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基于热路模型和瞬态伴随模型的直埋电缆暂态缆芯温升计算

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高电压技术 2022年第9期48卷 3517-3525页

作者：梁永春王婧雅河北科技大学电气工程学院石家庄050018

随着电力负荷不断增大和供电可靠性要求的不断提高,准确和快速评估直埋电缆的暂态温升有助于提高动态增容和应急负荷工况的管理水平。根据温度场的唯一性,针对复杂的电缆结构和散热环境,建立了等效的二支路暂态热路模型。根据热路和电... 详细信息

随着电力负荷不断增大和供电可靠性要求的不断提高,准确和快速评估直埋电缆的暂态温升有助于提高动态增容和应急负荷工况的管理水平。根据温度场的唯一性,针对复杂的电缆结构和散热环境,建立了等效的二支路暂态热路模型。根据热路和电路的相似性,利用电路中的集总参数网络的瞬态分析方法,建立了热容支路的瞬态伴随模型,给出了暂态热路模型的节点导纳矩阵,根据节点热流写出了节点温升方程。由于暂态热路模型中热容和热阻参数不易计算,利用粒子群优化算法和暂态热路模型的瞬态分析法,通过与有限元和试验暂态温升数据的对比,优化获得了暂态热路模型的热容和热阻参数。由于直埋电缆热传递过程中的延迟特性,建立的暂态热路模型可分为短时模型和长时模型,提高了阶跃负荷下的暂态温升和周期性负荷下的暂态温升的计算精度。试验和有限元计算结果的对比证明了所建立的暂态热路模型具有较高的精度,有助于提高暂态负荷的管理水平。

关键词：直埋电缆瞬态伴随模型热路模型暂态温升周期负荷

直埋电缆覆土层热湿耦合及热物性对载流量的影响研究

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直埋电缆覆土层热湿耦合及热物性对载流量的影响研究

作者：冯彦皓浙江工业大学

学位级别：硕士

随着电力和直埋电缆建设的推进,需要对电缆的载流量进行准确地评估,以修正传统IEC 60287标准得到的偏于保守的载流量数值。IEC标准将电缆热损耗的散热看作导热过程,热阻为电缆内部热阻和外部土壤热阻。但IEC对土壤热阻的表述不精确,未... 详细信息

随着电力和直埋电缆建设的推进,需要对电缆的载流量进行准确地评估,以修正传统IEC 60287标准得到的偏于保守的载流量数值。IEC标准将电缆热损耗的散热看作导热过程,热阻为电缆内部热阻和外部土壤热阻。但IEC对土壤热阻的表述不精确,未考虑土壤中存在湿分的迁移和相变过程所引起的偏差,因而往往高估了载流量;并且IEC对直埋电缆敷设的覆土层热物性的研究数据和方法不足,因此开展实验工作十分必要。在上述背景下,本文以1kV中低压直埋电缆的覆土层土壤为例,综合运用导热系数实验、理论分析推导和有限元数值模拟等方法,系统地对影响直埋电缆载流量的土壤热物性和热湿耦合特性进行研究,具体从以下方面进行考察。(1)本文采集并表征了浙江省典型土壤类型(红壤、粗骨土和水稻土)的各土层剖面土壤及其干密度、含水率,绘制了各土壤的颗粒级配曲线。并通过基于热探针法的KD2 Pro仪器实验研究了各类土壤的导热系数随质量含水率(0–25%)、干密度(0.7–1.6 g·cm)和粒径(0.075–2 mm)的定量变化规律。发现了土壤的导热系数随着干密度和质量含水率的增大而增大,且导热系数的增长率在干密度0.9–1.2 g·cm区间开始放缓。土壤的干密度范围在质量含水率25%时较0%翻了一到两倍,并且粒径对导热系数的影响在各土壤类型下均不相同。在此基础上,通过单因素ANOVA研究各因素对导热系数影响程度,发现干密度的影响最显著,而粒径的影响可忽略。此外,通过Johansen等理论模型,验证了实验值的准确性,并通过回归分析得到了导热系数的三元模型,其R可达98%以上。导热系数实验研究所揭示的含水率和干密度等参数的影响将应用于热湿耦合模型的建立上,为精确预测载流量打下基础,也为其它涉及土壤耦合传热问题提供参考。(2)本文在传统的土壤传热传湿耦合方程和MAXWELL电磁场方程式的基础上,将电磁场方程推导出的电缆损耗代入温度场中的热源项,并通过分析水分和气体的扩散形式,推导出了适合直埋电缆载流量计算的三场耦合模型。本文在模型里引入了电磁场、传热场和传湿场等参数的具体表达式,并着重对土壤上边界建立了辐射散热、热空气自然对流与水分蒸发相变等过程的边界热量通量方程,使整个三场耦合模型封闭可解。(3)本文应用上述三场耦合模型,采用有限元法和正交分析法,对YJV22-0.6/1 3×6直埋电缆在覆土层土壤中敷设的载流量进行了数值模拟分析,土壤设置为单层、双层和三层。结果得出,最大载流量出现在双层土壤、干密度1.4 g·cm、平均粒径2 mm附近,为86.85 A,而最低载流量仅为56.17 A。在双层和三层土壤中,干密度对载流量的影响可达74.33%和86.86%,而单层土壤中对载流量的影响则较小。此外,空气温度对直埋电缆的载流量也会有负相关的关系,因此,土壤类型、土壤热阻和热湿耦合等因素对载流量的影响不能忽略。本文编制了一个计算IEC 60287载流量的C#程序,用于比对耦合模型计算值与IEC标准的计算值以及文献中的热湿耦合实验值,发现IEC与模型计算的相对误差为-9–10%,且温度和含水率的日变化与实验规律基本一致,表明模型有一定的精度。

关键词：土壤导热系数传热传湿耦合直埋电缆载流量有限元模型

基于FEM的直埋电缆载流量与外部环境关系的计算

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电工电能新技术 2007年第4期26卷 10-13页

作者：梁永春柴进爱李彦明王正刚李忠魁西安交通大学郑州电业局河南郑州450006

利用有限元法对有外部热源的直埋电缆区域进行剖分,计算了给定电缆负荷的温度场。利用对分法计算了导体温度等于绝缘长期耐受温度时的电缆负荷,确定了有外部热源和地表空气温度变化时的直埋电缆的载流量。计算结果给出了电缆载流量随电... 详细信息

利用有限元法对有外部热源的直埋电缆区域进行剖分,计算了给定电缆负荷的温度场。利用对分法计算了导体温度等于绝缘长期耐受温度时的电缆负荷,确定了有外部热源和地表空气温度变化时的直埋电缆的载流量。计算结果给出了电缆载流量随电缆与外部热源间距的变化规律,以及电缆载流量随地表空气温度的变化规律,为工程实际提供了参考依据。

关键词：有限元法对分法外部热源直埋电缆载流量

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土壤热湿传递下的直埋电缆载流量数值计算

热科学与技术 2021年第3期20卷 303-312页

作者：吕洪坤冯彦皓吴宇豪汪明军应明良俞自涛国网浙江省电力公司电力科学研究院浙江杭州310014 浙江大学热工与动力系统研究所浙江杭州310027 浙江大学能源清洁利用国家重点实验室浙江杭州310027

针对土壤热湿过程对直埋电缆载流量的影响,修正土壤热湿耦合模型,联合MAXWELL方程组,建立电磁-热湿三场耦合模型。利用三场耦合模型和COMSOL Multiphysics软件按正交法计算不同敷设土壤类型、干密度和粒径下的YJV22 0.6/1 3×6直埋电缆... 详细信息

针对土壤热湿过程对直埋电缆载流量的影响,修正土壤热湿耦合模型,联合MAXWELL方程组,建立电磁-热湿三场耦合模型。利用三场耦合模型和COMSOL Multiphysics软件按正交法计算不同敷设土壤类型、干密度和粒径下的YJV22 0.6/1 3×6直埋电缆载流量。通过对比正交计算结果的最大、最小载流量组的磁通密度、发热量、温度分布、含水率分布等,发现大载流量组的缆芯发热量较高,但电缆外表皮温度较低,使得直埋电缆内部热流密度较大,同时电缆周围土壤的导热系数和含水率较高,发生的湿分运移和相变较为微弱,使得缆芯的热量及时被导出。因此,土壤中的湿分运移和相变对于直埋电缆的载流量有一定提升作用。

关键词：直埋电缆热湿耦合载流量正交计算数值模拟

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1kV级直埋电缆运行故障分析

电线电缆 2004年第5期 40-42页

作者：张继鹏新疆特变电工股份有限公司线缆厂新疆昌吉831100

本文介绍了 1k V级直埋电缆常见的运行故障类型及特点 ,并对形成原因进行了分析 ,提出了防范措施。

关键词：直埋电缆运行故障形成原因

影响直埋电缆温度分布和载流量的主要因素研究

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影响直埋电缆温度分布和载流量的主要因素研究

作者：贺永智中国计量大学

学位级别：硕士

随着电力电缆在输配电领域的广泛应用,准确计算其温度场与载流量对保证电缆线路的安全可靠运行以及提高线路运行的经济性都具有重要的意义。目前电力电缆温度场和载流量计算的方法有解析计算法、数值计算法、试验法。其中,试验法因费用... 详细信息

随着电力电缆在输配电领域的广泛应用,准确计算其温度场与载流量对保证电缆线路的安全可靠运行以及提高线路运行的经济性都具有重要的意义。目前电力电缆温度场和载流量计算的方法有解析计算法、数值计算法、试验法。其中,试验法因费用较高而不具有通用性;解析法能够快速地确定简单敷设条件下电缆载流量,但对于复杂敷设条件其计算结果与实际具有一定的偏差;有限元数值计算法可以模拟电缆的实际敷设情况,准确计算复杂敷设条件下电缆群的载流量。本文采用数值模拟和实验相结合的方法对直埋敷设情况下电力电缆的温度场和载流量进行了研究,分析了环境温度、土壤导热系数、电缆埋深、电缆间距以及土壤深层温度等因素的影响。论文首先采用瞬态平板热源法研究了土壤及沙土导热系数与含水率之间的关系。实验结果说明,土壤的导热系数随质量含水率的增加而增大;当达到饱和后,继续增加试样含水率会使土壤导热系数呈下降趋势,说明试样的导热以水膜的导热为主,土壤导热系数趋于不变。分析认为随土壤含水率升高,水逐渐填充土壤孔隙取代空气,由于水与空气的含量不断变化,对土壤整体导热系数产生显著影响。根据实验结果,通过拟合得到了导热系数与含水率之间的关联,可用于后续的直埋电缆温度场及载流量分析。应用COMSOL Multiphysics软件建立单回路三根水平敷设交联聚乙烯XLPE电缆的传热模型,分析了环境温度、土壤导热系数、电缆埋深、电缆间距以及土壤深层温度等参数对直埋电力电缆温度分布的影响;同时利用正交设计对载流量影响因素进行分析,结果表明土壤的导热系数对单芯直埋电缆载流量的影响是最为显著的,影响主次顺序依次是:土壤导热系数-空气温度-电缆轴间距-电缆埋深-土壤温度。并且计算了当电缆温度达到最高温度90℃时通过电缆的最大载流量,与标准IEC-60287进行对比。结果表明单回路敷设情况下传热模型和IEC标准计算结果比较接近,误差在3%以内。在实验室自行设计并搭建了50×40×60cm的直埋电缆热湿耦合实验系统,采用温度控制90℃±2℃的加热管模拟直埋电缆最高运行温度,埋设在容积含水量为15%的土壤中,通过测试加热管周围土壤中温度和相对湿度变化,实验时间持续4天。实验结果表明:在实验进行到近75个小时后土壤温度基本达到稳定,在加热管周围0.1m处,温度曲线达到稳定时温度范围也分布在60℃到79℃左右。实验过程中土壤湿度测试结果显示在本次实验持续时间（90h）内,土壤温度从室温逐渐升高,但土壤间隙的湿度基本保持在95%及以上。分析其原因,可能是在实验过程中加热管周边的土壤受热,在温度驱动下土壤颗粒吸附的水分不断向外扩散,使得土壤间隙相对湿度仍能维持在较高的水平,只有等土壤含有的水分析出过程减缓后,土壤相对湿度才能下降。但由于电缆直埋敷设在露天环境中0.7m深的土壤中,受自然界气候变化影响显著,土壤相对湿度基本维持较高。在实际设计中可以忽略土壤相对湿度的影响。

关键词：直埋电缆温度场载流量有限元法正交设计

直埋电缆的暂态温升特性及波动负荷输送能力研究

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电线电缆 2023年第6期 34-41页

作者：但京民李文清崔戎舰刘英李健吴高波中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司武汉430071 西安交通大学电气工程学院西安710049

介绍了梯形等效热路模型的建立方法,给出了分层确定损耗、热阻、热容等参数,并计算外加任意负荷下电缆暂态温升的分析流程,以单芯电缆在阶跃负荷下的温升特性为例,验证了模型及程序的有效性。在此基础上,针对三芯海缆结构提出了基于热... 详细信息

介绍了梯形等效热路模型的建立方法,给出了分层确定损耗、热阻、热容等参数,并计算外加任意负荷下电缆暂态温升的分析流程,以单芯电缆在阶跃负荷下的温升特性为例,验证了模型及程序的有效性。在此基础上,针对三芯海缆结构提出了基于热阻相等原则的等效方案,并以330 kV 3×1000 mm^(2)电缆为例,在典型风电场波动负荷作用下,研究了电缆温度随时间的变化特性,程序计算结果与有限元仿真数据一致。研究表明,直埋电缆热时间常数大,具备良好的短时过载及波动过载能力;利用等效热路模型及程序算法可确定单芯及多芯电缆的暂态热场响应特性,从而为应用于如风电场这类波动负荷传输的电缆实际负载能力评估提供技术依据,优化了电缆选型及参数设计。

关键词：直埋电缆梯形等效热路波动负荷暂态温升特性选型优化

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土壤直埋电缆群缆芯温升快速算法研究

土壤直埋电缆群缆芯温升快速算法研究

作者：郝谦河北科技大学

学位级别：硕士

电力电缆的缆芯温度是判断电缆可靠性、安全性以及是否可以增容的重要依据。随着电缆敷设环境的复杂化,电力电缆温升的传统计算方法在计算速度和计算精度等方面已经不能满足日常管理的需求,寻求一种同时满足速度和精度要求的算法尤为迫... 详细信息

电力电缆的缆芯温度是判断电缆可靠性、安全性以及是否可以增容的重要依据。随着电缆敷设环境的复杂化,电力电缆温升的传统计算方法在计算速度和计算精度等方面已经不能满足日常管理的需求,寻求一种同时满足速度和精度要求的算法尤为迫切。针对电力电缆负荷的特点,本文从缆芯稳态温升和暂态温升两个方面分别做了研究,构建出基于转移矩阵的土壤直埋电缆群稳态温升快速算法和基于时域响应的暂态温升快速算法,以有限元算法得出的缆芯温升作为对照组数据来验证方法的有效性,具体研究工作包括:1)利用有限元数值计算方法对电力电缆的稳态温升和暂态温升建模计算,分别得出电力电缆的稳态温度场分布和暂态温升曲线作为研究快速算法的数据基础。2)基于热阻转移矩阵的表示方法求出电力电缆群中每根电缆的自热阻和互热阻,并考虑环境温度、电缆埋深、土壤热阻系数、电缆间距等因素对电缆温升和转移矩阵元素的影响,给出求解电力电缆缆芯稳态温升快速算法的解析公式。3)基于时域响应原理构建暂态热路模型,将电缆群的共同作用离散为多根电缆单独作用的组合,分别用遗传算法求出自响应模型和互响应模型参数,通过节点温升耦合的方式获得各根电缆缆芯的综合温升,从而实现暂态温升的快速计算。4)对于实际电力负荷中常见的稳态运行、间歇运行、周期性运行的电缆,利用稳态温升和暂态温升的快速计算方法对运行工况进行了模拟,计算结果与有限元计算结果对比误差均在工程允许的范围内,验证了快速算法的可行性。上述研究的土壤直埋电缆群缆芯稳态温升和暂态温升的快速计算方法,在计算速度方面具有很大优势,为电力部门对负荷的日常管理提供便捷。

关键词：直埋电缆有限元电缆温升转移矩阵热路模型

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直埋电缆载流量影响因素的试验分析

电力科学与工程 2017年第1期33卷 67-72页

作者：朱攀勇文舒中国葛洲坝集团水泥有限公司湖北荆门448032 中国葛洲坝集团易普力股份有限公司重庆401121

为了研究直埋电缆外部环境因素对其载流量的影响规律和各影响因素的显著程度,同时为了掌握工程实践中电缆敷设最佳环境,在实验室户外直埋敷设一段14 m长的110电缆,将分布式光纤温度传感器预设埋入电缆,待加载稳定后检测其距接头6 m处的... 详细信息

为了研究直埋电缆外部环境因素对其载流量的影响规律和各影响因素的显著程度,同时为了掌握工程实践中电缆敷设最佳环境,在实验室户外直埋敷设一段14 m长的110电缆,将分布式光纤温度传感器预设埋入电缆,待加载稳定后检测其距接头6 m处的温度,每隔15 s对该点温度采样得到该点温度,同时结合热力学知识应用有限元软件ANSYS仿真了直埋电缆群在不同影响因素下的温度场,根据测量温度求得相应的载流量。采用单一变量原则分析了各因素与载流量的关系,设计正交试验分析各因素对载流量的影响程度。得到了各影响因素与直埋电缆载流量的关系曲线及这些因素对直埋电缆的影响程度的主次顺序,有助于为电缆敷设安装过程中的取舍提供重要的理论依据。

关键词：直埋电缆载流量温度传感器影响因素