配电系统三芯电缆应急时间计算方法

当配电系统三芯电缆因其他线路故障或电力抢修而需施加较大的应急负荷时,其线芯温度达到最高限值前,允许过载的时间是电缆运行监测部门亟待解决的问题。文中以10 k V三芯电缆为研究对象,首先建立电缆暂态热路模型,并将应急负荷作用下电缆暂态温升分为稳态分量和五个热时间常数不同的暂态分量。其次借助数据拟合的方法确定不同暂态分量的参数,得到应急负荷作用下电缆应急时间的计算表达式。最后设计了加载不同应急负荷时三芯电缆的暂态温升实验。实验结果表明,本方法能够准确地计算电缆的应急时间,为三芯电缆的应急能力评估和电力应急调度提供依据。     

500kV充油海底电缆过负荷能力分析

当海底电缆发生故障时,在进行运维检修前,往往需要在一定时间内进行过载.海底运行环境较为复杂,海底电缆在不同的敷设环境下,其过负荷能力也不相同,有必要对具体敷设环境下海底电缆过负荷能力进行具体分析.本文以海南联网系统500 kV充油海底电缆作为研究对象,构建了500 kV充油海底电缆暂态热路模型,实现了对不同敷设环境下的应急电流和应急时间计算与分析,给出了不同敷设环境下海底电缆过负荷能力的规律,进行了我国首次500 kV充油海底电缆加热实验,实验结果证明了本文建立的充油电缆过负荷分析模型及方法的有效性.本文给出的500 kV充油海底电缆的过负荷能力分析方法及结论,可为运行部门提供过负荷能力评估以及电力调度依据.     

应急负荷变动下高压电缆输电线路线芯温度的响应特性分析

为研究应急负荷变动下高压单芯电缆的线芯温度响应特性,建立了应急负荷变动下高压单芯电缆线芯温度随时间变化的梯度函数,以110 kV交联聚乙烯单芯电缆为研究对象,设计了水中敷设、空气中敷设、土壤中直埋的3种条件下高压单芯电缆应急负荷变动的温升试验。结果表明:当高压电缆负荷发生应急变动时,线芯温度随时间的梯度变化受环境影响很大,其中空气敷设电缆线芯温度的变化梯度最大,水中敷设电缆线芯温度变化梯度最小,土壤敷设电缆线芯温度变化梯度介于前两者之间。在3种敷设条件下,电缆线芯温度的梯度变化都随应急变动负荷的增加而增大。     

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。     

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.     

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。     

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CNN-LSTM的输电线路故障诊断方法研究

电缆接头线芯温度计算是实现电缆载流量预测重要环节。该文通过三芯电缆接头结构分析其散热路径,进一步考虑了电缆接头的轴向散热,提出了改进的热路模型。以10 kV三芯电缆中间接头为例开展有限元温度场计算,并根据温度-热源的响应实现稳态热路模型的参数辨识。同时,分析了不同电缆电流以及环境散热条件下稳态热路模型的等效性,与有限元仿真结果吻合良好。该模型可以有效提高电缆接头热点计算的效率。     

水中敷设电缆载流量的实验和分析

为了研究水中敷设电缆的载流量特性,设计了110 kV交联聚乙烯单芯电缆水中敷设、空气中敷设2种条件下的阶跃电流暂态温升实验.对实验数据进行分析发现:相同电流下,稳态时,水中敷设电缆的线芯温度要比空气中敷设电缆的线芯温度低30%以上;相同负荷特性时,水中敷设的电缆可以提高载流量50%以上.     

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。     

XLPE交流电缆线路改为直流运行的载流量设计与分析

在现役XLPE交流电缆线路的直流改造中,载流量的合理设计是关键问题之一,决定了改造线路的传输容量和运行可靠性。文中对同一线路在交、直流电压下运行时的等效热路模型及载流量解析算法进行了对比,分析了造成交、直流线路载流量差异的关键因素,并以空气敷设的三芯10 kV XLPE电缆为例,进行了同一线路在相同敷设条件下的交、直流载流量模拟试验。研究发现,目前直流改造所涉及的现役XLPE交流电缆线路,在进行直流载流量评估时,绝缘温差要求不成为限制条件,仅需考虑线芯温度限制、按照IEC60287-2017推荐方法进行计算;在线芯电阻、金属护套损耗、载流芯数、环境热阻及线芯允许长期工作温度等影响因素中,交流电缆改为直流运行后线芯允许工作温度由90℃下降为70℃,在很大程度上抵消了其他因素对载流量的有利贡献;10 kV XLPE电缆载流量模拟试验数据和解析计算结果吻合,偏差很小,验证了解析计算方法的有效性。对10、35 kV三芯和110 kV单芯电缆在不同典型敷设情况下的交、直流载流量计算显示,改为直流运行后,三芯电缆的载流量略有增加,单芯电缆稍有下降,变化幅度均未超过6.5%。     

10kV三芯交联电缆载流量的试验研究

三芯电缆广泛应用于城市配电电网,其可靠运行与绝缘温度密切相关,因而电缆载流量的精确计算是电缆安全、可靠运行的保证。由于配电电缆的线路多、结构复杂、敷设方式多样,使得配电电缆线路的管理和载流量计算不像高压电缆那么规范。近几年一些非常规的敷设方式大量使用,使得配电电缆载流量的计算更加困难。为规范配电电缆载流量的计算,模拟了广州地区10kV三芯交联电缆典型敷设条件,在试验现场进行了单根空气、直埋、穿管敷设及2×3多回路密集敷设下的电缆载流量试验;编制了计算三芯电缆载流量的计算软件,将电缆本体各层温度降的试验值与软件计算值进行了对比,试验研究结果验证了理论计算的正确性。三芯电缆载流量的准确计算可为运行中负荷的控制提供参考,保证电缆的可靠性,并最大限度发挥电缆的输送能力。     

基于有限元法的海底电缆埋设深度实时预测研究

在洋流冲刷、人类活动和地质运动等外部激励的长期影响下,海缆的埋设深度容易发生持续性变化,从而导致海缆故障率急剧增加、负载能力大幅下降等一系列严重问题。本文以35 kV光电复合型三芯海底电缆为主要研究对象,采用有限元法仿真了不同环境温度、不同埋设深度以及不同载流量下的海缆温度场,建立了不同载流量下缆芯温度与埋设深度的关系曲线,不同环境温度下缆芯温度与埋设深度的关系曲线,并拟合了相应的关系式,以此整合出海缆埋设深度实时预测的关系方程式通式。最后运用工程实际监测的多源数据,通过该通式实时预测了海缆的埋设深度以及变化趋势,同时结合海缆扰动能量以及海缆埋设深度实测值,验证了该预测方法不仅具有可行性和正确性,也具有较高的预测精度。     

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。     

直埋集群敷设配电缆的载流量多回路修正系数校核

配电网中电缆线路多、负荷重,集聚敷设十分常见。为了计算电缆集聚敷设载流量,开发了三芯电缆载流量计算软件。通过软件计算和现场试验,研究并校核了直埋敷设多回路修正系数。结果显示,单回路和四回路载流量试验结果与计算值吻合,验证了理论计算的正确性。多回路修正系数研究还表明,目前正在使用的直埋敷设多回路10 kV三芯电缆载流量修正系数偏大,不利于配电电缆线路的安全运行,建议采用所提出的直埋集聚敷设多回路修正系数推荐值对其进行修正。     

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。     

含防爆盒的三芯电缆中间接头散热性能及载流量研究

为了避免电缆遭受外力破坏,防止中间接头故障后蔓延至临近电缆,电缆中间接头需加装防爆盒,如此势必延长中间接头热传导的路径,影响其散热性能。为了进一步探究配电网三芯电缆中间接头加装防爆盒后的温度及载流特性,本文以20kV三芯电缆中间接头为例,建立考虑接触电阻的三芯电缆中间接头磁-热耦合模型,计算了289A电流下含防爆盒的中间接头温升,对比运行数据验证了仿真计算的准确性,然后进一步分析了防爆盒对中间接头载流量的影响规律。结果表明：防爆盒内的空腔会大大降低中间接头的散热性能,相比于电缆本体时,载流量约下降37.1%,而灌注环氧树脂ab胶后,可以大幅度增强中间接头的散热,相对于未灌胶时载流量提升近41.1%。研究结果可为防爆盒的设计及中间接头运维的制定提供参考,有益于电缆的安全稳定运行。     

Mathematical modeling of nonstationary processes of heat and mass transfer in a rectangular cable channel

This work is devoted to solving the problem of heat and mass transfer in a rectangular cable channel laid in the earth mass, taking into account the electric and magnetic dynamics processes in the metal elements of the power cable. The current load of power cables depends on the temperature field in the cable construction, which in turn the following factors influence: the conditions of heat transfer, thermal characteristics of the materials used, the induced currents in a metal screen of power cables, etc. The proposed mathematical model of the processes of complex heat and mass transfer is based on the laws of conservation of mass, momentum, and energy. For the electrodynamics problem, equations of current density and a magnetic potential vector based on Maxwell equations are used. The problem was solved numerically under conditions of natural convection with taking into account the radiant energy by the finite element method in the Ansys Fluent software package. As a result, the power of heat losses in the metal structural elements of the power cable and the velocity and temperature fields in the cable channel were calculated. The temperature fields in the cable channel are presented and analyzed depending on the location of power cables. The different operating modes of the cable line are discussed. To analyze the heat processes in the cable channel, the nonstationary problem defining the heating time of cable lines to the limit values is solved. The heating curves of the cable lines operating in unsteady mode are obtained. The maximum operating time of the cable line in an overload and short circuit is determined.     

材料热阻系数取值对10kV三芯电缆导体温度计算的影响

为了在10 kV三芯电缆导体温度实时计算中规范材料热阻系数的取值,通过三芯电缆导体至表面的传热关系进行三芯电缆各层结构材料热阻系数归一化灵敏度计算,分析各层结构材料热阻系数取值准确度对导体温度的不同影响。以计算结果为基础,设计在不同敷设环境下的多组阶跃升流实验;结合实验数据,利用ANSYS有限元进行不同变量情况下的导体温度变化仿真分析。结果表明,导体温度对填充层及内护套材料热阻系数灵敏度最为敏感,灵敏度会随导体电流增大而增大;空气敷设下的灵敏度高于土壤敷设。     

铠装回路串联电阻对110 kV海底电缆热效应影响的试验研究

以110 kV单芯海底电力电缆为研究对象,建立了电缆暂态热路模型。结合铅包和铠装损耗的影响,得出导体稳态温度的计算公式。从降低海缆热量产生的角度出发,结合生产实际,设想在铅包铠装回路串入一定阻值的电阻器。根据电缆设计规范及被试海缆的实际情况选择合适的电阻器。基于海缆热循环试验系统,在不同工况下对被试海缆进行通流试验。通过对实验数据的分析与比较,证明了该方法能够有效降低海缆的损耗与导体的稳态温升,提高了海缆的载流量。