本發(fā)明涉及高壓電纜中間接頭技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種電纜中間接頭處壓接管傳熱計算方法。

背景技術(shù)：

電力連接器廣泛應(yīng)用于電纜線路，用于實現(xiàn)電纜導(dǎo)體與其他輸變電設(shè)備的連接，或電纜本身的接續(xù)。壓接式連接器是其中應(yīng)用最為廣泛的連接器，尤其是在高壓電纜中間接頭領(lǐng)域，其可靠性不僅取決于足夠的機械保持力，還需要良好的電氣性能。

運用在電纜中間接頭處的壓接式連接器，連接電阻易過大，產(chǎn)生極高熱量，造成中間接頭局部過熱，甚至破壞整條線路的穩(wěn)定運行。又由于壓接管處于接頭主絕緣件內(nèi)部，其運行狀況不易監(jiān)測。因此，準(zhǔn)確建立線芯與導(dǎo)體處的壓接傳熱計算模型，全面掌握其間各部分溫度分布，對電纜輸電穩(wěn)定運行有著重要意義。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明切實可行的提出一種基于傳熱學(xué)的高壓電纜中間接頭處壓接管的熱路計算的理論模型，并從理論上計算各關(guān)節(jié)點處溫度數(shù)值，為壓接管尺寸初始設(shè)計及工程施工方案設(shè)計提供重要理論基礎(chǔ)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺陷，提供一種電纜中間接頭處壓接管傳熱計算方法，該發(fā)明是基于傳熱學(xué)的高壓電纜中間接頭處壓接管的熱路計算的理論模型，并從理論上計算各關(guān)節(jié)點處溫度數(shù)值，為壓接管尺寸初始設(shè)計及工程施工方案設(shè)計提供重要理論基礎(chǔ)。

本發(fā)明的目的可以通過采取如下技術(shù)方案達(dá)到：

一種電纜中間接頭處壓接管傳熱計算方法，所述壓接管傳熱計算方法包括下列步驟：

s1、構(gòu)建高壓電纜中間接頭處壓接管熱路計算模型，所述熱路計算模型包括下列參數(shù)：

ta表示環(huán)境溫度，ra表示外部環(huán)境熱阻，rb表示搭接部位套管的徑向?qū)釤嶙?，rc表示電纜導(dǎo)體的軸向?qū)釤嶙?，rz表示套管軸向?qū)釤嶙?，q1表示套管未搭接部位電阻通流產(chǎn)熱熱量，q2表示第一導(dǎo)體與套管連接處電阻通流產(chǎn)熱熱量，q3表示電纜導(dǎo)體通流產(chǎn)熱熱量，q4表示套管連接處電阻通流產(chǎn)熱熱量，∞表示軸向熱流傳向無窮遠(yuǎn)，t1，t2，t3，t4，t5，t6，t7分別表示各節(jié)點溫度；

s2、計算熱路計算模型中所有熱阻數(shù)值；

s3、計算熱路計算模型中所有熱源數(shù)值；

s4、構(gòu)建傳熱計算方程組，求解各節(jié)點溫度分布。

進(jìn)一步地，所述步驟s2、計算熱路計算模型中所有熱阻數(shù)值的過程如下：

計算外部環(huán)境熱阻ra，參照iec60287，取單根孤立埋地電纜，其外部熱阻的計算如下式所示，

式中，ρe表示土壤熱阻系數(shù)，單位：k·m/w；u表示電纜軸線至地表距離,單位：mm；

計算搭接部位套管的徑向?qū)釤嶙鑢b，參照下式計算可得

式中，ρ表示材料熱阻率，單位：k·m/w；lt表示圓筒壁長度，單位：m；ro，ri表示圓筒壁的內(nèi)、外半徑，單位：mm；

計算電纜導(dǎo)體的軸向?qū)釤嶙鑢c、套管軸向?qū)釤嶙鑢d，參照下式計算可得

式中，ρ表示材料熱阻率；lzx表示等溫面之間的距離；szx表示節(jié)點端面面積。

進(jìn)一步地，所述步驟s3、計算熱路計算模型中所有熱源數(shù)值的過程如下：

計算套管未搭接部位電阻通流產(chǎn)熱熱量q1，參照下式計算可得

r’＝r0×[1+α20(θ-20)]

式中，r'表示在工作溫度下導(dǎo)體的直流電阻，單位：ω/m；r0表示20℃時導(dǎo)體的直流電阻，單位：ω/m；α20表示20℃時導(dǎo)體材料溫度系數(shù)；θc表示電纜導(dǎo)體的工作溫度；

計算電纜導(dǎo)體通流產(chǎn)熱熱量q3，參照下式計算可得，

式中，i表示銅導(dǎo)體通過的電流有效值，單位：a；rc表示在工作溫度下導(dǎo)體的交流電阻，單位：ω/m；r'表示在工作溫度下導(dǎo)體的直流電阻，單位：ω/m；r0表示20℃時導(dǎo)體的直流電阻，單位：ω/m；α20表示20℃時導(dǎo)體材料溫度系數(shù)；θc表示電纜導(dǎo)體的工作溫度；ys表示集膚效應(yīng)因數(shù)；yp表示鄰近效應(yīng)因數(shù)；

計算第一導(dǎo)體與套管連接處電阻通流產(chǎn)熱熱量q2、套管連接處電阻通流產(chǎn)熱熱量q4，依次先計算其搭接電阻rm、接觸電阻rj、產(chǎn)熱量，參照下列方程組依次計算可得，

q＝i²(rm+rj)

式中，σ表示套管電阻率；l0表示套管與導(dǎo)體單端搭接長度；do表示套管外徑；di表示套管內(nèi)徑；k表示電阻比；rj表示接觸電阻，單位：mω·m²；f表示接觸壓力，單位：n；m為與接觸形式，壓力大小和實際接觸點數(shù)目有關(guān)，面接觸時可取m＝1；kj為與接觸材料、表面狀況有關(guān)的系數(shù)。

進(jìn)一步地，對于銅－銅連接的電纜線芯與壓接管，與接觸材料、表面狀況有關(guān)的系數(shù)kj取值范圍為0.08～0.14。

進(jìn)一步地，所述步驟s4、構(gòu)建傳熱計算方程組，求解各節(jié)點溫度分布的過程如下：

建立傳熱計算方程組：

t1＝ta+ra×q3

t7＝ta+ra×q3

代入上述步驟中所計算的參數(shù)數(shù)值，便可解得溫度分布t1-t7。

本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點及效果：

本發(fā)明切實可行的提出一種基于傳熱學(xué)的高壓電纜中間接頭處壓接管的熱路計算的理論模型，并從理論上計算各關(guān)節(jié)點處溫度數(shù)值，為壓接管尺寸初始設(shè)計及工程施工方案設(shè)計提供重要理論基礎(chǔ)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明中電纜導(dǎo)體與套管壓接示意圖；

圖2是本發(fā)明中套管壓接連接器發(fā)熱模型；

圖3是本發(fā)明中無接觸界面平板重疊電阻特性；

圖4是本發(fā)明中固體面面接觸的電流線分布；

圖5是本發(fā)明中公開的一種電纜中間接頭處壓接管傳熱計算方法的流程圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

實施例一

本實施例公開了一種電纜中間接頭處壓接管傳熱計算方法，具體包括下列步驟：

s1、構(gòu)建高壓電纜中間接頭處壓接管熱路計算模型。

s2、計算熱路計算模型中所有熱阻數(shù)值。

s3、計算熱路計算模型中所有熱源數(shù)值。

s4、構(gòu)建傳熱計算方程組，求解各節(jié)點溫度分布。

如上所述步驟s1，電纜導(dǎo)體與套管壓接示意方法如附圖1。壓接管產(chǎn)熱熱實際由三部分組成：第一導(dǎo)體與套管連接處電阻通流引起的產(chǎn)熱；套管未搭接部位電阻通流引起的產(chǎn)熱；套管與第二導(dǎo)體連接處電阻引起的產(chǎn)熱。三部分產(chǎn)熱向外部環(huán)境擴散，得到套管壓接連接器發(fā)熱模型如附圖2。圖中，ta表示環(huán)境溫度；ra表示外部環(huán)境熱阻；rb表示搭接部位套管的徑向?qū)釤嶙?；rc表示電纜導(dǎo)體的軸向?qū)釤嶙瑁籸z表示套管軸向?qū)釤嶙?；q1表示套管未搭接部位電阻通流產(chǎn)熱熱量；q2表示第一導(dǎo)體與套管連接處電阻通流產(chǎn)熱熱量；q3表示電纜導(dǎo)體通流產(chǎn)熱熱量；q4表示套管連接處電阻通流產(chǎn)熱熱量；∞表示軸向熱流傳向無窮遠(yuǎn)；t1，t2，t3，t4，t5，t6，t7分別表示各節(jié)點溫度。

如上所述步驟s2，熱路計算模型共包含4個熱阻。其中ra可參照iec60287，據(jù)具體敷設(shè)環(huán)境確定其值大小。由于套管為軸對稱圓筒壁結(jié)構(gòu)，搭接部位套管的徑向?qū)釤嶙鑢b可用公式1進(jìn)行計算，

式中，ρ表示材料熱阻率，單位k·m/w；lt表示圓筒壁長度，單位m；ro，ri表示圓筒壁的內(nèi)、外半徑，單位mm。

各節(jié)點端面可假設(shè)為等溫面，則任意兩節(jié)點之間的軸向?qū)釤嶙鑢zx為，

式中，ρ表示材料熱阻率；lzx表示等溫面之間的距離；szx表示節(jié)點端面面積。因此，電纜導(dǎo)體的軸向?qū)釤嶙鑢c及套管軸向?qū)釤嶙鑢z均可用公式(2)進(jìn)行計算。

如上所述步驟s3，熱路計算模型共包含4個熱源。單位長度電纜導(dǎo)體通過交流電時的產(chǎn)熱熱量q3為，

式中，i表示銅導(dǎo)體通過的電流有效值，單位：a；rc表示在工作溫度下導(dǎo)體的交流電阻，單位：ω/m；r'表示在工作溫度下導(dǎo)體的直流電阻，單位：ω/m；r0表示20℃時導(dǎo)體的直流電阻，單位：ω/m；α20表示20℃時導(dǎo)體材料溫度系數(shù)；θc表示電纜導(dǎo)體的工作溫度；ys表示集膚效應(yīng)因數(shù)；yp表示鄰近效應(yīng)因數(shù)。

對于套管，可用直流電阻近似代替交流電阻，計算套管未搭接部位通流產(chǎn)熱熱量q1。

當(dāng)絞合導(dǎo)體通過交流電時，由于集膚效應(yīng)，電流集中分布于外層絞線?；诖?，可用一定厚度的空心圓柱代替絞合導(dǎo)體。此時，套管與絞合導(dǎo)體的接觸性質(zhì)類似于平板重疊接頭。假設(shè)絞合導(dǎo)體等效空心圓柱厚度等于套管厚度，則連接體搭接電阻rm為，

式中，σ表示套管電阻率；l0表示套管與導(dǎo)體單端搭接長度；do表示套管外徑；di表示套管內(nèi)徑；k表示電阻比，參考圖3。

另由于固體表面總是粗糙不平的，面面接觸實質(zhì)是接觸界面若干接觸斑點的有效接觸，如圖4所示。當(dāng)電流流過接觸面接觸斑點時，電流線收縮產(chǎn)生收縮電阻，收縮電阻與接觸界面氧化膜形成的膜層電阻構(gòu)成界面總的接觸電阻。實際工程中，微觀參數(shù)很難獲取，要準(zhǔn)確計算兩接觸面的接觸電阻不易實現(xiàn)。往往只能通過接觸壓力，接觸面積等宏觀量的改變達(dá)到控制接觸電阻的目的。工程中，一般用以下經(jīng)驗公式計算接觸面的接觸電阻，

式中，rj表示接觸電阻，mω·m²；f表示接觸壓力，n；m為與接觸形式，壓力大小和實際接觸點數(shù)目有關(guān)，面接觸時可取m＝1；kj為與接觸材料、表面狀況等有關(guān)的系數(shù)，銅-銅接觸可取值0.08～0.14。接觸電阻與接觸面積反相關(guān)。

通過公式(5)和(6)，可計算得導(dǎo)體與套管連接處總電阻，從而得到套管連接處電阻通流產(chǎn)熱熱量q2與q4。

如上所述步驟s4，由套管壓接連接器發(fā)熱模型如圖2，建立傳熱計算方程組，

t1＝ta+ra×q3(6)

t7＝ta+ra×q3(12)

代入上述步驟中所計算的參數(shù)數(shù)值，便可解得溫度分布t1-t7。

實施例二

本實施例針對銅－銅連接的電纜線芯與壓接管，公開一種電纜中間接頭處壓接管傳熱計算方法，具體步驟如下：

1)計算外部環(huán)境熱阻ra，參照iec60287，取單根孤立埋地電纜，其外部熱阻的計算如下式所示，

式中，ρe表示土壤熱阻系數(shù)，單位：k·m/w；u表示電纜軸線至地表距離,單位：mm。

2)計算搭接部位套管的徑向?qū)釤嶙鑢b，參照下式計算可得

式中，ρ表示材料熱阻率，單位：k·m/w；lt表示圓筒壁長度，單位：m；ro，ri表示圓筒壁的內(nèi)、外半徑，單位：mm。

3)計算電纜導(dǎo)體的軸向?qū)釤嶙鑢c、套管軸向?qū)釤嶙鑢d，參照下式計算可得

式中，ρ表示材料熱阻率；lzx表示等溫面之間的距離；szx表示節(jié)點端面面積。

4)計算套管未搭接部位電阻通流產(chǎn)熱熱量q1，參照下式計算可得

r'＝r0×[1+α20(θ-20)]

式中，r'表示在工作溫度下導(dǎo)體的直流電阻，單位：ω/m；r0表示20℃時導(dǎo)體的直流電阻，單位：ω/m；α20表示20℃時導(dǎo)體材料溫度系數(shù)；θc表示電纜導(dǎo)體的工作溫度；

5)計算電纜導(dǎo)體通流產(chǎn)熱熱量q3，參照下式計算可得，

式中，i表示銅導(dǎo)體通過的電流有效值，單位：a；rc表示在工作溫度下導(dǎo)體的交流電阻，單位：ω/m；r'表示在工作溫度下導(dǎo)體的直流電阻，單位：ω/m；r0表示20℃時導(dǎo)體的直流電阻，單位：ω/m；α20表示20℃時導(dǎo)體材料溫度系數(shù)；θc表示電纜導(dǎo)體的工作溫度；ys表示集膚效應(yīng)因數(shù)；yp表示鄰近效應(yīng)因數(shù)。

6)計算第一導(dǎo)體與套管連接處電阻通流產(chǎn)熱熱量q2、套管連接處電阻通流產(chǎn)熱熱量q4，需依次先計算其搭接電阻rm、接觸電阻rj、產(chǎn)熱量，參照下列方程組依次計算可得，

q＝i²(rm+rj)

式中，σ表示套管電阻率；l0表示套管與導(dǎo)體單端搭接長度；do表示套管外徑；di表示套管內(nèi)徑；k表示電阻比；rj表示接觸電阻，單位：mω·m²；f表示接觸壓力，單位：n；m為與接觸形式，壓力大小和實際接觸點數(shù)目有關(guān)，面接觸時可取m＝1；kj為與接觸材料、表面狀況等有關(guān)的系數(shù)，銅-銅接觸可取值0.08～0.14。

7)計算溫度分布，依據(jù)上述計算的參數(shù)數(shù)值，解以下熱路模型方程組

t1＝ta+ra×q3

t7＝ta+ra×q3

代入上述步驟中所計算的參數(shù)數(shù)值，便可解得溫度分布t1-t7。

綜上所述，本發(fā)明切實可行的提出一種基于傳熱學(xué)熱路計算的理論模型，并從理論上計算各關(guān)節(jié)點處溫度數(shù)值，為壓接管尺寸初始設(shè)計及工程施工方案設(shè)計提供重要理論基礎(chǔ)。

上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。