假设土壤含水量与土壤温度呈线性关系，当土壤温度大于10℃时，温度每升高10℃，含水量减少1％。对土壤热阻率进行迭代计算，可以得到不同区域的土壤，其热阻率不同，越靠近电缆周围，土壤温度越高，其热阻率越高，传热能力越差。

求解电缆载流量，判断电缆导体温度是否达到所允许的最高运行温度。具体的，查看各电缆导体的温度分布情况，判断是否有电缆导体温度达到所允许的最高运行温度。若温度达到允许的最高运行温度，则此时导体中施加的电流值为该电缆载流量。若温度未达到或高于允许的最高运行温度，则提高或降低导体中施加的电流值，继续进行计算直至达到允许的最高运行温度。

本实施例中经计算，得到直埋电缆额定载流量较之前算法计算结果降低10％(按照原有方法进行有限元仿真计算，电缆额定载流量为1060A，修正后为955A)，实现了对有限元仿真模型的精确和修正。本实施例提供的基于土壤热阻率变化的电缆载流量和温度仿真计算方法，通过电磁场和温度场的多物理耦合对直埋电缆进行仿真，建立一种基于土壤热阻率随土壤温度发生变化的仿真模型，考虑电缆导致附近土壤温度上升、水分蒸发、土壤热阻率发生变化的问题，通过计算可以得到，考虑到土壤热阻率变化的计算结果应高于土壤热阻率为恒定值的计算结果，如此设置，提高了计算的准确性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种基于土壤热阻率变化的电缆额定载流量的计算方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1：建立直埋电缆的二维有限元仿真模型，包括设置电缆敷设环境，其中电缆敷设环境包括土壤热阻率；

S2：在所述二维有限元仿真模型上施加电流，设定边界条件；

S3：采用S2中设定边界条件的有限元仿真模型仿真求解电缆附近土壤温度；

S4：判断土壤热阻率是否符合步骤S3所求解的电缆附近土壤温度下的值，若是，则执行步骤S5，若不是，按照土壤温度与土壤热阻率的关系修正土壤热阻率，返回执行步骤S3；

S5：求解电缆导体温度，判断求解的电缆导体温度是否达到所允许的最高运行温度，若是，计算得到的载流量即为电缆的额定载流量，若不是，更改施加于所述二维有限元仿真模型上的电流值，返回执行步骤S3。

2.根据权利要求1所述的一种基于土壤热阻率变化的电缆额定载流量的计算方法，其特征在于，所述的步骤S1的具体步骤如下：建立直埋电缆的几何模型；设置计算区域内所需的仿真参数；设置多物理场耦合；设置电缆敷设环境。

3.根据权利要求1所述的一种基于土壤热阻率变化的电缆额定载流量的计算方法，其特征在于，所述的步骤S2中，所述的边界条件包括温度场边界条件和电磁场边界条件。

4.根据权利要求1所述的一种基于土壤热阻率变化的电缆额定载流量的计算方法，其特征在于，由于土壤热阻率受到土壤水分含量影响，电缆发热影响周围土壤温度进而导致土壤中的水分迁移，所述的步骤S4中，要求对于土壤的含水量进行大致估算，并在此基础上，获得土壤热阻率与土壤温度之间的关系。

5.根据权利要求2所述的一种基于土壤热阻率变化的电缆额定载流量的计算方法，其特征在于，所述的直埋电缆几何模型包括线芯导体、绝缘层、金属护套以及外护套。

6.根据权利要求2所述的一种基于土壤热阻率变化的电缆额定载流量的计算方法，其特征在于，所述的多物理场为电磁场和温度场，所述的多物理场耦合为设置电导率为随温度变化的量，设置电缆线芯导体的功率损耗为温度场的热源，电导率公式如下：

式中，σ为电导率，ρ₀为参考电阻率，T_ref为参考温度，α为导体材料的电阻率温度系数。

7.根据权利要求2所述的一种基于土壤热阻率变化的电缆额定载流量的计算方法，其特征在于，所述的电缆敷设环境还包括电缆间距、电缆敷设深度、地表对流系数。

8.根据权利要求3所述的一种基于土壤热阻率变化的电缆额定载流量的计算方法，其特征在于，所述的温度场边界条件包括土壤底端为第一类边界条件，土壤顶端为第三类边界条件，土壤左右边界为第二类边界条件。

9.根据权利要求3所述的一种基于土壤热阻率变化的电缆额定载流量的计算方法，其特征在于，所述的电磁场边界条件为电缆导体载流量的设置以及金属护套的电磁感应。

10.根据权利要求4所述的一种基于土壤热阻率变化的电缆额定载流量的计算方法，其特征在于，所述的土壤的含水量设定如下：土壤干燥程度分为干燥、适中和湿润，其中干燥的含水量为<6％，适中的含水量为6％～30％，湿润的含水量为>30％。

11.根据权利要求10所述的一种基于土壤热阻率变化的电缆额定载流量的计算方法，其特征在于，所述的土壤热阻率在土壤含水量较低时，随着含水量增加而迅速下降，干燥土壤的热阻率高达2(m·K)/W；当土壤含水量大于30％时，土壤热阻率的变化较小，基本保持在0.4(m·K)/W左右。

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