电缆载流量试验热稳定判据及试验误差的研究.pdf

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1、第36卷第5期东北电力大学学报Vo1．36．No．52016年1O月JournalOfNortheastDianliUniversity0ct．．2O16文章编号：1005—2992(2016)05—0025—07电缆载流量试验热稳定判据及试验误差的研究鲁志伟，张航，敖明2，于海，李艳飞4(1．东北电力大学电气工程学院，吉林吉林132012；2．吉林省电力有限公司电力科学研究院，长春130021；3．国网淄博供电公司，淄博255000；4．广东电网公司广州供电局，广州510620)摘要：运行中电力电缆线芯温度随负荷电流和电缆本体及周围媒质热特性参数的变化而变化，准

2、确地确定电缆暂态温度场和线芯温度是提高电缆输送能力的基础。针对有限差分法计算电缆温度场难以处理电缆圆形边界和周围土壤矩形边界的问题，采用阶梯直线代替电缆圆形边界，在直角坐标系中直接求解电缆暂态温度场。基于坐标组合的有限差分法和大电流模拟试验验证该方法的有效性和实用性。计算程序分析了恒定负荷电流下电缆线芯的温升过程和载流量试验误差。计算结果表明：电缆线芯温升速度随土壤热阻系数的增加和电缆根数的增加而减慢，目前载流量试验中采用的热稳定判据可以使载流量试验值显著高于载流量实际值。关键词：电力电缆；暂态温度场；有限差分法；载流量试验；热稳定判据；试验误差中图分类号：TM7

3、6文献标识码：A在人口稠密的大城市，电力通常通过电力电缆传输J。为确保电缆安全运行和降低电缆使用成本，对电力电缆输送能力进行数值计算和试验研究具有重要意义l3J。载流量试验研究时对电缆施加恒定电流，电缆线芯温度逐渐上升并趋于稳定，并规定当线芯温度在4h内变化≤1．0oC时，电缆线芯温度达到稳定状态j。电缆线芯温升速度取决于系统热时间常数，其值为电缆的状态监测及故障预警提供理论依据J。研究热稳定判据及可能带来的载流量试验误差，需对电缆暂态温度场进行数值计算。国际电工委员会推荐的载流量计算方法(IEC-60287)使用方便，适用于均匀土壤，对于有回填土的不均匀土壤，使

4、用修正系数进行修正，但其计算精度与回填土热阻系数和电缆回路数密切相关。与IEC计算方法比较，数值计算方法精度高，适用于各种复杂工况，但编程繁琐且计算速度慢。电缆温度场数值计算通常采用边界元法¨、有限元法l和有限差分法¨。边界元法处理多回路电缆敷设问题时，边界过多使得计算量变大。有限元法可以灵活布置网格和节点，对复杂区域和复杂边界问题具有很好的适应性，在电缆温度场的计算中得到了广泛的应用。使用有限差分法计算电缆温度场时，一般同时采用极坐标系和直角坐标系，该方法被称为坐标组合法。极坐标易于处理电缆圆形边界，而直角坐标易于处理土壤区域外边界。坐标组合法在迭代过程中通过插

5、值将两种坐标相结合，因此编程复杂，计算速度低。本文使用直线阶梯拟合曲线的方法对电缆圆形边界进行网格划分，将电缆影响区域全部划分到直角网格内，编程简单并且有较高的精度，便于大规模电缆集群敷设后的暂态温度场的数值采集及计算。1电缆暂态温度场计算模型1．1电缆暂态温度场的数学模型由于电缆轴线方向温度几乎不变化，故可以采用二维计算模型，并采用有限差分法离散计算区收稿日期：2016—04—12基金项目：吉林省科技发展计划项目(20130101071JC)，吉林省电力有限公司科技项目(2013—39)作者简介：鲁志伟(1963-)，男，吉林省吉林市人，东北电力大学输变电学院教

6、授，博士，主要研究方向：接地技术，电力电缆运行和电介质材料．26东北电力大学学报第36卷域22,231。在图1直角坐标网格系统中，二维温度场暂态导热方程为：K[~a2QN’(i，j一1)fpat=⋯+磐]+，(1),vdoy△一Ay】一式中：P、C、K分别为材料的密度、比热及导热系数；TWP为电缆及土壤不同位置的温度；Q为热源。．1E传热学中边界条件可归纳为三类：第一类为已『(H，j)l’’(i，j)(i+l，j)ay2知边界温度；第二类为已知边界法向热流密度；第三——△—类为已知界面上的流体温度和对流换热系数。计算ls．(i，j+1)中足够深度的土壤下边界为第一

7、类边界，左右边界图1直角坐标的网格系统两条垂直线为第二类边界条件，地面土壤和地表空气层为第三类边界。应用变步长离散导热方程为：2Kl【——上一一—L+——旦一+!=一L+1／ix1(／ix1+Ax2)axlAx2Ax2(ax1+△2)△y1(△yl+△)△)，1△，△2(ay1+△y2)J+Q=pCp，(2)式中：i√分别代表x,y坐标；To代表上一时层的温度；At为离散的时间步长。式(2)可以进一步写成：+awTWp象，(3)式中：。=+2‘1+1)=一2K△1(△1+／tx2)’。Ⅳ=一—；口s一j—；6=Q‘。1．2电缆圆形边界的处理适当的网格划分是计算电缆

8、温度场中一