电缆导体温度实时计算的数学方法

为准确实时计算运行中电力电缆线路导体温度以掌握电缆真实载流量,根据电缆等效热路与电路在数学形式上相同的特点,用电路中的节点电压法求解电缆热路问题并提出了解决上述问题的数学方法。研究证明,通过实测电缆外护套表面温度可算出实时电缆导体的温度。     

电力电缆运行过程中的热机械性能变化

电力电缆载荷工作时, 处于一定温度, 具有热胀冷缩和塑性变形性能, 因此将产生热机械性能变化, 主要表现为热伸缩和热应力变化, 这严重危害电缆及附件的安全运行。通过对导体与绝缘材料的轴向热伸缩变化和热应力的计算, 研究了热机械性能变化对电缆使用和敷设过程的影响, 简述了电缆及附件在设计、生产及敷设时需采取的措施。     

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。     

基于表面温度场的电缆线芯温度在线诊断研究

线芯温度是电缆的一个重要参数,当电缆过负荷时,其线芯温度高于允许温度,使电缆绝缘加速老化,甚至造成绝缘介质热击穿。文中提出了一种基于电缆表面温度场的对电缆线芯温度进行在线诊断的方法。该方法采用红外热象仪拍摄电缆的表面热图象,可根据电缆的表面温度、结构参数,物性参数和环境温度,通过建立传热数学模型,对电缆的线芯温度进行反演计算,并与其允许温度进行比较,实现了电习温度的非接触,在线诊断。     

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。     

XLPE三芯电缆稳态并联热路模型及实验验证

交联聚乙烯材料的三芯电缆广泛应用于低压配电网中,但长期以来,关于电缆载流量计算的研究多集中于单芯电缆。考虑到三芯电缆与单芯电缆的结构差异,在IEC 60287标准计算的基础上,利用传热学知识,理论推导了三芯电缆并联结构的6层4节点稳态热路模型。采用形状因子法计算热阻参数,利用外表皮温度反推计算得到电缆各层温度。为了验证计算的准确性,设计了空气敷设和土壤敷设两种敷设方式下的升流实验,测量得到稳态时导体线芯、绝缘层、铠装层和外表皮温度,并与理论温度计算值进行了比较分析。分析结果表明,利用提出的热路模型进行三芯电缆载流量计算的误差在允许范围内,可应用于工程实际。     

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。     

电力电缆热分布数值计算的应用研究

按照电力电缆的结构特点和运行热稳定特性,建立了三相电力电缆热分布的数值仿真模型,采用控制容积积分法对交联聚乙烯电缆内部热场进行计算,研究结果和所开发的计算仿真软件能够准确给出电缆截面的热分布图,对电缆绝缘设计和绝缘热击穿诊断是有价值的。     

Thermal and mechanical properties of EPR and XLPE cable compounds

This paper shows that the mechanical and thermal properties of EPR cable dielectrics are very stable with temperature. Commercially available EPR and TRXLPE cable dielectrics typically have about the same thermal conductivity, although the thermal conductivity of TRXLPE above the melting point of the crystallites drops below that of the EPR dielectrics. The mechanical properties of EPR cable dielectrics are much more stable with temperature than those of the TRXLPE, as EPR polymer is essentially amorphous so that EPR cable dielectrics do not suffer from the very large thermal expansion of TRXLPE as its crystallites melt.     

考虑轴向传热的单芯电缆线芯温度实时计算模型研究

为了研究轴向传热对电缆线芯温度的影响,首先以单芯电缆的三维微元热路模型为基础,建立了考虑单芯电缆轴向与径向传热的三维热路模型,且根据该三维热路模型实现了单芯电缆线芯温度实时计算的理论推导。其次,通过不同敷设环境下分别加载恒定与阶跃电流的实验,讨论了电流、电缆敷设环境与外界环境温度等因素对轴向、径向温度分布的影响。实验结果表明,电流是决定轴向温度梯度变化趋势的主要因素,空气中电缆的线芯温度上升速度最快,土壤中电缆次之,水中电缆最慢。最后通过有限元仿真工具,对比了空气中电缆中间接头三维有限元模型与二维有限元模型计算的线芯温度。研究结果表明,只考虑电缆径向传热的二维热路模型会造成线芯温度计算的误差,而考虑电缆轴向与径向传热的三维热路模型能够提高计算的精度。     

基于暂态热路模型及反演算法的电缆接头导体温度监测

对电缆接头温度进行实时监测对于预防电缆接头的热致事故是十分重要的,但传统的基于精确热网络模型的温度反演算法实现难度非常大。建立了计入电缆接头分布式热容的暂态热路模型,并据此推导出电缆接头导体温度反演算法。同时,利用仿真软件模拟各种负荷状态下电缆接头温度的变化,为电缆接头温度反演算法的研究提供技术手段。通过实验室模拟,证实了所提出的监测方法的有效性。     

Assessment of underground cable ratings based on distributed temperature sensing

Numerous power utilities have installed advanced distributed temperature sensing (DTS) systems to measure the temperature of underground cables. This paper presents a general procedure for real-time assessment of underground cable ratings based on DTS. After the identification and location of hot spots on a cable, the cable installation data, load, and DTS-recorded temperature over a period of time are used to estimate soil thermal parameters and assess cable ratings under normal and overloading conditions. In order to accurately estimate soil thermal parameters, a combined technique of the finite-element method and gradient-based optimization is used. The technique was validated in the laboratory and applied to a rating assessment of a 230-kV/500-MVA cable circuit. The assessed continuous and emergency ratings are helpful in improving the operation of this circuit.     

基于材料导热系数的单芯高压电缆导体温度动态分析

电缆导体温度是电缆安全运行的重要参数,基于110 kV交联聚乙烯单芯电缆的稳态等效热路,运用节点法从理论上推导了稳态下电缆导体温度与各层结构材料的导热系数的关系式,利用归一化灵敏度原理分析了导体温度对电缆各层结构材料的导热系数改变的灵敏程度,并设计了阶跃电流温升试验。理论推导和分析试验数据得到:稳态时,电缆导体温度对各层结构材料导热系数的灵敏度与材料的导热系数成反比;稳态时电缆导体温度计算值对气隙层、绝缘层导热系数灵敏,而对垫层、外护套导热系数不灵敏。由此可为实现电缆导体温度和载流量的准确计算,如何准确选取电缆的物性参数提供参考。     

基于参数拟合技术直埋电缆的缆芯暂态温度计算

电缆温度的暂态计算对其传输容量的合理分配及安全预警具有重要意义。然而在实际计算直埋电缆的温度时,存在电缆绝缘材料及周围土壤的热参数（密度、比热容、导热率）不易获取,或绝缘材料的热参数因老化而改变等问题,使得数值方法和传统热路法难以实现对电缆温度的精确计算。当电缆状况和敷设环境已知时,在传统电缆热路模型的基础上,提出了一种通过信赖域算法后,再根据实测量温度来拟合改进的热路模型参数的方法,并得出电缆的缆芯和表面温度简化计算式,避免了绝缘层和敷设环境热参数难以获取的问题,减小了电缆温度的计算量。最后使用110 kV XLPE电缆开展直埋电缆的温升实验,将实测温度与计算值对比,仅存在较小的误差,证明了热路参数拟合和温度简化计算式的准确性。     

根据电缆表面温度推算导体温度的热路简化模型暂态误差分析

电力电缆运行中导体的温度是确定电缆是否达到载流量的依据,为分析热路简化模型计算电缆导体温度的精度,根据110 kV交联聚乙烯电缆各层温度的热路模型及其简化模型,借助Matlab软件推导出了基于电缆表面温度推算电缆导体温度的计算式,理论上演算了电缆热路完整模型与简化模型之间的误差,并给出该误差与所施加电流的函数关系。同时,设计了直埋电缆的暂态温升试验,根据实测表面温度数据利用简化模型计算了导体温度、绝缘层温度,对比分析了简化模型所计算的导体温度、绝缘层温度与实测导体温度、绝缘层温度之间的误差。结果表明,简化模型计算电缆导体温度与实测导体温度之间的误差在允许范围之内,可用于工程上基于电缆表面温度推算电缆导体温度。     

单芯电缆热时间常数的理论计算与试验研究

由于电缆热容的存在,当施加阶跃电流时,电缆温度随时间逐渐变化,经一段时间后达到热稳态,导体温度变化的速度一般用热时间常数来反映。为此,以单芯电缆为研究对象,介绍了电缆热时间常数;建立了电缆本体及周围介质的暂态热路模型并进行简化等效;计算了空气敷设和直埋敷设单芯电缆的热时间常数;并在试验现场进行了阶跃电流下的单芯电缆温升试验,通过对实测导体温度暂态过程的曲线拟合求得了电缆实际的热时间常数,验证了理论计算的正确性。电缆的热时间常数可用于估算阶跃电流作用下的导体暂态温度响应、以及到达最高允许温度所需要的升温时间,为电缆的运行状态监测及故障预警提供理论支持。     

交联聚乙烯电缆热老化与电树枝化相关性研究

热老化过程不但会影响交联聚乙烯（XLPE）电缆绝缘的物理化学性能,还对绝缘内电树的产生与生长有着一定的影响。研究了热老化后XLPE电缆绝缘中的电树行为．探讨XLPE电缆绝缘中电树枝过程与材料热老化的关系。采用带循环通风的热老化箱对XLPE电缆绝缘进行3个温度等级的热老化实验：采用针板结构电极进行电树枝实验,并利用数码显微镜观察电树枝的产生和发展情况;利用差示扫描量热法（DSC）、傅里叶红外光谱分析（FTIR）测试了不同温度热老化下XLPE电缆绝缘的物理化学性能;最后探讨了几种不同结构电树枝的生长机理．认为热老化并没有加速电树枝的生长．反而有一定的抑制作用．     

电力电缆运行温度场变化及在线监测技术研究

电力电缆在高压和大电流状态下长期运行,由于各种故障引起的温度升高会导致电缆过热或绝缘性能下降。文中在分析电缆结构和温度场的基础上,建立了电缆温度场有限元模型,完成了电缆沟敷设和电缆中间接头的热分析,通过热分析确定其过热位置,为温度传感器的布置提供理论支持。完成了电缆沟温度在线监测系统设计方案,能够实时采集电缆沟温度数据。该研究为电力电缆智能化监测的发展提供了参考和借鉴。     

采用MATLAB仿真的变电站高压进线温度场和载流量数值计算

随着电力电缆在输配电线路中的广泛应用,准确确定电力电缆及其周围环境温度场的分布和电缆的载流量对于提高电力电缆的使用率、动态调整负荷具有重要的意义。为此,以地下排管敷设的交联聚乙烯电力电缆为研究对象,其实际模型为1个容量为250MVA、额定电压为230kV的变电站的高压进线。根据传热学和有限元法(finite element method,FEM)基本原理,建立了1种基于有限元法的水泥排管敷设电缆温度场计算模型,并对电缆及其周围环境的求解区域进行复合有限三角形单元剖分,即对电缆区域进行较密集的网格划分,而对电缆周围的土壤区域则进行较为稀疏的网格划分,以提高程序的运算精度和运行速度。结果表明:用MATLAB软件仿真,从而得到电缆及其周围环境的温度场分布,迭代计算了排管敷设交联聚乙烯电缆的载流量。证明使用有限元的方法分析地下电缆温度场,为电力工程中电缆载流量确定提供了一个比较可靠的计算方法。     

A Fourier transform technique for calculating cable and pipetemperatures for periodic and transient conditions

An underground pipe-type cable system is represented by a thermal impedance network. A ladder network of resistances/capacitances represents the cable out to the outer surface of the pipe. The earth, adjacent pipe-type cables, and cable images are modeled by a frequency dependent thermal impedance found by solving the heat transfer differential equation. The heat input to the system is conductor I² R loss. The heat input can be a periodic signal or a transient of up to 300 h. A fast Fourier transform (FFT) is used to obtain heat input in the frequency domain. The frequency domain thermal input at the conductor is divided by the thermal admittance seen by the conductor and an inverse FFT is used to obtain conductor temperature as a function of time. A similar procedure obtains shield and pipe temperature. Iteration is used to model conductor electrical resistance change with temperature. The ambient temperature and temperature due to dielectric loss is added in to obtain final values