一种隧道中包裹防火毯电缆回路导体温度的函数计算方法技术

本发明专利技术公开了一种隧道中包裹防火毯电缆回路导体温度的函数计算方法，步骤如下：S1、根据实际敷设情况，建立对应的隧道中包裹防火毯电缆回路的磁

【技术实现步骤摘要】
一种隧道中包裹防火毯电缆回路导体温度的函数计算方法


[0001]本专利技术涉及电缆温度计算
，具体涉及一种隧道中包裹防火毯电缆回路导体温度的函数计算方法。

技术介绍

[0002]电缆埋于地下，一旦发生火灾，具有隐蔽性和延燃性，将带来巨大的损失和灾难。电缆本体及其附件绕包柔韧性电缆防火毯可以防止电缆延燃，具有施工方便、成本低、可即拆即用等优点，在电缆隧道中得到一定应用。绕包防火毯必然影响电缆散热能力，使电缆载流量降低，导致重载线路过热甚至危及运行安全。对绕包防火毯的隧道敷设高压电缆导体稳态温度进行监测，对于提高输电线路的运行安全具有重要意义。
[0003]电力部门对隧道内重要线路采取防火措施时，往往同时加装温度在线监测系统。实际中由于热电偶或测温光纤等温度传感器难以预埋至电缆内部，需要将传感器布置于防火毯表面测得防火毯表面温度，再推算电缆导体温度。由于隧道敷设高压电缆常采用三角形排列，防火毯的布置方式为同时包裹三相电缆，此时电缆周围径向热阻并不均匀，传统的基于一维热路模型的温度监测算法不再适用。因此，极有必要研究开发一种隧道中包裹防火毯电缆回路导体温度的函数计算方法，提高绕包防火毯的隧道电缆导体温度和载流量的计算精度，提升隧道电缆线路的利用率。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种隧道中包裹防火毯电缆回路导体温度的函数计算方法。该方法是基于隧道电缆回路的磁热流多物理耦合场模型和热路模型，考虑到包裹防火毯电缆回路径向热阻沿圆周方向的不均匀，通过形状因子法和有限元参数辨识实现从防火毯表面温度准确计算得到高压电缆导体稳态温度，为采用防火毯的隧道电缆温度监测及载流量计算提供了重要的技术支持。
[0005]本专利技术的目的可以通过采取如下技术方案达到：
[0006]一种隧道中包裹防火毯电缆回路导体温度的函数计算方法，所述方法包括以下步骤：
[0007]S1、根据实际敷设情况，建立对应的隧道中包裹防火毯电缆回路的磁
‑
热
‑
流耦合仿真模型；
[0008]S2、仿真计算导体温度达到90℃所应加载的电流及对应的外护套径向热流分配系数；
[0009]S3、建立包裹防火毯的单相电缆回路局部热路模型，计算局部热路模型中电缆各层热源和热阻参数；
[0010]S4、基于热场仿真结果，对局部热路模型中的剩余热阻参数进行辨识；
[0011]S5、根据获得全部参数的电缆回路局部热路模型，建立以防火毯表面温度值和电缆负载为输入、电缆导体温度为输出的函数关系式；
[0012]S6、测量防火毯表面温度，根据函数关系式计算隧道中包裹防火毯的电缆回路的导体温度。
[0013]进一步地，所述步骤S1中根据实际敷设及运行情况建立隧道中包裹防火毯电缆回路的磁
‑
热
‑
流耦合仿真模型；采用有限元仿真求解包裹防火毯情况下隧道电缆回路的热场结果，为后续有限元参数辨识提供数据样本。
[0014]进一步地，所述步骤S1中绕包电缆的防火毯的内部结构为夹心结构，由中间耐火层和保护层组成，由于保护层较薄且与中间耐火层的导热性能相近，建立几何模型时将保护层归算到中间耐火层而将防火毯简化为单层结构，以达到减少有限元仿真计算量的效果。
[0015]进一步地，所述步骤S2中仿真计算导体温度达到90℃所应加载的电流及对应的外护套径向热流分配系数，作为步骤S4局部热路模型中的剩余热阻参数辨识的样本；当电缆导体温度达到90℃时，解析法计算电缆各层热源值相比有限元仿真结果的误差最小，此时选取其温度场仿真结果作为参数辨识的样本，计算得出的外护套径向热流分配系数误差最小。
[0016]进一步地，所述步骤S2中基于热场仿真结果，将电缆外表面沿圆周方向划分为两个近似等温面，依此将电缆外护套层划分为两部分；本专利技术根据电缆电流和防火毯表面温度计算电缆线芯温度，只需辨识防火毯与电缆紧密接触部分的电缆回路局部热路模型，且形状因子法仅适用于计算两个等温表面之间的稳态导热问题。
[0017]进一步地，所述步骤S2中仿真计算外护套径向热流分配系数的目的在于：包覆防火毯时电缆回路热流沿圆周分布不均匀，但在实际运行中电缆线路的几何结构和敷设条件基本不变，因此电缆线芯至防火毯表层的径向热阻分布基本不变，进而在不同热源输入下的径向热流系数可视为一定值；通过计算外护套径向热流分配系数，可求解该等温面方向上不同热源输入下的径向热流，结合包裹防火毯的单相电缆回路局部热路模型可求解温度结果。
[0018]进一步的，所述步骤S3中建立隧道中包裹防火毯电缆回路的局部热路计算模型，计算包裹防火毯的单相电缆回路局部热路模型参数，包括电缆线芯、绝缘层、缓冲层、铝护套的热阻和热源；除电缆外护套与防火毯紧密接触部分等效径向热阻T
3out
和防火毯的等效径向热阻T
F
，局部热路模型中的其余参数可参照IEC
‑
60287中的相关公式进行计算。
[0019]进一步的，所述步骤S4中基于热场仿真结果，对局部热路模型的电缆外护套与防火毯紧密接触部分等效径向热阻T
3out
、防火毯的等效径向热阻T
F
进行辨识；基于步骤S2中热场仿真结果，计算电缆外护套与防火毯紧密接触部分的径向热流q
out
、电缆外护套与防火毯紧密接触部分的平均温度θ
in1
、电缆铝护套平均温度θ
s
、防火毯表面温度θ
F
，通过形状因子法辨识包裹防火毯的局部热路模型的T
3out
、T
F
热阻参数。
[0020]进一步的，所述步骤S5中根据获得全部参数的局部热路模型，建立以防火毯表面温度值和电缆负载为输入、电缆导体温度为输出的函数关系式；将根据IEC
‑
60287计算的模型参数和步骤S4辨识的T
3out
、T
F
模型参数代入单相电缆回路局部热路模型，可化简得到防火毯表面温度θ
F
、电缆电流I、电缆线芯温度θ
c
之间的映射函数，实现由防火毯表面温度对电缆线芯温度的监测。
[0021]进一步的，所述步骤S6中测量防火毯表面温度，根据函数关系式计算隧道中包裹
防火毯的电缆回路的导体温度。电缆负荷电流I可通过调度中心的监控数据获得，还需以温度传感器作为数据采集器件，获取防火毯表面温度θ
F
。温度传感器分别设置于三角形排列电缆A、B、C三相的防火毯外表面，每个测温点温度值对应于该相电缆回路局部热路模型的防火毯表面温度θ
F
。
[0022]进一步的，所述步骤S6中通过函数关系式、计算出的电缆导体温度值的误差与电缆负荷I呈正相关，在电缆温度在线监测中更常见的负载不大或较低的情况下误差很小，在实际应用中监测精度较高。
[0023]本发本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种隧道中包裹防火毯电缆回路导体温度的函数计算方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：S1、根据实际敷设情况，建立对应的隧道中包裹防火毯电缆回路的磁
‑
热
‑
流耦合仿真模型；S2、仿真计算导体温度达到90℃所应加载的电流及对应的外护套径向热流分配系数；S3、建立包裹防火毯的单相电缆回路局部热路模型，计算局部热路模型中电缆各层热源和热阻参数；S4、基于热场仿真结果，对局部热路模型中的剩余热阻参数进行辨识；S5、根据获得全部参数的电缆回路局部热路模型，建立以防火毯表面温度值和电缆电流为输入、电缆导体温度为输出的函数关系式；S6、测量防火毯表面温度，根据函数关系式计算隧道中包裹防火毯的电缆回路的导体温度。2.根据权利要求1所述的一种隧道中包裹防火毯电缆回路导体温度的函数计算方法，其特征在于，所述步骤S1中，根据隧道内的电缆几何尺寸和位置、隧道几何尺寸、地表温度、深层土壤温度、防火毯厚度和相关材料参数，建立隧道中包裹防火毯电缆回路的二维磁
‑
热
‑
流耦合有限元仿真模型。3.根据权利要求1所述的一种隧道中包裹防火毯电缆回路导体温度的函数计算方法，其特征在于，所述步骤S1中，防火毯的包裹形式为同时绕包三角形排列的三相电缆，并将防火毯的保护层归算到中间耐火层而将防火毯简化为单层结构。4.根据权利要求1所述一种隧道中包裹防火毯电缆回路导体温度的函数计算方法，其特征在于，所述步骤S2中，对有限元仿真模型进行频域
‑
稳态仿真，设置频率为工频50Hz，仿真计算电缆导体温度，根据导体温度仿真结果与90℃的差值不断调整所加载的负荷电流，直到导体温度与90℃的差值小于
±
0.05℃，当前电缆上所加载的负荷电流为其载流量，取当前温度场仿真结果进行下一步分析。5.根据权利要求1所述一种隧道中包裹防火毯电缆回路导体温度的函数计算方法，其特征在于，所述步骤S2中，外护套径向热流分配系数的求解步骤为：S21、基于热场仿真结果，将电缆外表面沿圆周方向划分为两个近似的等温面，依此将电缆外护套层也划分为两部分；S22、对热场仿真数据进行后处理，分别计算通过电缆外护套两部分的径向热流；S23、采用公式(1)计算外护套径向热流分配系数k，：式中，q
out
为通过电缆外护套与防火毯紧密接触部分的径向热流，单位：W/m；q
in
为通过电缆外护套靠近其他两相电缆的部分的径向热流，单位：W/m。6.根据权利要求1所述一种隧道中包裹防火毯电缆回路导体温度的函数计算方法，其特征在于，所述步骤S3中，建立包裹防火毯的单相电缆回路局部热路模型，计算包裹防火毯的单相电缆回路局部热路模型参数，包括电缆各层的热阻和热源，计算如下：W
c
为电缆导体电流产生的焦耳热损耗，热源的计算参照IEC
‑
60287中的相关公式，采用公式(2)进行计算：
W
c
＝I2R0·
(1+α
20
(θ
‑
20))
·
(1+Y
s
+Y
p
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)式中，I表示电缆负荷，单位：A；R0表示导体在20℃时的直流电阻值，单位：Ω/m；α
20
表示电缆导体温度系数；θ表示电缆导体最高工作温度，单位：℃；Y
p
表示集肤效应系数；Y
s
表示邻近效应系数；W
d
为电缆绝缘层损耗，每相电缆单位长度绝缘层损耗采用公式(3)进行计算：式中，f表示频率，单位：Hz；U0表示电缆绝缘层承受的额定电压，单位：kV；tanδ表示介质损耗因数；c表示单位长度电缆的电容，单位：F...

【专利技术属性】
技术研发人员：范华，翁利国，陈尧明，练德强，吕一晔，应昊翰，
申请(专利权)人：浙江中新电力工程建设有限公司浙江中新电力工程建设有限公司自动化分公司，
类型：发明
国别省市：