曾含1, 王健1, 韩卓展2, 刘顺满1, 范星辉1, 聂阳阳1, 刘刚1    

 

1. 华南理工大学 电力学院, 广东 广州 510641;

 

2. 广东电网有限责任公司广州供电局, 广东 广州 510310

 

摘要：为准确计算高压单芯电缆线芯温度，提出将电缆中的绕包层、气隙层、皱纹铝护套层合并为包覆层进行优化热路建模的方法。首先对电缆实际结构进行分析，指出常规热路建模中电缆同心结构的不合理性，将包覆层分为3层建模引入的误差较大，会降低计算精度；然后提出将3层复杂结构统一化的优化建模方法，其中的热容热阻参数通过实验的方法获取；最后通过暂态温升实验并结合有限元仿真，验证了优化建模方法的有效性。结果表明: 在采用优化后的暂态热路模型以及计算出的包覆层热阻热容参数计算电缆导体温度时，绝对误差的最大值由16.4 ℃降至2.7 ℃，相对误差最大值由24.06%降至4.45%，显著提高了计算精度。

 

 

作者简介：    曾含(1997), 男, 江西宜春人, 在读硕士研究生, 主要研究方向为电缆温度场与载流量, E-mail: zh18895360468@163.com;

 

      王健(1965), 女, 天津人, 副教授, 博士, 主要研究方向为电力市场, 电力系统运行控制与管理, E-mail: wangjian@scut.edu.cn;

 

      韩卓展(1993), 男, 广东湛江人, 工程师, 硕士, 主要从事电力电缆运行维护工作, E-mail: zhuozhan_han@163.com

 

引文信息

 

 ★  曾含, 王健, 韩卓展, 等. 基于优化包覆层结构的高压单芯电缆暂态热路建模方法[J]. 广东电力, 2022, 35(4): 87-95. 

 

ZENG Han, WANG Jian, HAN Zhuozhan, et al. Transient Thermal Circuit Modeling Methodfor High Voltage Single Core Cable Based on Optimized Coating Layer[J]. Guangdong Electric Power, 2022, 35(4): 87-95. 

 

 

01研 究 背 景

 

    随着用电量增大，电缆线路所需输送的电能也随之增加。目前城市中广泛使用以XLPE材料作为绝缘的高压电缆, 为了保证电缆绝缘在输送电能的过程中不会受到高温损伤，准确计算电缆的实时载流量十分重要。

 

02存在问题 

 

    目前，国外学者提出的电缆载流量计算方法主要有有限元法、边界元法以及热路法；国内学者提出的方法主要有无网格伽辽金法[13]和场路结合法。有研究发现，采用传统热路模型通过电缆表皮温度计算电缆导体温度时，将电缆绝缘层集中处理，造成较大的计算误差，因此优化绝缘层暂态热路模型可以减小误差。另一方面，传统热路模型将电缆包覆层中的绕包带、气隙层、皱纹铝护套划分为独立的串联结构，然后分层计算出各自的热容热阻参数。然而，刘刚等学者指出，皱纹铝护套与绕包带间的空气介质存在强制对流传热热阻，并且皱纹铝护套凹进部分与绕包带接触存在接触热阻。由于电缆包覆层内部各层结构交错复杂、传热类型多样，不能将包覆层中的绕包带、气隙、皱纹铝护套视为独立结构串联建模。

 

03本文研究内容

 

     本文将绕包带、气隙层、皱纹铝护套合并为一层(包覆层)，构建高压单芯电缆暂态热路模型。为了获取包覆层的热阻热容参数，首先进行第1次电缆暂态温升实验，基于实验得到的导体稳态温度和皱纹铝护套稳态温度，通过优化的暂态热路模型逆推出其热阻参数；采用逼近法求解热容参数，将基于给定初值并通过优化的暂态热路模型计算得到的导体温度与实验测得的导体温度进行比较，不断修正该值，使其满足精确度要求。然后在同类型电缆上进行第2次暂态温升实验，测量电缆表皮温升曲线以及导体温升曲线。利用第1次实验逆推的包覆层热参数和第2次实验测量的电缆表皮温升曲线，结合MATLAB、COMSOL软件，在优化建模假设下分别求取暂态热路法计算的导体温升曲线和仿真导体温升曲线。对比优化模型的导体温升曲线、传统模型的导体温升曲线与实验测量的导体温升曲线，验证将包覆层作为一层暂态热路模型的计算精度。