一种多回路电缆系统的护套感应电压及环流计算方法技术方案

本发明专利技术公开一种多回路电缆系统护套感应电压与环流计算方法，首先本方法计算得到电缆线路单位长度下的串联阻抗矩阵及并联导纳矩阵计算模型；随后根据频域的电报方程对不同接地方式下的多回路微元段电缆线路进行级数逼近，构建微元段电缆线路的节点导纳矩阵；然后推导出多种级联公式，得到多回路全线电缆系统完整的节点导纳矩阵；根据边界条件和多回路电缆系统完整的节点导纳矩阵，细分电缆线路微元段，逐段构建出不同接地方式下多回路电缆金属护套感应电压和环流计算模型。本发明专利技术能够准确描述多回路电缆系统护套感应电压与环流分布，为后续电缆降损措施的研究打下了坚实的基础。为后续电缆降损措施的研究打下了坚实的基础。为后续电缆降损措施的研究打下了坚实的基础。

【技术实现步骤摘要】
一种多回路电缆系统的护套感应电压及环流计算方法


[0001]本专利技术属于电力传输领域，具体涉及一种多回路电缆系统护套感应电压与环流计算方法。

技术介绍

[0002]随着我国电力工业的发展，按照城市电力规划规范要求，现如今城市电力输电线路和高压电力电缆不断增多，现如今随着人口的迅速增加，城市和工业化用地日益扩张，我国城市化进程的稳步推进，城网输电线路在各个地区的辐射面积愈来愈广，城市供电系统也必然面临一次新的革新。
[0003]在城市电网中存在着两种主要的输电形式分别为架空输电线路和地下多回路电力电缆系统。架空输电线路一般由杆塔支撑将多回导体线路并排敷设在空中，易于检修和施工，然而随着城市占地面积，走廊资源日益紧缺，该缺点注定了架空线路逐渐退出了城市电网的舞台。然而地下多回路电力电缆大部分敷设在地下，对城市占用面积和土地资源影响较小，所以故城市电网逐步从传统的架空线路向电力电缆过渡，在不久的将来电力电缆成为城市电网不可或缺的一部分。此外由于我国资源、经济极不平衡，华东地区的土地资源问题更是亟须解决。土地资源问题必然会带来由输电线路向地下电力电缆的转变趋势的发展转变
[0004]综上所述，城市大面积使用埋地电力电缆，故对电缆系统护套感应电压和环流分布开展研究是有必要的。此外由于同相多根并联电缆结构复杂，不同电缆间的电磁耦合增强，给电缆的安全运行和继电保护带来许多新的问题，突出表现在以下两方面：(1)同相并联电缆负荷分配不均匀和护套环流增大，影响电缆运行安全；(2)感应电压增大，危及设备和人身安全。因此需要一套能准确反映多回路电缆系统护套感应电压与环流算法，同时也为后续研究电缆系统损耗提供了坚实的基础。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于多回路电缆接地系统稳态特性计算问题，提供一种多回路电缆系统护套感应电压与环流计算方法，也为后续研究电缆系统损耗提供了坚实的基础。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案是：
[0007]本专利技术提出了一种多回路电缆系统的护套感应电压及环流计算方法，其包括以下步骤：
[0008]步骤1：基于多回路电缆几何结构以及各介质层材料参数，并考虑多回路电缆之间的电磁耦合特性，多层导体模型和敷设环境的影响，计算得到电缆线路单位长度下的串联阻抗矩阵及并联导纳矩阵计算模型；
[0009]步骤2：结合单位电缆长度下串联阻抗矩阵及并联导纳矩阵模型并根据频域的电报方程对不同接地方式下的多回微元段电缆线路进行级数逼近，构建微元段电缆线路的节点导纳矩阵；
[0010]步骤3：推导出对称、非对称及中间包含接地节点的级联公式，并结合电缆线路微元段节点导纳矩阵得到多回路电缆系统完整的节点导纳矩阵；
[0011]步骤4：根据边界条件和多回路全线电缆系统完整的节点导纳矩阵，细分电缆线路微元段，逐段构建出不同接地方式下多回电缆线路全线金属护套感应电压和环流计算公式，实现多回路电缆系统护套感应电压与环流的计算。
[0012]与现有技术相比，本专利技术所具有的有益效果有：
[0013](1)多回路电缆特性与传统的电缆有很大的区别，考虑到多回电缆之间的电磁耦合特性，多层导体模型和敷设环境的影响，更加能够准确的评估多回路电缆的电气接地系统稳态特性。
[0014](2)现有电磁仿真软件只能求解出特定位置点的电流电压值，无法仿真出全段电缆的沿线护套感应电压以及环流值，而本专利技术基于多导体算法能够求解出电缆系统全线金属护套感应电压及环流分布，为后续电缆系统损耗研究提供坚实的基础。
[0015](3)本专利技术基于级联算法，推导出了对称、非对称及中间包含接地节点的级联公式，避免了级联后节点导纳矩阵阶数增加，大大降低了计算所需的时间，提高了求解节点导纳矩阵的工作效率。
附图说明
[0016]图1是本专利技术计算方法的流程示意图。
[0017]图2是单根多回路电缆系统等效回路模型图。
[0018]图3是三相多回路电缆系统结构示意图。
[0019]图4是单根多回路电缆系统等效电容电路模型示意图。
[0020]图5是不同接地方式下经典电缆系统模型示意图。
[0021]图6(a)是多回路电缆护套感应电压分布示意图。
[0022]图6(b)是多回路电缆系统护套环流分布示意图。
具体实施方式
[0023]为了更为具体的描述本专利技术，下面结合附图及具体实施方式对本专利技术的技术方案进行详细说明。
[0024]如图1所示，一种多回路电缆系统的护套感应电压及环流计算方法，包括以下步骤：
[0025]步骤1：基于多回路电缆几何结构以及各介质层材料参数，并考虑多回电缆之间的电磁耦合特性，多层导体模型和敷设环境的影响，计算得到电缆线路单位长度下的串联阻抗矩阵及并联导纳矩阵计算模型：
[0026]单根多回路电缆的等效回路模型如图2所示，首先，考虑到电缆内部电磁耦合特性的影响，求解单根多回路电缆回路阻抗矩阵，其具体表达式如下：
[0027][0028]其中u1为缆芯与护套之间的电压，u2为护套与大地之间的电压，i1为缆芯
‑
内绝缘
层
‑
护套层回路的电流，i2为护套层
‑
外绝缘层
‑
大地回路的电流，Z
11
为回路1单位长度自阻抗，Z
12
及Z
21
为回路1和回路2之间的单位长度互阻抗，Z
22
为回路2的单位长度自阻抗。
[0029]然后，确定电缆线路单位长度串联阻抗矩阵自阻抗及互阻抗，采用以下表达式：
[0030]其中Z
11
具体表达式如下：
[0031]z
11
＝z
c1
+z
i1
+z
s1
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0032][0033][0034][0035]在式(2)、(3)、(4)、(5)中，Z
c1
为单位长度电缆缆芯的内阻抗；Z
i1
为第一条回路单位长度电缆缆芯因磁场的作用所引起的串联阻抗；Z
s1
为第一条回路单位长度护套内表面阻抗；ρ
c
、ρ
s
分别为电缆缆芯及护套电阻率，μ
c
、μ
s
分别为电缆缆芯及护套磁导率，I0和I1分别为第一类0阶及第一类1阶贝塞尔函数；ω为角频率，R1为导体半径，R2为内绝缘半径，R3为护套半径。
[0036]回路1和回路2之间的单位长度互阻抗Z
12
和Z
21
具体表达式如下：
[0037][0038]同理，回路2的单位长度自阻抗Z22表达式如下
[0039]z
22
＝z
s2
+z
i2
+z
g
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多回路电缆系统的护套感应电压及环流计算方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：基于多回路电缆几何结构以及各介质层材料参数，并考虑多回路电缆之间的电磁耦合特性，多层导体模型和敷设环境的影响，计算得到电缆线路单位长度下的串联阻抗矩阵及并联导纳矩阵计算模型；步骤2：结合单位电缆长度下串联阻抗矩阵及并联导纳矩阵模型并根据频域的电报方程对不同接地方式下的多回微元段电缆线路进行级数逼近，构建微元段电缆线路的节点导纳矩阵；步骤3：推导出对称、非对称及中间包含接地节点的级联公式，并结合电缆线路微元段节点导纳矩阵得到多回路电缆系统完整的节点导纳矩阵；步骤4：根据边界条件和多回路全线电缆系统完整的节点导纳矩阵，细分电缆线路微元段，逐段构建出不同接地方式下多回电缆线路全线金属护套感应电压和环流计算公式，实现多回路电缆系统护套感应电压与环流的计算。2.根据权利要求1所述的所述的一种多回路电缆系统护套感应电压与环流计算方法，其特征在于：所述步骤1中建立电缆线路单位长度下的串联阻抗矩阵的过程如下：首先，考虑到电缆内部电磁耦合特性的影响，得到单根多回路电缆回路阻抗矩阵：其中u1为缆芯与护套之间的电压，u2为护套与大地之间的电压，i1为缆芯
‑
内绝缘层
‑
护套层回路的电流，i2为护套层
‑
外绝缘层
‑
大地回路的电流，Z
11
为回路1单位长度自阻抗，Z
12
及Z
21
为回路1和回路2之间的单位长度互阻抗，Z
22
为回路2的单位长度自阻抗；然后，确定电缆线路单位长度串联阻抗矩阵自阻抗，采用以下表达式：其中Z
c1
为单位长度电缆缆芯的内阻抗；Z
i1
为第一条回路单位长度电缆缆芯因磁场的作用所引起的串联阻抗；Z
i2
为第二条回路单位长度电缆缆芯因磁场的作用所引起的串联阻抗；Z
s1
为第一条回路单位长度护套内表面阻抗；Z
s2
为第二条回路单位长度护套内表面阻抗；Z
g
为外电抗及有损大地阻抗之和；随后，确定单根电缆线路单位长度串联阻抗矩阵，其具体表达式如下：其中u
s
为护套对地电压，u
c
为缆芯对地电压，i
c
为缆芯入射电流，i
s
为护套层入射电流，单根电缆线路单位长度串联阻抗矩阵系数Z
cc
，Z
cs
，Z
ss
可由下式表达为：
最后将单根电力电缆阻抗矩阵推广到三相电缆系统，得到串联阻抗矩阵计算公式：其中u
s1
、u
s2
、u
s3
分别为A、B、C三相护套对地电压；u
c1
、u
c2
、u
c3
分别为A、B、C三相缆芯对地电压；i
c1
、i
c2
、i
c3
分别为A、B、C三相缆芯流过的电流；i
s1
、i
s2
、i
s3
分别为A、B、C三相金属护套流过的电流；z
cc1
、z
cc2
、z
cc3
、z
ss1
、z
ss2
、z
ss3
分别为A、B、C三相电缆线路单位长度串联自阻抗；z
cci
j、z
csi
j、z
ssi
j为三相电缆线路单位长度串联互阻抗，其中下标i，j＝1，2，3。3.根据权利要求1所述的所述的一种多回路电缆系统护套感应电压与环流计算方法，其特征在于：所述步骤1中建立电缆线路单位长度下的并联导纳矩阵的过程如下：首先，求解单根多回路电缆并联导纳矩阵，其具体表达式如下：其中，u
c
和u
s
分别为缆芯和护套层对地电压，i
c
为缆芯入射电流，i
s
为护套层入射电流，Y
cs
为缆芯与护套层之间导纳；Y
sg
为护套层与大地之间导纳，其由两部分组成，分别是外绝缘层导纳Y
sg1
及空气导纳Y
sg2
，具体表达式如下：最后将单根电力电缆导纳矩阵推广到三相电力电缆，得到并联导纳矩阵计算公式，其具体公式如下：其中i
c1
、i
c2
、i
c3
分别为A、B、C三相缆芯流过的电流i
s1
、i
s2
、i
s3
分别为A、B、C三相金属护套流过的电流，u
s1
、u
s2
、u
s3
分别为A、B、C三相护套对地电压；Y
ss1
、Y
ss2
、Y
ss3
分别为A、B、C三相
电缆线路单位长度并联自导纳u
c1
、u
c2
、u
c3
分别为A、B、C三相缆芯对地电压；Y
cs1
、Y
cs2
、Y
cs3
分别为A、B、C三相电缆线路单位长度并联互导纳。4.根据权利要求1所述的所述的一种多回路电缆系统护套感应电压与环流计算方法，其特征在于：所述步骤2中微元段电缆线路的节点导纳矩阵具体构建过程如下：首先，根据频域的电报方程，得到传输线路频域方程式：其中Ux和Ix分别为Δx长线路末端节点的电压向量及电流向量,Z为电缆系统单位长度串联阻抗矩阵，Y为多回路电缆回路阻抗矩阵；然后，根据始末端边界条件可得:始端，即x＝0时，Ux＝U
S...

【专利技术属性】
技术研发人员：裘立峰，杜振东，章李刚，周文俊，王恩哲，朱汉山，陈向荣，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：