基于数值仿真和无源无线测温的电缆载流极限确定方法技术

本发明专利技术涉及一种基于数值仿真和无源无线测温的电缆载流极限确定方法，包括以下步骤：1)建立电缆试验平台；2)采用ANSYS软件根据电缆试验平台中电缆的敷设方式及环境参数建立仿真模型，并设置边界条件参数；3)根据仿真模型计算电缆在通过设定电流时的计算温度场；4)以所述设定电流通入电缆试验平台的电缆中，通过无源无线声表面波测温系统测量得电缆在通过设定电流时的试验温度场；5)获得计算温度场与试验温度场的误差，判断该误差是否在允许范围内，若是，则根据仿真模型计算电缆载流极限，若否，则执行误差分析，根据分析结果调节仿真模型和/或无源无线声表面波测温系统，返回步骤3)。与现有技术相比，本发明专利技术具有有效减小理论计算误差和实验测量误差等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电力电缆
，尤其是涉及一种基于数值仿真和无源无线测温的电缆载流极限确定方法。
技术介绍
电力线路载流量计算的研究历史几乎是与电缆的专利技术同步产生的。流经线缆导体的电流会因损耗而发热，在已知绝缘材料所能承受的极限温度条件下，技术人员需要知道线缆所能承受的最大电流值，以提高电缆设备的利用率。早期载流量的计算受限于当时的计算能力，主要基于工程中的横向对比方法或者是对经验数据的拟合。1957年Neher和McGrath采用热阻、热容参数模型成功的对电缆热回路进行了分层建模，简化后的双口网络易于手算，并且已达到了相当高的精度。该类方法统称为电缆载流量计算的解析方法。该方法也是目前在设备制造、标准制定方面的依据。国际电工委员会(IEC)根据国际大电网会议1964年的报告与1982年所制定的电缆额定载流量计算标准。随后对该标准经过20多年的修改和增补，形成了现在电缆载流量计算该领域中最权威的标准文件IEC60287标准，确定了100％负荷因素条件下的载流量公式、热阻计算公式及有关运行条件。我国于2000年时公布了与其对应的机械部标准JB/T10181，是目前该领域国内最权威的规范性文件。但上述标准支持的电缆载流量计算解析法无法应对多回路集群敷设，电缆跨越不均衡土壤、隧道和桥梁等复杂环境，以及线路通道内的不同干扰因素，使得运行部门在选择校正系数时面临困难。二十世纪中后期，随着计算机技术的普及和数值计算能力的不断提高，研究人员尝试应用数值传热学，使用更为复杂的模型对电缆及电缆周边热场进行建模、仿真，并且通过有限元、有限差分等一批数值算法求解最终的温度值。与解析方法不同，数值模型中可以针对多回路电缆、复杂土壤环境、其他管道热源等情况进行建模，大大扩展了算法的实用性，提高了计算精确度。该类方法统称为电缆载流量计算的数值方法，其中，在这些数值方法中，应用较多的有，有限差分法、有限元法、边界元法，有限容积法等。然而，实际敷设的电缆周围环境复杂，对电缆周边热场及载流能力的影响因素众多，如环境温度、土壤温度、电缆周围物质的热阻系数、土壤热阻系数、水分迁移等等，这使得使用数值法时对电缆及周边热场建模存在理论上的简化和带来误差，因此，不管是解析法还是数值法均需要配合一定的试验验证才能对计算的准确性进行把握。目前，电缆载流量的试验验证通常采用热电偶测量电缆各层的温度来实现。根据IEC60287系列标准规定，电缆导体温度达90℃(交联聚乙烯主绝缘电缆)时对应的导体电流为电缆的载流量。由于电缆载流量受敷设条件的影响较大，而外部环境参数(如地温、土壤热阻系数等)是动态变化的，因而载流量试验并没必要令导体温度恰好达到90℃，只需要给电缆通以某一恒定电流，测量电缆各层温度，然后进行层间温升分析即可验证理论计算。故试验中对电缆持续施加固定电流至稳态，通过安装在导体、金属屏蔽、铠装及电缆表皮上的热电偶记录电缆各层温度并计算各层温差，通过比较各层温差的试验值与计算值，从而验证解析法的电缆热路模型的各热阻及损耗的正确性以及数值法的准确性。目前，极少数供电公司和高校联合进行了电力电缆解析法载流量计算结果基于热电偶的验证试验，发现相对于实际运行情况，理论计算值与试验测量值均存在误差。首先，采用解析法从理论上即存在误差，因为解析法无法模拟复杂敷设情况。其次，测量系统本身是引起误差的一个原因，特别是试验中的温度是通过热电偶测量的，本身存在一定的误差。这是因为电缆本身较长，测量点到记录点具有较远的距离，使得热电偶的误差较大；热电偶的介入导致电缆本体温度场的改变也是造成误差的一个原因；另外热电偶与被测材料接触不良，将会产生接触热阻，带来误差。
技术实现思路
本专利技术的目的就是针对电力电缆特别是电缆群在复杂敷设方式下其载流极限(长期允许载流量)采用基于IEC60287标准的解析法难于确定，且针对具体敷设方式的电缆和电缆群试验验证的热电偶方法存在较大误差，致使电缆载流极限存在理论计算值和试验测量值都存在准确性较差的问题，而提供一种基于数值仿真和无源无线测温的电缆载流极限确定方法，有效减小理论计算误差和实验测量误差。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于数值仿真和无源无线测温的电缆载流极限确定方法，包括以下步骤：1)建立电缆试验平台；2)采用ANSYS软件根据电缆试验平台中电缆的敷设方式及环境参数建立仿真模型，并设置该仿真模型的边界条件参数；3)根据仿真模型计算电缆在通过设定电流时的计算温度场；4)以所述设定电流通入电缆试验平台的电缆中，通过无源无线声表面波测温系统测量得电缆在通过设定电流时的试验温度场；5)获得计算温度场与试验温度场的误差，判断该误差是否在允许范围内，若是，则执行步骤6)，若否，则执行误差分析，根据分析结果调节仿真模型和/或无源无线声表面波测温系统，返回步骤3)；6)根据仿真模型计算电缆载流极限。所述电缆试验平台包括相连接的电缆和试验电流源，并设置相应的敷设环境。所述环境参数包括环境温度、地温、土壤热阻系数和周围物质导热系数。所述步骤3)中，计算电缆在通过设定电流时的计算温度场前，设置设定电流，并设置电缆各层的热流，所述电缆各层包括电缆导体、金属屏蔽、铠装和外皮。所述步骤3)中，通过计算温度场获得电缆导体、金属屏蔽、铠装和外皮的温度计算值。所述无源无线声表面波测温系统包括依次连接的无源无线温度传感器、阅读器、光纤通讯网络和监控后台，所述无源无线温度传感器设有多个，分布设置于电缆试验平台中。所述步骤4)中，无源无线声表面波测温系统测量得电缆在通过设定电流时的试验温度场的具体过程为：401)监控后台控制阅读器以设定时间间隔向无源无线温度传感器发射射频访问脉冲信号，无源无线温度传感器返回反映温度信息的振荡信号；402)阅读器对接收到的振荡信号进行解调后获得电缆各层的温度测量值，返回给监控后台，所述电缆各层包括电缆导体、金属屏蔽、铠装和外皮；403)监控后台根据电缆各层的温度测量值生成电缆的试验温度场。所述阅读器包括依次连接的微处理器、微控制器、信号控制器、D/A转换器、第一信号放大器、信号发射与接收器、第二信号放大器、A/D转换器和信号解调器，所述信号解调器与微控制器连接，所述微处理器通过光纤通讯网络与监控后台连接，所述信号发射与接收器通过无线网络与无源无线温度传感器。所述无源无线温度传感器为谐振型温度传感器。与现有技术相比，本本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于数值仿真和无源无线测温的电缆载流极限确定方法，其特征在于，包括以下步骤：1)建立电缆试验平台；2)采用ANSYS软件根据电缆试验平台中电缆的敷设方式及环境参数建立仿真模型，并设置该仿真模型的边界条件参数；3)根据仿真模型计算电缆在通过设定电流时的计算温度场；4)以所述设定电流通入电缆试验平台的电缆中，通过无源无线声表面波测温系统测量得电缆在通过设定电流时的试验温度场；5)获得计算温度场与试验温度场的误差，判断该误差是否在允许范围内，若是，则执行步骤6)，若否，则执行误差分析，根据分析结果调节仿真模型和/或无源无线声表面波测温系统，返回步骤3)；6)根据仿真模型计算电缆载流极限。

【技术特征摘要】
1.一种基于数值仿真和无源无线测温的电缆载流极限确定方法，其特征在于，
包括以下步骤：
1)建立电缆试验平台；
2)采用ANSYS软件根据电缆试验平台中电缆的敷设方式及环境参数建立仿
真模型，并设置该仿真模型的边界条件参数；
3)根据仿真模型计算电缆在通过设定电流时的计算温度场；
4)以所述设定电流通入电缆试验平台的电缆中，通过无源无线声表面波测温
系统测量得电缆在通过设定电流时的试验温度场；
5)获得计算温度场与试验温度场的误差，判断该误差是否在允许范围内，若
是，则执行步骤6)，若否，则执行误差分析，根据分析结果调节仿真模型和/或无
源无线声表面波测温系统，返回步骤3)；
6)根据仿真模型计算电缆载流极限。
2.根据权利要求1所述的基于数值仿真和无源无线测温的电缆载流极限确定
方法，其特征在于，所述电缆试验平台包括相连接的电缆和试验电流源，并设置相
应的敷设环境。
3.根据权利要求1所述的基于数值仿真和无源无线测温的电缆载流极限确定
方法，其特征在于，所述环境参数包括环境温度、地温、土壤热阻系数和周围物质
导热系数。
4.根据权利要求1所述的基于数值仿真和无源无线测温的电缆载流极限确定
方法，其特征在于，所述步骤3)中，计算电缆在通过设定电流时的计算温度场前，
设置设定电流，并设置电缆各层的热流，所述电缆各层包括电缆导体、金属屏蔽、
铠装和外皮。
5.根据权利要求4所述的基于数值仿真和无源无线测温的电缆载流极限确定
方法，其特征在于，所述步骤3)中，通过计算温度场获得电缆导体、...

【专利技术属性】
技术研发人员：程晓晓，周宁，马建伟，王磊，张周胜，尹轶珂，
申请(专利权)人：国网河南省电力公司电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：河南;41