一种电缆接头实时载流量计算方法技术

本发明专利技术公开了一种电缆接头实时载流量计算方法，首先在COMSOL中进行电缆接头建模，利用四面体不均匀剖分对模型进行剖分，进一步利用电磁‑热耦合双层迭代算法对模型进行仿真计算，在考虑温度对电缆导体电导率的影响下，得出电缆的温度分布；通过对不同载流量下电缆的温度分布进行仿真，最后应用载流量计算公式反推电缆此时的载流量大小。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种根据电缆温度反推电缆实际载流量的方法，特别涉及了一种基于电磁-热耦合的双层迭代算法。
技术介绍
随着高压电力电缆在我国城市电网改造过程中的广泛应用，用来连接两段电缆的中间接头数量也随之大幅增长。然而，电力系统多年的运行经验表明，由于电缆接头制作不规范或敷设环境恶劣等原因，其内部接触电阻往往过大，当电缆载流量过大时，容易导致电缆接头局部过热，由此引起的电缆断路、短路、爆炸甚至引发重大火灾事故的案例屡见不鲜。因此需要一个有效的方法对电缆的载流量和温度进行监测。通过温度检测电缆载流量的原理为：电缆单位时间产生的功率为，其中R为电缆接头处电阻，I为电缆此时的载流量。由此公式可知，当电缆载流量过大时，会导致功率变大，从而导致电缆温度升高，严重时会导致电缆断路，断路甚至爆炸。通过对电缆温度的监测，根据温度反推电缆载流量，从而达到对电缆载流量的监测。目前在对电缆温度场进行计算时，很少考虑其电磁损耗以及金属电导率随温度的变化，而实际情况下，为了能更准确地通过温度估算电缆载流量，这些因素都不能忽略。因此在基于电缆接头三维模型的基础上，从温度场和电磁场的角度出发，通过双层迭代的方法对不同载流量下电缆接头的温度进行计算，符合实际情况，能够对电缆接头载流量的大小提供参考依据。
技术实现思路
本专利技术针对电缆不同载流量下温度场的计算，提供了一种电磁-热耦合的双层迭代算法，在得出大量数据后，依据数据之间的关系，由温度直接反推出电缆载流量的大小。为了实现上述目的本专利技术采用如下技术方案：一种电缆接头实时载流量计算方法，包括以下步骤：步骤一，搭建电缆接头的三维模型；步骤二，采用四面体单元对步骤一搭建的三维模型进行有限元网格划分；步骤三，给定初始温度T(0)，根据公式分别计算导体和屏蔽层铜材料的电导率，并结合电磁场控制方程及施加的电磁边界条件计算电缆接头的电磁场分布；判断相邻两次计算结果差值是否满足控制精度要求，若不满足，令迭代次数m＝m+1，重新计算电磁场分布，直至相邻两次迭代计算结果差值满足控制精度要求；步骤四，根据以下公式计算单位体积生热率Qv；J=▿×1μ▿×A]]>Qv=1σ|J|2]]>式中，J为包括源电流密度及涡流电流密度的总电流密度，A为矢量磁位，为哈密顿算子；步骤五，将单位体积生热率Qv载入温度场控制方程中结合施加的温度边界条件，计算得到电缆接头的温度场分布，判断相邻两次迭代计算温度差值是否满足控制精度要求，若不满足，根据计算得到的温度分布情况更新导体的电导率值，同时令迭代次数n＝n+1，再计算温度场分布，重复上述过程，直至相邻两次迭代计算温度差值满足控制精度要求；步骤六，根据上述计算过程计算多种不同载流量下的电缆温度；步骤七，根据步骤六获得的数据，分析得到电缆载流量I计算公式为：I=(θc-θa)-Wd(0.5T1+T2+T3)R[T1+(1+λ1)T2+(1+λ1+λ2)T3]]]>其中，R是导体交流电阻，Wd是导体损耗，T1，T2，T3分别是绝缘层热阻，内衬层热阻和外被层热阻；λ1，λ2分别是金属护套损耗，铠装损耗与导体损耗之比；θc是电缆温度，θa是环境温度。步骤二所述有限元网格划分，采用对模型温度梯度变化较大的区域进行加密网格划分，其它区域则进行稍大网格划分。首先，本专利技术准确的绘制出了电缆接头的三维模型，相比于现在常用的运用同心圆替代的方法而言，极大的提高了计算的准确度；其次运用双层迭代的方法计算电缆的发热量，考虑了温度对电缆材料性能的影响，计算结果更加准确。因此在此基础上的基于温度反推电缆接头载流量的计算结构也会更加准确。附图说明图1为本专利技术的电缆模型示意图；图2为本专利技术的电缆三维网格剖分示意图；图3为本专利技术的电磁-热耦合双层迭代算法流程图；图4为本专利技术的不同载流量下电缆导体的温度场分布；图5为电缆缆芯温度的拟合曲线图6为电缆表面温度的拟合曲线。具体实施方式参见图1，以型号为8.7/15kVYJV1×400的XLPE电力电缆冷缩式直通接头为例，在COMSOL中搭建出电缆接头的三维模型；并采用四面体单元对电缆接头模型进行网格划分，划分后的网格剖分示意图参加图2。为了加强迭代计算过程中的收敛性和提高计算的精度，网格划分采用不均分网格的划分方式，即对模型温度梯度变化较大的区域如导体和屏蔽层附近加密网格划分，其它区域适当放大一些。参见图3，根据流程图，首先由环境初始温度T(0)和公式分别计算导体和屏蔽层铜材料的电导率(σ表示导体电导率或者屏蔽层铜材料电导率)，并结合电磁场控制方程及施加的电磁边界条件计算电缆接头的电磁场分布，判断相邻两次计算结果差值是否控制精度要求，若不满足，令迭代次数m＝m+1，重新计算电磁场分布，直至相邻两次迭代计算结果差值满足控制精度要求；将由电磁场分析模型中计算得到的单位体积生热率Qv载入温度场分析模型中，并结合施加的温度边界条件计算得到电缆接头的温度场分布，判断相邻两次迭代计算温度差值是否满足控制精度要求，若不满足，根据计算得到的温度分布情况更新铜材料的电导率值，同时令迭代次数n＝n+1，再计算温度场分布，重复上述过程，直至相邻两次迭代计算温度差值满足控制精度要求，仿真结束，保存仿真结果，并转入后处理，进行仿真结果的读取与查看等操作。依据上述计算模型，计算多种载流量下的电缆温度。由于电缆导体的温升等于与电缆载流量损耗有关的温升，即：Δθ＝θc-θa；其中，θc是电缆温度，θa是环境温度，△θ表示环境温度和电缆温度的温度差。电缆载流量计算公式为：其中，R是导体交流电阻，Wd是导体损耗，T1，T2，T3分别是导体绝缘，外半导电层和电缆护套，λ1，λ2分别是金属护套损耗，铠装损耗与导体损耗之比。上述涉及的电磁场控制方程和施加的电磁边界条件具体情况如下：1)电磁场控制方程在以上假设条件下，根据麦克斯韦方程组，并引入矢量磁位A，得其控制方程的向量形式为：(▿·1μ▿)A=-Js+jωσA]]>式中，μ为磁导率，H/m；A为矢量磁位；σ为电导率，S/m；Js为外加电流密度，A/m2；ω为角频率，rad/s，为哈密顿算子。同时，电力电缆金属部分的电导率与温度之间满足以下关系：σ=σ201+α(T-20)]]>式中，σ为当前温度下的电导率，S/m；σ20为20℃下的电导率，S/m；α为电导率随温度变化的温度系数，1/℃；T为金属导体当前温度，℃。2)电磁场边界条件矢量磁位A在电缆导体外部空间快速衰减，距离电缆表面处0.5m处其数值大小为约为0，即空气域外边界条件为：A＝0轴向距离接头中心一定距离的径向截面为磁绝缘边界，即n×A＝0式中，n为边界法向量，A为矢量磁位。上述温度场控制方程和施加的温度边界条件具体情况如下：1)温度场控制方程根据传热学理论，稳态时电力电缆(包括本体和接头)内部热传导控制方程为：▿·(λ▿T)+Qv=0]]>式中，λ为热导率，W/(m·K本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电缆接头实时载流量计算方法，其特征是，包括以下步骤：步骤一，搭建电缆接头的三维模型；步骤二，采用四面体单元对步骤一搭建的三维模型进行有限元网格划分；步骤三，给定初始温度T(0)，根据公式分别计算导体和屏蔽层铜材料的电导率，并结合电磁场控制方程及施加的电磁边界条件计算电缆接头的电磁场分布；判断相邻两次计算结果差值是否满足控制精度要求，若不满足，令迭代次数m＝m+1，重新计算电磁场分布，直至相邻两次迭代计算结果差值满足控制精度要求；步骤四，根据以下公式计算单位体积生热率Qv；J=▿×1μ▿×A]]>Qv=1σ|J|2]]>式中，J为包括源电流密度及涡流电流密度的总电流密度，A为矢量磁位，为哈密顿算子；步骤五，将单位体积生热率Qv载入温度场控制方程中结合施加的温度边界条件，计算得到电缆接头的温度场分布，判断相邻两次迭代计算温度差值是否满足控制精度要求，若不满足，根据计算得到的温度分布情况更新导体的电导率值，同时令迭代次数n＝n+1，再计算温度场分布，重复上述过程，直至相邻两次迭代计算温度差值满足控制精度要求；步骤六，根据上述计算过程计算多种不同载流量下的电缆温度；步骤七，根据步骤六获得的数据，分析得到电缆载流量I计算公式为：其中，R是导体交流电阻，Wd是导体损耗，T1，T2，T3分别是绝缘层热阻，内衬层热阻和外被层热阻；λ1，λ2分别是金属护套损耗，铠装损耗与导体损耗之比；θc是电缆温度，θa是环境温度。...

【技术特征摘要】
1.一种电缆接头实时载流量计算方法，其特征是，包括以下步骤：步骤一，搭建电缆接头的三维模型；步骤二，采用四面体单元对步骤一搭建的三维模型进行有限元网格划分；步骤三，给定初始温度T(0)，根据公式分别计算导体和屏蔽层铜材料的电导率，并结合电磁场控制方程及施加的电磁边界条件计算电缆接头的电磁场分布；判断相邻两次计算结果差值是否满足控制精度要求，若不满足，令迭代次数m＝m+1，重新计算电磁场分布，直至相邻两次迭代计算结果差值满足控制精度要求；步骤四，根据以下公式计算单位体积生热率Qv；J=▿×1μ▿×A]]>Qv=1σ|J|2]]>式中，J为包括源电流密度及涡流电流密度的总电流密度，A为矢量磁位，为哈密顿算子；步骤五，将单位体积生热率Qv载入温度场控制方程中结合施加的温度边界条件，计算得到电缆接头的温度场分布，判断相邻两次迭代计算温度差值是否满足控制精度要求，若不满足，根据计算得到的温度分布情况更新导体的电导率值，同时令迭代次数n＝n+1，再计算温度场分布，重复上述过程，直至相邻两次迭代计算温度差值满足控制精度要求；步骤六，根据上述计算过程计算多种不同载流量下的电缆温度；步骤七，根据步骤六获得的数据，分析得到电缆载流量I计算公式为：其中，R是导体交流电阻，Wd是导体损耗，T1，T2，T3分别是绝缘层热阻，内衬层热阻和外被层热阻；λ1...

【专利技术属性】
技术研发人员：李巍巍，刘凤莲，张海星，陈洪波，杨帆，方欣，吴天宝，张宗喜，王锐，白欢，马啟潇，罗杨茜玥，
申请(专利权)人：国网四川省电力公司电力科学研究院，重庆大学，
类型：发明
国别省市：四川;51