專利名稱：10kV三芯電纜導(dǎo)體溫度的評估方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及傳輸電纜技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種IOkV三芯電纜導(dǎo)體溫度的評估方法。
背景技術(shù)：
目前，為了得到IOkV三芯電纜導(dǎo)體溫度及確定載流量，通常有兩種方法以IEC標(biāo)準(zhǔn)為代表的等效熱路模型計算方法；以有限元仿真為代表的仿真模擬數(shù)值計算方法。
以IEC標(biāo)準(zhǔn)為代表的熱路模型計算方法根據(jù)傳熱學(xué)原理把電纜本體及其周圍環(huán)境構(gòu)建成帶有熱源、熱阻的單向熱傳遞熱路，熱源、熱阻參數(shù)的確定根據(jù)導(dǎo)體的發(fā)熱量、絕緣層介質(zhì)損耗、各材料的熱物性參數(shù)而定。由環(huán)境溫度推算到導(dǎo)體溫度，之后再確定載流量。上述方法存在以下缺陷1、大地表面為等溫面；2、電纜表面為等溫面；3、疊加原理適用；4、所規(guī)定的計算條件十分苛刻。實際上，由于配網(wǎng)IOkV電纜敷設(shè)方式多種，周圍介質(zhì)復(fù)雜土壤不均勻、水分含量不同，以及日負(fù)荷電流變化較大等因素，導(dǎo)致以上因素?zé)o法滿足規(guī)程假設(shè)，進而造成誤差較大。對于多排管敷設(shè)的IOkV配網(wǎng)電纜，其電纜群同時達到最大負(fù)荷的情況可能性極低，若按照最嚴(yán)酷的情況進行假設(shè)計算將導(dǎo)致實際運行中IOkV配網(wǎng)電纜的載流量裕度過大，無法經(jīng)濟高效運行。以有限元仿真為代表的仿真模擬數(shù)值算法根據(jù)實際情況建立模型；輸入各類參數(shù)之后，給各個區(qū)域賦予參數(shù)；劃分網(wǎng)格之后進行數(shù)值求解。數(shù)值算法的計算結(jié)果可以比較接近真實值。缺陷1、針對不同的情況需要建立不同的模型，普適性不足；2、結(jié)構(gòu)參數(shù)、熱物性參數(shù)及邊界條件必須要設(shè)定準(zhǔn)確，否則將導(dǎo)致誤差較大。本發(fā)明中的電纜穩(wěn)態(tài)熱路模型，基于實測的電纜表皮溫度進行穩(wěn)態(tài)導(dǎo)體溫度推算，這樣就避開了 IOkV三芯電纜在不同敷設(shè)情況及不同運行環(huán)境情況下，外部環(huán)境溫度及環(huán)境熱阻復(fù)雜的變化，使得計算結(jié)果更加精確。

發(fā)明內(nèi)容
基于上述情況，本發(fā)明提出了另一種IOkV三芯電纜導(dǎo)體溫度的評估方法。一種IOkV三芯電纜導(dǎo)體溫度的評估方法，包括步驟監(jiān)測所述IOkV三芯電纜的單相導(dǎo)體電流和外護套表皮溫度；計算所述IOkV三芯電纜的導(dǎo)體溫度與所述外護套表皮溫度的溫差；根據(jù)所述溫差與所述外護套表皮溫度，計算所述導(dǎo)體溫度，采用下式計算所述溫差Δ Θ = (Qc+0. 5Qd) Ti+3 (Qc+Qd) · T2+3 [ (1+λ 2) Qc+Qd] · T3上式中，Δ Θ表示所述溫差，T1, T2、T3、Q。、Qd和λ 2分別表示IOkV三芯電纜的絕緣層熱阻、內(nèi)襯層熱阻、外護套熱阻、導(dǎo)體損耗、絕緣層損耗和鎧裝帶損耗系數(shù)，
所述IOkV三芯電纜為非統(tǒng)包IOkV三芯電纜。本發(fā)明IOkV三芯電纜導(dǎo)體溫度的評估方法，基于實測的電纜表皮溫度進行導(dǎo)體溫度推算，避開了 IOkV三芯電纜在不同敷設(shè)情況及不同運行環(huán)境情況下，外部環(huán)境溫度及環(huán)境熱阻復(fù)雜變化帶來的影響，使得評估結(jié)果更精確，適用性更廣。另外，本評估方法還在計算中進行了等效與簡化處理忽略了導(dǎo)體屏蔽層的熱阻，把導(dǎo)體與導(dǎo)體屏蔽共作一層進行考慮，認(rèn)為導(dǎo)體屏蔽層的溫度與導(dǎo)體外表面的溫度相同；把絕緣屏蔽算入絕緣層來進行考慮，兩者的熱阻系數(shù)相同；忽略了 IOkV三芯電纜金屬屏蔽層的損耗及熱阻。從而在保證計算精度的同時簡化了運算?！?br>

圖I為本發(fā)明建立的IOkV三芯電纜穩(wěn)態(tài)導(dǎo)體溫度計算熱路模型；圖2為典型YJV22型IOkV三芯電纜結(jié)構(gòu)圖；圖3為本發(fā)明IOkV三芯電纜導(dǎo)體溫度的評估方法的流程示意圖；圖4為本發(fā)明IOkV三芯電纜導(dǎo)體溫度的評估方法驗證性實驗的實驗裝置電氣接線圖；圖5為熱電偶具體敷設(shè)情況示意圖。
具體實施例方式目前確定IOkV三芯電纜載流量的方法基本分為兩種一種是利用IEC60287標(biāo)準(zhǔn)，在100%負(fù)荷及典型敷設(shè)方式條件下，部分帶入經(jīng)驗值，計算穩(wěn)態(tài)載流量；另一種是在多排管敷設(shè)電纜負(fù)荷電流相同情況下進行載流量實驗，通過實驗確定電纜群實際運行時的載流量。本發(fā)明在計算IOkV三芯電纜穩(wěn)態(tài)導(dǎo)體溫度及確定載流量方面提出了新的思路省去傳統(tǒng)計算載流量時的環(huán)境溫度測量以及不用考慮多變的環(huán)境熱阻，并且在電纜群中各電纜不同負(fù)荷電流大小情況下也可以進行計算。下面從IOkV三芯電纜產(chǎn)熱與傳熱過程開始詳細(xì)介紹本發(fā)明。I、對單相單位長度導(dǎo)體、絕緣及絕緣屏蔽層的產(chǎn)熱與傳熱進行分析，其過程是由于導(dǎo)體銅的導(dǎo)熱性能遠遠超過絕緣層，所以可以忽略導(dǎo)體的熱阻，只計及導(dǎo)體熱效應(yīng)產(chǎn)生的導(dǎo)體損耗Q。，對絕緣及絕緣屏蔽層的介質(zhì)損耗及熱阻進行η型等效分布，熱阻為T1，介質(zhì)損耗分布在熱阻兩邊分別為O. 5Qd。2、由于IOkV三芯電纜的結(jié)構(gòu)如圖2所示，根據(jù)熱路與電路相對應(yīng)性質(zhì)，把三根單位長度導(dǎo)體、絕緣及絕緣屏蔽層的熱流源與熱阻進行并聯(lián)。3、由于金屬屏蔽層的厚度相對于絕緣層非常小，并且銅金屬屏蔽的熱阻及電阻都極小，所以可以忽略三個金屬屏蔽層的熱阻及其總損耗3 λ A。。4、由于內(nèi)襯層的結(jié)構(gòu)不規(guī)則，分布不均勻，導(dǎo)致內(nèi)襯層的熱阻T2計算復(fù)雜，本發(fā)明關(guān)于內(nèi)襯層熱阻T2計算基于IEC60287中的圖解法。5、根據(jù)熱力學(xué)定律，以IOkV三芯電纜中包帶為邊界，其內(nèi)部的三根導(dǎo)體、絕緣及絕緣屏蔽層、金屬屏蔽層的總損耗在經(jīng)過鎧裝向外護套層散熱的同時，還需加上鎧裝帶中的損耗3 λ 2Q。，所有熱量經(jīng)過外護套T3后，最終通過電纜表皮向外部環(huán)境散熱。經(jīng)過以上產(chǎn)熱及熱傳遞過程分析，建得熱路圖如圖I所示，(注雖然忽略金屬屏蔽層的熱阻及損耗，但依然將其在熱路圖中表示出來)本發(fā)明IOkV三芯電纜導(dǎo)體溫度的評估方法包括步驟如下步驟S101、監(jiān)測所述IOkV三芯電纜的單相導(dǎo)體電流I和外護套表皮溫度Θ。；步驟S102、計算所述IOkV三芯電纜的導(dǎo)體溫度與所述外護套表皮溫度的溫差，所述溫差的計算公式如下Δ Θ = (Qc+0. 5Qd) Tj+3 (Qc+Qd) · T2+3 [ (1+ λ 2) Qc+Qd] · T3上式中，Δ Θ表示所述溫差，T1, T2、T3、Q。、Qd和λ 2分別表示IOkV三芯電纜的絕緣層熱阻、內(nèi)襯層熱阻、外護套熱阻、導(dǎo)體損耗、絕緣層損耗和鎧裝帶損耗系數(shù)；步驟S103、根據(jù)所述溫差Λ Θ與所述外護套表皮溫度Qtl，計算所述導(dǎo)體溫度 θ1:Q1= Δ θ + Θ 0如步驟SlOl所述，本評估方法需要IOkV三芯電纜的單相導(dǎo)體電流大小的監(jiān)測數(shù)據(jù)，及外護套表皮溫度的監(jiān)測數(shù)據(jù)。單相導(dǎo)體電流大小可由電流互感器測量得到，表皮溫度可由熱電偶及測溫儀或是光纖測溫系統(tǒng)等設(shè)備得到。本評估方法適用于非統(tǒng)包及穩(wěn)態(tài)的IOkV三芯電纜。通過監(jiān)測得到的電纜表皮溫度數(shù)據(jù)，判定IOkV三芯電纜的溫度場是否達到穩(wěn)態(tài)，當(dāng)溫度監(jiān)測設(shè)備測得的表皮溫度數(shù)據(jù)在5分鐘時間段內(nèi)其變化小于O. 5°C，則可認(rèn)為電纜溫度場達到穩(wěn)態(tài)。根據(jù)每層材料熱阻系數(shù)等物性參數(shù)，通過以下公式獲得步驟S102中提及的IOkV三芯電纜中絕緣及絕緣屏蔽層熱阻Tl、內(nèi)襯層熱阻T2及外護套層熱阻T3 ;導(dǎo)體損耗Qc、絕緣層損耗Qd、鎧裝帶損耗系數(shù)λ 2。(I)絕緣層熱阻Tl:目前實際運行的IOkV三芯電纜多是金屬帶屏蔽型，依照IEC60287標(biāo)準(zhǔn)需要把該類型電纜先作為dl/d=0. 5的帶絕緣電纜考慮(d為導(dǎo)體之間絕緣厚度，dl為導(dǎo)體與金屬屏蔽層之間的絕緣厚度)，然后計及金屬屏蔽層的導(dǎo)熱效應(yīng)，需要乘以屏蔽因素K。式I中P τ為絕緣材料熱阻系數(shù)，K · m/ff ；K為屏蔽因數(shù)；G為幾何因數(shù)。注屏蔽因數(shù)K、幾何因數(shù)G需要參考IEC60287標(biāo)準(zhǔn)中的圖解法進行求解，在此不過多進行說明。(2)內(nèi)襯層熱阻T2:
_6] T2=^⑵式2中=Gtl為內(nèi)襯層的幾何因數(shù)，具體計算參考IEC60287標(biāo)準(zhǔn)中的內(nèi)襯層熱阻圖解法。(3)外護套層熱阻T3:
( 9 \ \=—In I + ~-
2冗L Dj⑶式3中d3為外護套厚度，mm ；Da為銷裝外徑，mm。
(4)導(dǎo)體損耗Qc :Qc = I2R (4)式4中1為單相導(dǎo)體負(fù)荷電流，A ;R為90°C下導(dǎo)體單位長度的交流電阻，Ω/m。導(dǎo)體的交流電阻還需考慮到集膚效應(yīng)以及鄰近效應(yīng)，其關(guān)系如下式R = RZ(1+YS+YP)(5)式5中1為集膚效應(yīng)因數(shù)；YP為鄰近效應(yīng)因數(shù)；RZ為90°C時導(dǎo)體單位長度直流電阻，Ω/m。90°C時導(dǎo)體直流電阻Rz :
Rz = R0[l+a20( Θ -20)] (式 6)式6中RQ為20°C時導(dǎo)體的直流電阻，Ω/m ;a2(l為20°C時交聯(lián)聚乙烯的溫度系數(shù)；Θ為交聯(lián)聚乙烯的耐受溫度90°C，(IVa2tl可通過GB/T3956-1997查得)。集膚效應(yīng)因數(shù)Ys:
j^-4Ys =----r(J)
s 192 + 0.8Λ 、"
，%7t f —7ks (8)上式中f為電源頻率，Hz ;對于圓絞線或是壓緊圓絞線其ks值的經(jīng)驗值為I。鄰近效應(yīng)因數(shù)Yp:
Y4 /I \2\2{ I O
_5]x a312IvJ+ 4 |02,(9)
192 + 0.8^ + '
, %π f _nXp =_^x10 'kP(10)上式中d。為導(dǎo)體直徑,mm ；s為各導(dǎo)體軸心之間距離,mm ;對于圓絞線或是壓緊圓絞線其kp的經(jīng)驗值為O. 8。(5)絕緣層損耗Qd:Q! = OJ'C'U^ tgS(11)A ii中ω=2 Ji f ；U0為相電壓,V ；tg δ在電源系統(tǒng)和工作溫度下絕緣損耗因數(shù)；C為單位長度電纜電容，F(xiàn)/m。 單位長度電纜電容
C = ^f^Xl(r9(12)
剛18ln
UJ式12中ε為絕緣材料的介電系數(shù)，IOkV交聯(lián)聚乙烯通常取值為2. 5 為絕緣層直徑，mm ；dc為導(dǎo)體直徑，mm。(6)鎧裝帶損耗系數(shù)λ 2
鎧裝損耗為磁滯損耗和渦流損耗之和λ 2 = λ ' 2+λ " 2(13)磁滯損耗
權(quán)利要求
1.一種IOkV三芯電纜導(dǎo)體溫度的評估方法，其特征在于，包括步驟 監(jiān)測所述IOkV三芯電纜的單相導(dǎo)體電流和外護套表皮溫度； 計算所述IOkV三芯電纜的導(dǎo)體溫度與所述外護套表皮溫度的溫差； 根據(jù)所述溫差與所述外護套表皮溫度，計算所述導(dǎo)體溫度， 采用下式計算所述溫差 Δ Θ = (Qc+0. 5Qd) Ti+3 (Qc+Qd) · T2+3 [ (1+λ 2) Qc+Qd] · T3 上式中，Δ Θ表示所述溫差，TpHQc^Qd和入2分別表示IOkV三芯電纜的絕緣層熱阻、內(nèi)襯層熱阻、外護套熱阻、導(dǎo)體損耗、絕緣層損耗和鎧裝帶損耗系數(shù)， 所述IOkV三芯電纜為非統(tǒng)包IOkV三芯電纜。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的IOkV三芯電纜導(dǎo)體溫度的評估方法，其特征在于，所述1\、T2> T3、Q。、Qd和λ 2的表達式依次為
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的IOkV三芯電纜導(dǎo)體溫度的評估方法，其特征在于，通過電流互感器監(jiān)測所述IOkV三芯電纜的所述單相導(dǎo)體電流。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的IOkV三芯電纜導(dǎo)體溫度的評估方法，其特征在于，通過熱電偶及測溫儀或是光纖測溫系統(tǒng)監(jiān)測所述IOkV三芯電纜的所述外護套表皮溫度。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的IOkV三芯電纜導(dǎo)體溫度的評估方法，其特征在于，當(dāng)所述熱電偶及測溫儀或是光纖測溫系統(tǒng)測得所述IOkv三芯電纜的外護套表皮溫度在5分鐘內(nèi)變化小于O. 5°C時，認(rèn)為所述IOkV三芯電纜的溫度場達到穩(wěn)態(tài)，以穩(wěn)態(tài)后所測得的溫度作為所述IOkV三芯電纜的所述外護套表皮溫度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種10kV三芯電纜導(dǎo)體溫度的評估方法，基于實測的電纜表皮溫度進行導(dǎo)體溫度推算，避開了10kV三芯電纜在不同敷設(shè)情況及不同運行環(huán)境情況下，外部環(huán)境溫度及環(huán)境熱阻復(fù)雜變化帶來的影響，使得評估結(jié)果更精確，適用性更廣。另外，本評估方法還在計算中進行了等效與簡化處理忽略了導(dǎo)體屏蔽層的熱阻，把導(dǎo)體與導(dǎo)體屏蔽共作一層進行考慮，認(rèn)為導(dǎo)體屏蔽層的溫度與導(dǎo)體外表面的溫度相同；把絕緣屏蔽算入絕緣層來進行考慮，兩者的熱阻系數(shù)相同；忽略了10kV三芯電纜金屬屏蔽層的損耗及熱阻。從而在保證計算精度的同時簡化了運算。
文檔編號G01K3/10GK102928101SQ20121042966
公開日2013年2月13日 申請日期2012年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月31日
發(fā)明者李文祥, 謝堅純, 楊曉東, 辛平野 申請人:廣州供電局有限公司