单芯电缆线芯温度的非线性有限元法实时计算

考虑电缆材料热性参数是温度的函数及忽略热量沿着线芯轴向传输所造成的线芯温度计算误差,为提高电缆线芯温度计算的精度,提出基于非线性有限单元法计算电缆导体的温度。研究电缆导体径向、轴向温度梯度以及热量扩散规律,分析运行电流、外界环境温度等因素对电缆线芯轴向、径向温度分布的影响。根据传热学原理,研究电缆热性参数随温度变化对电缆导体温度的影响,建立电缆导体温度计算三维非线性有限元模型,并通过实验数据对非线性有限元模型进行验证和修正。实验和有限元仿真的对比表明：忽略电缆热量沿着轴向传输以及热性参数的改变会造成线芯温度计算误差;所提出的电缆导体温度实时计算非线性有限元模型的有效性,为高温下运行电缆导体温度监测与负荷预测奠定了基础。     

基于电磁耦合的电缆导体运行温度直接测量方法

为测量电缆导体运行温度,提出了一种基于电磁耦合原理的电缆导体运行温度直接测量方法,通过在电缆接头处植入测温传感器,直接获取电缆导体的运行温度。与现有的测量电缆表皮温度后根据热力学模型计算导体温度的方法相比,该方法可以快速精确测量电缆接头处导体的实时温度,从而及时发现局部发热点。根据传感器电路结构的不同,直接测温技术分为2种基本方式:有源传感器方式和无源传感器方式。有源传感器方式的测温精度较高,而无源传感器方式则具有传感器体积小、测温范围宽的优点。详细介绍了一种有源传感器测温模块的安装方法,并搭建了测试系统,进行了阶跃电流下单芯110kV电缆的模拟现场温升试验。结果表明,植入的传感器模块不影响电缆接头的电气性能,所测温度与模拟回路直接测量的温度曲线在形状及响应趋势上完全一致,验证所提出方法的有效性。     

500 kV充油海底电缆导体温度分布式光纤传感监测及应用

依据海南联网系统500 kV海底电缆捆绑特殊海底光缆的实际情况,通过分布式光纤传感技术结合经有限元仿真模型优化的IEC60287热路模型的方法可以监测海底电缆内部的温度分布。在实验室中搭建岸上模拟实验平台,利用中压电缆捆绑光纤的结构进行捆绑电缆岸上模拟实验。同时,将经验证的温度监测方法应用于海南联网系统500 kV海底电缆,以C相空气段为例监测捆绑电缆光单元的温度。采用有限元仿真计算电缆表面的温度,根据电缆表面的温度基于热路模型推导出对应的导体温度,得到电缆导体在实际运行过程中的温度变化。岸上模拟实验测量的导体温度与数值计算得到导体温度的误差低于1.77%, 验证了海底电缆导体温度监测方法的准确性。     

计及轴向传热的中低压单芯电缆导体温升状态空间模型

电力电缆导体温度可为线路载流量及运行状态的评估提供依据。然而,在当前电缆温度计算中,导体的轴向温度分布通常被忽略,无法准确描述电缆运行的热动态过程。为此,基于热平衡原理,在状态空间内提出了计及轴向传热的中低压单芯电缆导体的温升模型。为克服模型参数难以确定的问题,提出了基于粒子群优化算法的电缆热路参数辨识方法。为验证模型精度,建立了电缆温升实验平台,在不同电流下对空气中敷设电缆进行了轴向温升实验。计算结果与实验结果的对比表明,当电缆存在轴向温度梯度时,所提状态空间模型结果精度高于IEC60287标准模型,能够满足中低压单芯电缆导体在不同电流条件下的轴向温升计算要求。     

基于ANSYS CFX的架空线路近温度场的研究

研究架空导线周围温度场的分布,有助于为温度监测设备的敷设和测温方式提供参考借鉴,有助于进一步研究导线粘连机理。使用有限元分析工具,以JL/G1A 300/40导体实际结构为例,将导体周围空气温度分布可视化呈现;结合仿真结果,在封闭室内对JL/G1A 300/40进行大电流实验,并分别测量上方、侧面、下方不同位置温度分布,实验结果显示,自然对流情况下,导体周围温度衰减强烈,导体上方温度在20 cm、侧面2 cm以及下方2 cm处可认为已是环境温度;采用接触式测温设备时,测温部位与导体接触方式将严重影响测量结果。     

采用均热铜环实现由三芯电缆表面温度准确计算导体温度的方法分析

运行电缆的表面温度是计算三芯电缆导体温度的重要参数。通过推导稳态下三芯电缆表面温度与导体温度的关系,分析表面温度对导体温度的灵敏度,并在不同电流下采用不同厚度的铜环进行测温实验,对比分析铜环测温的有效性。试验结果表明,铜环的厚度对测温精度影响不大,使用铜环测温方法,能减少三芯电缆表面温度的测温误差,使三芯电缆导体温度的计算更为准确,且在大电流运行状态下效果更显著。     

对流条件下架空导线载流-温度分布热路模型构建

由于架空导线径向温差的存在,仅仅以监测得到的架空线路表层温度表征导线温度,为线路安全运行埋下隐患。为此,本文根据架空导线内部导体结构特征,借鉴热电比拟思想,提出了导线内部温度分布热路模型,并确定了分布接触热阻和分布内热源的计算方法;为验证模型精度,设计并搭建升流实验系统和风洞测温实验平台,以LGJ240/30mm~2导线为例,对自然对流条件和强制对流条件下的模型计算结果进行实验验证和分析。验证结果表明:自然对流条件下,各层导体温度的平均相对误差为4.6%,强制对流条件下各层导体温度的平均相对误差仅为1.54%;径向温差的计算精度高于IEEE标准模型。     

基于多点分布式光纤光栅的GIS隔离开关触头温度在线监测技术

GIS设备导体触头温升过高会引发重大事故,光纤光栅技术在电气设备温度在线监测方面具有广泛的应用前景。针对光纤光栅温度传感器无法直接安装在导体触头表面进行温度测量的难题,提出了一种基于测量多点外壳温度及环境温度,从而间接计算导体触头温度的方法。建立了单相GIS隔离开关三维有限元计算模型,得到GIS内部温度分布规律,确定了多个光纤光栅温度传感器的最优安装位置。进行GIS隔离开关温升实验,将实验数据与仿真结果进行了比较,验证了仿真计算模型的准确性。最后利用人工神经网络算法对环境温度、外壳温度和导体触头温度进行了曲线拟合,计算结果与实测数据对比表明本方法具有较高准确度。该在线测温方法简单有效,无需破坏现有GIS设备的结构,具有较好的应用前景。     

考虑接触电阻下的电缆接头热点温度

电缆接头内部热点温升是电力电缆的重要问题,有必要研究接触电阻对热点温度的影响。首先,建立了电缆接头及电缆本体的2维轴对称模型。通过不同接触电阻等效模型下的温度场仿真对比,其热点温度相对误差不超过1%,从而确定了接触电阻的等效模型。然后,分别对有无接触电阻的模型进行温度场仿真分析,其热点温度相对误差达10.2%,确定了考虑接触电阻的必要性。最后,在电缆接头温升试验平台进行了试验,比较了测量数据与有限元仿真数据,其热点温度相对误差不超过7%,可以满足工程应用的需要。     

电缆导体温度的推算方法及应用

分布式光纤测温(DTS)技术已经在电缆上得到应用,这为准确计算运行中电力电缆导体温度,掌握电缆真实载流量创造了条件。应用集中参数法的数学模型,推出根据电缆外护套温度计算导体温度的算法,对影响计算精度的因素进行了讨论。最后介绍了根据这种算法编制的软件的应用情况。     

基于IEC 60287和有限元法的高压海底电缆温度场分析方法

高压交联聚乙烯(XLPE)海底电缆结构复杂、敷设环境特殊,分析导体温度时需要考虑较多因素。笔者详细介绍了海缆分层及参数计算注意事项,参照IEC 60287标准进行计算,建立了海缆的精确热路模型,获得了海缆导体温度及各层温度的矩阵方程。采用有限元方法仿真了不同环境温度及负荷下的海缆温度场,环境温度在14~24℃之间、电流在100~500 A之间变化时,热路模型与有限元仿真获得的导体温度偏差小于0.3℃。仿真结果表明,热路模型得到的导体温度及各层温度关系的计算精度满足要求,且与外界环境温度无关,为精确计算海缆导体温度提供参考。     

110kV电缆中间接头载流能力计算与实验分析

为了评估110 kV电压等级电缆中间接头的载流能力,采用热路法分析了中间接头与电缆本体的径向导热差异,及中间接头轴向传热的影响范围。基于理论分析,建立了有限长中间接头1/2轴切面几何模型,利用有限元仿真工具,迭代计算了中间接头载流量。模拟空气敷设环境,进行了大电流温升实验,得到了中间接头局部温度分布规律。研究结果表明:中间接头径向温差大于电缆本体径向温差,对应中间接头径向热阻大于电缆本体径向热阻;中间接头轴向传热影响范围小,靠近中间接头的电缆本体导体温度轴向分布均匀;随着负荷增大,中间接头与电缆本体的导体温差增大;空气敷设环境下,考虑中间接头的110 kV电缆线路载流量降低145 A;采用有限长轴切面几何模型仿真计算中间接头导体温度,计算相对误差小于6%。该研究结果可以为电力调度及运行维护部门考量电缆中间接头对110 kV电缆线路载流量的限制作用提供参考。     

基于IEC 60287和有限元法的高压海底电缆温度场分析方法

高压交联聚乙烯(XLPE)海底电缆结构复杂、敷设环境特殊,分析导体温度时需要考虑较多因素。笔者详细介绍了海缆分层及参数计算注意事项,参照IEC 60287标准进行计算,建立了海缆的精确热路模型,获得了海缆导体温度及各层温度的矩阵方程。采用有限元方法仿真了不同环境温度及负荷下的海缆温度场,环境温度在14~24℃之间、电流在100~500 A之间变化时,热路模型与有限元仿真获得的导体温度偏差小于0.3℃。仿真结果表明,热路模型得到的导体温度及各层温度关系的计算精度满足要求,且与外界环境温度无关,为精确计算海缆导体温度提供参考。     

基于分布式光纤测温技术的超导电缆 局部失超检测和保护方法

现有失超保护方法大多只能检测出整体失超故障,而不能有效反映局部失超故障。为此,根据超导电缆发生局部失超后,导体层沿线温度波形出现波峰特征,提出了一种基于分布式光纤测温技术的超导电缆局部失超检测和保护方法。该方法利用光纤测温系统测量超导电缆导体层沿线温度,使用高斯滤波进行测温数据的消噪处理,通过多分辨形态学梯度(MMG)辨识沿线温度波形中波峰的上下边沿,进而计算确定局部失超发热区域。最后根据发热区域的大小和温升情况,进行告警和跳闸。仿真结果表明,所提出的方法具有良好的抗噪性能,可准确检测和判断失超发热区域和失超故障严重程度,有效保证超导电缆运行安全。     

电缆导体温度及过负荷能力的研究

导体温度是反应电力电缆运行状态的重要参数,对于含有内置光纤的电力电缆,通过建立光纤到电缆导体的热路模型,推导出导体温度变化表达式,利用光纤所测得温度和实时负荷计算电缆导体的温度,并搭载了实验平台,实际测试电缆导体温度与电缆导体温度计算结果相比较。研究发现:本文提出的计算电缆导体温度的方法满足工程需要,误差来源于光纤测量系统、电缆自身热物性参数和土壤热阻系数,其中土壤热阻系数越大误差越大;实际运行中的电缆线路具有很大的裕度,对于2 200 mm~2和1 400 mm~2电力电缆而言,以60%额定载流量能持续运行8 h为基准,2 200 mm~2的电缆可以施加1.45倍的过负荷,1 400 mm~2电力电缆可以施加1.28倍的过负荷。     

测温型盆式绝缘子在GIS中的应用

全封闭组合电器设备作为一种当今现场广为使用的电气设备,常因导体接触不良等故障,导致其温度不断上升,从而引发事故发生。文中对GIS中盆式绝缘子导体热点分布情况进行分析,将荧光光纤温度传感器植入盆式绝缘子内部,直接测量导体温度。并对内置光纤传感系统的电场分布和加入光纤系统后的电场分布进行了分析并通过实验验证,明确使用光纤传感系统的安全性。并通过GIS温升试验对比光纤测温与内置热电偶测温,说明光纤测温的有效性。     

组合电器波纹管异常发热的诊断与处理

介绍了一起220 kV组合电器母线波纹管发热的实际案例，首先结合波纹管结构，提出了可能引起发热的2种原因，环流发热和导体发热，并通过理论分析比较2种发热的温度特征存在的差异，进而与现场红外测温图谱比对，并对发热部位开展进一步的拆解检查，最终确定发热原因为导体插接处接触不良。然后通过建立相同结构的三维仿真模型，对环流发热和导体发热时波纹管的温度特征进行仿真计算，得出的结论与案例中分析结果一致，从而验证了案例分析过程和结果的正确性，对同类型故障的识别与诊断具有一定的借鉴作用。     

10kV MYPTJ型矿用电缆线芯动态温度监测方法

线芯温度是反映电缆正常运行与否的重要参数,线芯温度过高会加速电缆绝缘老化,导致电缆绝缘水平降低。针对电缆线芯温度测量一直缺乏有效监测方法的问题,笔者提出基于电缆绝缘层温度和运行电流计算电缆线芯温度的方法。根据10 kV矿用高压电缆物理结构,建立了线芯温度计算模型,设计了电缆线芯动态温度实验方案,采用红外热像仪测量剥去护套的电缆绝缘层温度和线芯温度,利用热路模型反演计算线芯温度,并进行了实验验证。实验结果表明,线芯温度计算值与测量值之间的误差低于5%,监测方法满足电缆线芯温度实时监测要求。     

220 kV交联海缆的低频载流能力及温度场分布仿真研究

柔性低频输电系统在提升输电容量、减小线路充电无功、改善输电通道末端电压质量等方面具有优越性，可以有效满足中、远距离海上风电高效汇集送出等迫切需求。为研究海底电缆在低频条件下的运行特性，本文搭建了考虑外界敷设环境影响下的220 kV交联聚乙烯电-磁-热-流多物理场耦合有限元仿真模型，分析了不同敷设段中50 Hz和20 Hz频率下运行的海底电缆稳态载流量和温度场分布情况，并基于IEC 60287:1995建立的海底电缆稳态热路模型和低频海缆发热仿真的典型案例，对有限元仿真进行验证。结果表明：在陆地段、入海段和海底段等不同敷设环境下，仿真模型的载流量和温度场分布计算结果与IEC解析公式的相对误差都在3%以内，表明本文提出的220 kV交联电缆温度场仿真模型具有较好的准确性和有效性；频率降低可以减小线芯交流电阻值、改善电缆导体中的电流分布、减小电缆各部分的运行损耗，从而降低电缆的整体运行温度，有利提升电缆的传输容量。     

电缆分布式光纤测温系统测量结果符合性的比对试验

为验证应用在电缆线路上的分布式光纤测温系统(DTS)对电缆导体温度和动态载流量计算的符合性,实时测量了不同的敷设环境下电缆在施加相应的负荷电流时的导体温度,以此验证了DTS的导体温度和动态载流量计算符合性,并完成了隧道、直埋等典型敷设环境条件下的周期负荷、随机负荷电流等条件下验证试验研究。结果表明,比对试验方法可有效判断应用在电缆线路上的DTS的性能;有效验证DTS对电缆导体温度和动态载流量计算的符合性;提高DTS计算的精确性;提高DTS在电缆线路安全运行中应用的作用。