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。     

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。     

基于灵敏度法的三芯电缆线芯温度影响因素分析

为了动态提高三芯电缆的实时载流量以及保证电缆安全稳定运行,对影响三芯电缆线芯温度的两个主要因素进行了分析,通过利用生物学中局部灵敏度的概念,分析了环境热阻与环境温度对三芯电缆线芯温度的影响。同时,搭建了10 k V三芯电缆载流量试验场,并模拟了空气敷设和土壤敷设下的三芯电缆温升试验。理论分析与实验结果可得:空气敷设时,随着加载电流的增大,环境热阻对电缆线芯温度的灵敏度增加,且都处于灵敏等级;土壤敷设时,环境热阻对电缆线芯温度的灵敏度处于不灵敏等级;同一加载电流下,外界环境热阻的变化对于电缆线芯温度的影响很大。两种不同敷设情况下,当三芯电缆线芯温度相等时,相比空气敷设情况,加载电流为200 A,土壤敷设时,电缆载流量可以提高3.6%;加载电流为300 A,土壤敷设时,电缆载流量可以提高8.1%;加载电流为400 A,土壤敷设时,电缆载流量可以提高9.2%;加载电流为500 A,土壤敷设时,电缆载流量可以提高22.3%。当三芯电缆运行状态未达到稳定时,电缆线芯温度主要由加载电流的大小决定;当三芯电缆运行状态达到稳定时,电缆线芯温度的变化趋势与环境温度变化趋势基本相同,线芯温度由敷设环境温度决定。     

500kV电力电缆稳态热路模型分析及载流量计算

通过对交流500 kV XLPE电力电缆各层材料进行导热系数测量实验,测得电缆各层材料导热系数随温度的变化曲线及电缆稳态工作温度下各层材料的热阻系数,并对电缆各层材料的热阻进行归并处理,然后按IEC 60287-1-1:2006对敷设于隧道中的交流500 kV电力电缆建立稳态热路模型并进行分析。结果表明:利用稳态热路模型可计算分析电缆各层热阻、外界环境热阻、电缆损耗及电缆温升等,同时得到大截面、五分裂的交流500 kV电力电缆在最高允许工作温度(90℃)下的载流量I为2 543 A。通过温升实验表明,电缆载流量的理论计算值与实验值的误差可控制在5%以内,验证了该模型对电缆载流量预测的准确性。     

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。     

三芯海底电缆中复合光纤与导体温度关系建模

三芯光纤复合海底电缆中光纤以内填充层热阻的准确计算是建立光纤与导体温度关系的关键和难点。本文在建立三芯海缆热路模型的基础上,根据虚拟热源和镜像法,利用光纤温度计算出填充层外径处温度,进而计算出铠装层外径处温度;根据傅氏传热学原理计算出光纤处等温面至铠装层外径处等温面的热阻;利用形状因子法计算出填充层内径至铠装层外径的总热阻,再减去光纤处等温面至铠装层外径处等温面的热阻,得到光纤以内填充层的热阻;根据热路模型建立了光纤与导体的温度关系方程,并用有限元求解结果验证了方程的正确性。结果表明,三芯海缆的光纤与导体温度呈线性关系,导体温度每上升1.15℃,光纤温度上升1℃;相同导体温度下,环境温度每上升7.7℃,光纤温度上升1℃。根据光纤温度和环境温度可计算出导体温度,作为三芯海缆导体温度监测和载流量计算的理论依据。     

三芯电缆实时导体温度实时解析与计算方法

针对目前难以直接测量运行电缆导体温度的问题,将10 kV三芯电缆热路简化为只含一个等效热容和一个等效热阻的暂态热路,利用一阶热路的响应实现电缆实时导体温度的解析计算;同时,在试验场进行了阶跃电流试验和周期负荷载流量试验,测量电缆导体温度和外皮温度.根据测量的电缆外皮温度和加载的负荷电流计算出试验电缆的实时导体温度,对比发现导体温度的实时计算值与测量值吻合度较高,验证了该计算方法的正确性.该解析计算方法易于实现、计算准确,不仅可用于计算常用敷设方式下不同回路三芯电缆实时导体温度,还可根据电缆当前运行状态适当调整负荷电流,在保证安全的前提下提高现有电缆线路的输电能力.     

环境温度和环境热阻对单芯电缆导体温度计算灵敏度的影响分析

为了定量掌握运行环境对电缆导体温度的影响程度,以IEC60287电缆稳态温升公式为基础,推导出环境温度和环境热阻对导体温度影响的局部灵敏度公式。采用局部灵敏度分析法对影响电缆导体温度的2个环境因素进行分析,并进行了电缆温升试验。理论分析与试验结果表明,稳态运行下的电缆,导体温度直接受环境温度影响,环境温度越大则影响越明显,基本呈线性递增;环境热阻对导体温度的影响比较稳定,随着加载电流增大至另一个稳态,灵敏度系数只有小幅升高。     

提高单世电缆短时负荷载流量的试验分析

最大限度的利用电力电缆的输送容量一直是电缆设计、运行管理和电力调度所关注的问题.为了提高运行电缆的短时负荷载流量,对影响电缆导体温度的环境热阻和环境温度两个因素进行了局部灵敏度分析,并设计了110 kV交联聚乙烯单芯电缆土壤直埋、水中敷设、空气敷设3种条件下的阶跃电流温升试验,对试验数据进行分析发现:3种环境不同电流下...     

高压单芯电缆铝护套下热阻的动态特性与实验研究

为了掌握电缆铝护套至导体热阻随温度变化的规律,提出了电缆铝护套至导体热阻的模型,通过高压单芯电缆阶跃电流温升实验,得到电缆各层在不同稳态下的温度分布,并根据热阻定义,推导电缆各层在不同温度下的热阻值及其随温度变化的规律。结果表明:电缆铝护套至导体热阻随温度的升高而降低,递减速率随温度的升高而变缓,并趋于稳定;单位长度电缆的绝缘层热阻和铝护套至导体热阻分别趋近于0.50 K.m/W和0.55K.m/W,其值比IEC 60287标准计算值分别小0.054 7K.m/W和0.077 1K.m/W;求得铝护套至导体热阻率为3.070K.m/W,比标准值小0.43K.m/W;气隙层热阻值为空气强制对流热阻值和接触热阻值并联之和,其值比标准值小1个数量级。     

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。     

工作温度和绝缘温差约束下的高压直流电缆接头载流量计算

中间接头是高压电缆线路运行中故障多发的薄弱环节,电缆系统的载流量会因中间接头的结构特点而受到限制。直流下电缆载流量的约束条件与交流不同,不能直接依据交流电缆中间接头载流量的计算方法。为此,文中以直流电缆中间接头的温度场计算等理论研究为基础,提出以接头导体最高允许工作温度和绝缘层内外表面最大允许温差为两个约束条件,确定高压直流电缆中间接头载流量的方法。通过案例分析,将文中方法与IEC 60287标准计算的载流量进行了对比,并就环境温度对载流量的影响进行了分析。结果表明,中间接头的确是电缆系统载流量计算限制条件之一。两个约束条件下的载流量与环境温度的关系曲线将相交于一点,当环境温度小于该点对应温度值时,接头载流量的决定性约束条件为绝缘层内外表面最大允许温差;当环境温度大于该点对应温度值时,接头载流量的决定性约束条件为接头导体最大允许温度。研究结果可为直流电缆系统运行与载流量设计提供参考。     

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。     

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。     

XLPE电缆线芯温度计算方法研究

为实时掌握交联聚乙烯(XLPE)配电电缆的运行状态及其载流量,对电缆线芯温度的计算方法进行了研究。针对配电电缆敷设距离较短的特点建立了单芯电缆集中参数稳态等效热路模型,并推导出线芯温度计算公式,通过实验验证了计算方法的有效性,同时对考虑暂态过程的电缆线芯温度计算方法进行了讨论,为电缆运行状态的在线监测提供参考。     

地下电缆群稳态温度场和载流量计算新方法

根据地表对流和深层土壤温度不变的原则,将地下电缆群开域温度场等效为闭域温度场,应用有限元分析了给定电缆负荷电流的地下电缆群闭域温度场分布.采用热路法将电缆金属套损耗归算到电缆导体,应用调和平均法对电缆导体外的薄层进行处理,最终将电缆等效为导体和外护两层结构,减少了剖分节点数,提高了计算精度和收敛速度.采用弦截法计算了地下电缆群载流量.试验和计算结果表明,利用有限元计算地下电缆群温度场和载流量满足工程实际需求.     

XLPE电缆线芯温度计算方法研究

为实时掌握交联聚乙烯(XLPE)配电电缆的运行状态及其载流量,对电缆线芯温度的计算方法进行了研究。针对配电电缆敷设距离较短的特点建立了单芯电缆集中参数稳态等效热路模型,并推导出线芯温度计算公式,通过实验验证了计算方法的有效性,同时对考虑暂态过程的电缆线芯温度计算方法进行了讨论,为电缆运行状态的在线监测提供了参考。     

XLPE电缆排管敷设时稳定载流量的理论计算

介绍了排管敷设方式的交联电缆载流量的理论计算,包括单根电缆,等负载等截面多根电缆,负载不等、线芯截面不同的电缆,部分电缆等截面、等负载,部分电缆不等负载、不同截面的4种情况下埋地排管敷设方式的电缆载流量计算公式,并与无锡供电公司排管敷设载流量试验结果相比较,理论计算值与试验值误差不超过7%,符合工程需要。