一種三芯電纜實時導體溫度計算方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于數值計算的三芯電纜實時導體溫度計算方法，包括以下步驟：(1)將完整三芯電纜暫態熱路模型化簡為只含有一個等效熱容、等效熱阻的最簡暫態熱路模型；(2)類比一階電路暫態響應，分別從只考慮電流變化和外皮溫度變化得到導體溫度與負荷電流和外皮溫度的關系從而得到只考慮電流變化、外皮溫度變化引起導體的溫升；(3)根據初始時刻的電流計算其產生的穩態溫升和介質損耗引起的溫升；(4)計算初始時刻開始2小時(電纜熱時間常數)內n次電流和外皮溫度變化引起的溫升；(5)將初始時刻外皮溫度和上述所有溫升求和即得到當前時候三芯電纜導體溫度。
【專利說明】一種三芯電纜實時導體溫度計算方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種利用三芯電纜負荷電流和外皮溫度計算其實時導體溫度的方法，特別涉及一種化簡為一個等效熱容和熱阻的最簡熱路模型下通過解析算法直接得到三芯電纜實時導體溫度的計算方法。
【背景技術】
[0002]電纜的導體溫度(絕緣材料的溫度)直接決定其運行狀態，長期超過和低于絕緣材料允許工作溫度都不利于充分發揮電纜能力。因此，監測電纜導體溫度有重要的意義。由于電纜導體加載工頻高電壓(如1kV)，目前尚難以在技術上實現直接對運行電纜導體溫度的準確測量，但對電纜外皮溫度的測量及監測已經相當成熟，如采用分布式光纖測溫系統測量運行電纜的外皮溫度。通過測量電纜外皮溫度反推出電纜導體溫度可以忽略外部環境熱阻變化，從而使結果更加準確。
[0003]實際運行中，電纜負荷電流是實時變化的，電纜各層溫度也是實時變化的但由于電纜熱容、熱阻的存在會使溫度響應滯后于電流響應。如利用當前或穩態電流反推導體溫度的傳統計算方法勢必產生較大的誤差。這對于要求配電設備精細化管理的今天顯然已不適用。通過外皮溫度和負荷電流實現對三芯電纜導體溫度的實時計算，不僅可以實現對電纜導體溫度的在線監測，而且可以針對目前電纜運行溫度，適當調整電纜的負荷電流，對運行電纜在線監測及提高電纜輸電效率有重要的意義。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于克服現有方法和技術的缺點與不足，提供一種基于最簡熱路的三芯電纜實時導體溫度計算方法。該方法將三芯電纜完整暫態熱路模型逐步化簡為一個熱容和一個熱阻的最簡形式，利用三芯電纜外皮溫度和負荷電流更加準確地計算實時導體溫度。
[0005]本發明的目的通過下述技術方案實現:基于最簡熱路的三芯電纜實時導體溫度計算方法，包括以下步驟:
[0006](I)根據三芯電纜結構得出只考慮電流變化完整三芯電纜暫態的等效熱路模型，如圖1所示；
[0007](2)將完整三芯電纜暫態熱路模型化簡為二階暫態熱路模型，如圖2所示；
[0008](3)將二階暫態熱路化簡只含有一個等效熱容和一個等效熱阻的最簡暫態熱路模型，如圖3所示，而只考慮外皮溫度變化的最簡暫態熱路如圖4所示；
[0009](4)類比一階電路暫態響應，只考慮負荷電流變化，求解得到導體溫度與負荷電流的關系；只考慮外皮溫度變化，求解得到導體溫度與外皮溫度的關系；
[0010](5)根據步驟⑷中得出的導體溫度與負荷電流的關系、導體溫度與外皮溫度的關系，得到分別只考慮電流變化引起的導體溫升和只考慮外皮溫度變化時導體溫升的解析表達式；
[0011](6)根據初始時刻的電流計算其產生的穩態溫升；
[0012](7)計算介質損耗引起的溫升；
[0013](8)根據三芯電纜熱時間常數確定2小時內電流變化對三芯電纜導體溫度有影響；
[0014](9)根據步驟(5)得到的公式計算初始時刻開始2小時內η次電流和外皮溫度變化引起的溫升；
[0015](10)將初始時刻外皮溫度和步驟(6)、(7)、(9)得到的結果求和即得到當前時候三芯電纜導體溫度。
[0016]步驟(4)中，所述只考慮負荷電流變化時導體溫度與負荷電流關系為:
【權利要求】
1.一種三芯電纜實時導體溫度計算方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)根據三芯電纜結構得出只考慮電流變化的完整三芯電纜暫態的等效熱路模型； (2)將所述只考慮電流變化的完整三芯電纜暫態的等效熱路模型化簡為二階暫態熱路模型，將所述二階暫態熱路模型化簡為最簡熱路模型，所述最簡熱路模型只具有一個等效熱容和等效熱阻； (3)類比一階電路暫態響應，得到只考慮電流變化時導體溫度和負荷電流的關系，只考慮外皮溫度變化時導體溫度和外皮溫度的關系； (4)根據步驟(3)中得出的導體溫度和負荷電流的關系以及導體溫度和外皮溫度的關系，分別得到只考慮電流變化引起的導體溫升的解析表達式以及只考慮外皮溫度變化時導體溫升的解析表達式； (5)根據初始時刻的電流計算其產生的穩態溫升； (6)計算介質損耗引起的溫升； (7)根據三芯電纜熱時間常數判斷2小時內電流變化對三芯電纜導體溫度有影響； (8)根據步驟(4)得到的只考慮電流變化引起的導體溫升的解析表達式以及只考慮外皮溫度變化時導體溫升的解析表達式，計算初始時刻開始2小時內η次電流和外皮溫度變化引起的溫升； (9)將初始時刻外皮溫度、步驟(5)、步驟(6)和步驟(8)得到的結果求和，即得到三芯電纜的實時導體溫度。
2.根據權利要求1所述的三芯電纜實時導體溫度計算方法，其特征在于，步驟(1)中得到只考慮電流變化的三芯電纜完整暫態熱路模型。
3.根據權利要求1所述的三芯電纜實時導體溫度計算方法，其特征在于，步驟(2)中得到只考慮電流變化的二階三芯電纜暫態熱路模型，其中，等效熱阻和熱容的計算公式為:
T1 =^+Τ,；
3
Tb = QsT3 ;
其中，τΑ、τΒ、?\、T2和T3分別為二階暫態熱路第一等效熱阻、第二等效熱阻、效絕緣層、內襯層和外護層熱阻；(^和Qb分別為二階暫態等效熱路第一等效熱容和第二等效熱容；Q。、Qi和Qn分別為導體、絕緣層和內襯層熱容；qs、P和P’分別為熱阻分配系數、第一熱容分配系數和第二熱容分配系數。
4.根據權利要求1所述的三芯電纜實時導體溫度計算方法，其特征在于，步驟(2)中將二階三芯電纜暫態熱路模型化簡為只有一個等效熱容和一個等效熱阻的最簡熱路模型；其中，等效熱阻和等效熱容的計算公式為:
T = TA+TB ；
其中，T和Q分別為最簡熱路模型的等效熱阻和最簡熱路模型的等效熱容。
5.根據權利要求1所述的三芯電纜實時導體溫度計算方法，其特征在于，步驟(3)中分別從只考慮電流變化和外皮溫度變化兩個角度獲取導體溫度與二者的關系；其關系表達式分別為:
其中，Θ。⑴和Θ w(t)分別為導體和外皮實時溫度；W。為熱流；Θ w為外皮初始溫度；t為時間。
6.根據權利要求1所述的三芯電纜實時導體溫度計算方法，其特征在于，步驟(4)中得到的得到分別只考慮電流變化引起的導體溫升和只考慮外皮溫度變化時導體溫升的解析表達式為:
其中，Δ 0c(t)和Λ 0w(t)分別為導體和外皮溫升；R為電阻；ΛΙ為變化電流。
7.根據權利要求1所述的三芯電纜實時導體溫度計算方法，其特征在于，步驟(7)中，當確定三芯電纜熱時間常數為2小時時，則設定2小時內電流變化對三芯電纜導體溫度有影響。
8.根據權利要求1所述的三芯電纜實時導體溫度計算方法，其特征在于，步驟(8)中得到初始時刻開始2小時內η次電流和外皮溫度變化引起的溫升計算公式為:
Δ Θ (t) = Δ Θ cl(t) + A Θ c2(t)+...Δ Θ cn(t) + A θ Wl(t) + A θ w2(t)+...Δ θ m(t)； 其中，Δ 0cl(t)為第一次電流溫升，Δ 0c2(t)為第二次電流溫升，Δ 0cn(t)為第η次電流溫升，Δ 0wl (t)為第一次外皮溫升，Δ 0w2(t)為第二次電流溫升，Δ 0m(t)為第η次電流溫升，η為自然數。
9.根據權利要求1所述的三芯電纜實時導體溫度計算方法，其特征在于，步驟(9)中得到當前三芯電纜導體溫度公式為: θ(? = θν^3Ι^{Τι+Τβ)+θιΙ+ΑΘ(?; 其中，Θ w(l為初始外皮溫度；Θ cd為介質損耗引起溫升；Λ Θ⑴導體總溫升。
【文檔編號】G01K7/16GK104198077SQ201410436774
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年8月29日 優先權日:2014年8月29日
【發明者】牛海清, 莊小亮, 葉開發 申請人:華南理工大學