一種10kV三芯電纜溫度場模型建立方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及1kV三芯電纜溫度場分布與載流量計算的技術(shù)領(lǐng)域，尤其是指一種1kV三芯電纜溫度場模型建立方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電力電纜在配電網(wǎng)中使用量的逐年增加，相應(yīng)的診斷維護(hù)工作也越來越重要。線芯溫度作為XLPE電纜的一個重要運行參數(shù)，是判斷電纜運行狀態(tài)及其實際載流量的重要依據(jù)；正常運行時，電纜的線芯溫度不超過交聯(lián)聚乙烯的最高工作溫度((90°C );一旦過負(fù)荷，電纜線芯溫度將急劇上升，從而加速絕緣老化甚至引發(fā)火災(zāi)事故；要準(zhǔn)確掌握電纜的真實載流量需要先計算電纜的線芯溫度，從而間接判斷負(fù)載電流是否超過最大允許載流量。因此，從安全運行和電力系統(tǒng)調(diào)度的角度出發(fā)，都需要實時監(jiān)測XLPE電纜的線芯溫度。
[0003]實際工程中直接測量XLPE電纜的線芯溫度難以實現(xiàn)，需要建立合適的電纜熱路模型并由外部溫度推算求得線芯溫度。隨著分布式光纖測溫技術(shù)(DTS)的發(fā)展與推廣，已有在XLPE電纜線路上應(yīng)用光纖測溫系統(tǒng)監(jiān)測電纜護(hù)套溫度的實例，這無疑為計算電纜線芯溫度、掌握電纜運行狀態(tài)及其真實載流量創(chuàng)造了有利條件。
[0004]因此，尋找一種準(zhǔn)確計算1kV配網(wǎng)三芯電纜導(dǎo)體溫度的方法對于保證電纜線路安全穩(wěn)定運行有著重要的意義。建立符合三芯電纜內(nèi)部傳熱特性的熱路模型，能實現(xiàn)由電纜表面溫度準(zhǔn)確監(jiān)測實時電纜導(dǎo)體溫度。實時測量的電纜表面溫度，綜合反映了配網(wǎng)三芯電纜負(fù)荷變化和敷設(shè)環(huán)境、敷設(shè)方式的影響，且模型只需實現(xiàn)溫度的計算，不需要對其它模態(tài)參數(shù)(如風(fēng)速、太陽輻射量等)的建模，直接可靠，能滿足電網(wǎng)運行部門監(jiān)控配網(wǎng)電纜實時導(dǎo)體溫度的需求。同時，三芯電纜的熱路模型能應(yīng)用于計算電纜加載應(yīng)急負(fù)荷時的應(yīng)急時間，很好地解決了運行中配網(wǎng)三芯電纜能否接受短時過載，允許過載的時間多長的問題。三芯電纜線芯溫度的準(zhǔn)確計算可為運行中負(fù)荷的控制提供參考，保證電纜的可靠性，并最大限度發(fā)揮電纜的輸送能力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種1kV三芯電纜溫度場模型建立方法，建立的1kV三芯電纜穩(wěn)態(tài)熱路模型可用于數(shù)值計算，通過所建立的熱路模型和測量的電纜表皮溫度來準(zhǔn)確計算電纜線芯溫度，從而防止電纜運行過程中載流量過大而導(dǎo)致的事故。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所提供的技術(shù)方案為:一種1kV三芯電纜溫度場模型建立方法，包括以下步驟:
[0007]I)利用ANSYS仿真軟件對加載電流的1kV三芯電纜進(jìn)行熱場仿真，得到1kV三芯電纜徑向截面的溫度場分布圖；
[0008]2)根據(jù)所得的電纜徑向截面溫度場分布圖，利用分割法結(jié)合電纜對稱結(jié)構(gòu)和等溫線對電纜截面進(jìn)行分割，把電纜按照三個線芯切成三等分，選取其中的三分之一作為研宄對象，
[0009]3)結(jié)合傳熱學(xué)與電纜徑向截面溫度場分布圖對選取的三分之一電纜結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱路模型的建立，將處在同圖等溫線上的電纜結(jié)構(gòu)層作為熱路模型中的節(jié)點；
[0010]4)確定熱流量流經(jīng)電纜各層材料熱阻及產(chǎn)生的損耗；
[0011]5)根據(jù)1kV三芯電纜的溫度場分布圖、所確定的熱路模型的各個節(jié)點、各節(jié)點之間的熱阻以及各種材料的損耗，建立1kV三芯電纜穩(wěn)態(tài)熱路模型。
[0012]在步驟I)中，利用ANSYS仿真軟件，對1kV三芯電纜進(jìn)行熱場仿真，得到其徑向截面溫度場分布圖，根據(jù)電纜內(nèi)部從導(dǎo)體到電纜表面的傳熱特點，做出如下建模假設(shè):
[0013]A.電纜各層材料的幾何參數(shù)恒定，忽略溫度對于幾何參數(shù)的影響；
[0014]B.忽略軸向傳熱，且認(rèn)為電纜軸對稱，且沿圓周方向均勻傳熱，即熱量沿徑向一維傳導(dǎo)；
[0015]C.假定電纜的導(dǎo)體、金屬護(hù)套以及鎧裝為發(fā)熱均勻的等溫體；
[0016]D.由于電纜的導(dǎo)體屏蔽層、絕緣屏蔽層較薄，將導(dǎo)體屏蔽層和絕緣屏蔽層歸并到絕緣層；
[0017]在步驟2)中，根據(jù)所得的電纜徑向截面溫度場分布圖，利用分割法結(jié)合電纜對稱結(jié)構(gòu)和等溫線對電纜截面進(jìn)行分割，分割方式為:以電纜中心為起點，連接一根線芯與另外兩根線芯的切點，然后延伸至電纜表皮，把電纜三等分，取其中三分之一為研宄對象；
[0018]根據(jù)電纜剖面結(jié)構(gòu)和電纜徑向截面溫度場分布可知，靠近電纜線芯的結(jié)構(gòu)，如絕緣層、填充層這些明顯不是各個方向上等溫，而是在電纜中心到線芯中心的三個連線方向上，溫度梯度最大，在電纜中心到絕緣層間切點的連線方向上，溫度梯度最小，這是由于在前者的方向上，填充層最厚，而在后者的方向上，填充層最薄，電纜表面在理想條件下接近均溫，這是由于靠近電纜表面有一層金屬鎧裝層，其導(dǎo)熱系數(shù)較大，起到一定的均溫作用，若只就穩(wěn)態(tài)下單根三芯電纜的散熱，總體上還是表現(xiàn)為三個線芯及所圍成的中心區(qū)域，整體向電纜表面?zhèn)鳠岬倪^程；
[0019]在步驟3)中，結(jié)合傳熱學(xué)與電纜徑向截面溫度場分布圖對選取的三分之一電纜結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱路模型的建立，將處在同圖等溫線上的電纜結(jié)構(gòu)層作為熱路模型中的節(jié)點，如下:
[0020]3.1)將電纜導(dǎo)體作為第一個節(jié)點，記為A ；
[0021]3.2)將電纜的金屬護(hù)套作為熱路模型的第二個節(jié)點，記為B ;
[0022]3.3)將電纜的鎧裝層作為熱路模型的第三個節(jié)點，記為C ;
[0023]3.4)將電纜的表面作為第四個節(jié)點，記為D ;
[0024]在步驟4)中，確定熱流量流經(jīng)電纜各層材料熱阻及產(chǎn)生的損耗，如下:
[0025]4.1)第一個節(jié)點和第二個節(jié)點間是電纜三個導(dǎo)體到絕緣層傳熱回路的并聯(lián)結(jié)構(gòu)，其中包含線芯電纜導(dǎo)體及內(nèi)屏蔽層產(chǎn)生的損耗Q。、線芯絕緣及絕緣屏蔽層的介質(zhì)損耗Qd、線芯絕緣層熱阻T1;
[0026]4.2)第二節(jié)點和第三節(jié)點之間是電纜填充層及內(nèi)護(hù)套的等效熱阻；
[0027]4.3)第三節(jié)點和第四節(jié)點之間是電纜外護(hù)套等效熱阻；
[0028]在步驟5)中，根據(jù)1kV三芯電纜的溫度場分布圖、所確定的熱路模型的各個節(jié)點、各節(jié)點之間的熱阻以及各種材料的損耗，建立1kV三芯電纜穩(wěn)態(tài)熱路模型。
[0029]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點與有益效果:
[0030]針對與建立適用于工程計算的1kV三芯電纜熱路模型，本發(fā)明提出對電纜徑向截面進(jìn)行分割處理，然后根據(jù)所分割出來的圖形，可認(rèn)為不規(guī)則的單芯電纜，結(jié)合傳熱學(xué)中熱路與電路的相通性，對其建立熱路模型。建立的1kV三芯電纜穩(wěn)態(tài)熱路模型可用于數(shù)值計算，通過所建立的熱路模型和測量的電纜表皮溫度來準(zhǔn)確計算電纜線芯溫度，從而防止電纜運行過程中載流量過大而導(dǎo)致的事故。
【附圖說明】
[0031]圖1為1kV三芯電纜溫度場分布圖。
[0032]圖2為三分之一電纜徑向截面圖。
[0033]圖3為1kV三芯電纜的剖面結(jié)構(gòu)圖。
[0034]圖4為1kV三芯電纜穩(wěn)態(tài)熱路模型。
【具體實施方式】
[0035]下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0036]本實施例所述的1kV三芯電纜溫度場模型建立方法，是以YJV22 — 8.7/10—3 X 240mm2三芯電纜為例，其具體情況如下:
[0037]I)利用ANSYS仿真軟件，對1kV三芯電纜進(jìn)行熱場仿真，得到其徑向截面溫度場分布圖，如圖1所示。根據(jù)電纜內(nèi)部從導(dǎo)體到電纜表面的傳熱特點，做出如下建模假設(shè):
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