CN102323496A

CN102323496A - 电缆导体载流量的监测***及监测方法

Info

Publication number: CN102323496A
Application number: CN201110143549A
Authority: CN
Inventors: 刘毅刚; 刘刚; 许宇翔; 雷鸣; 雷成华
Original assignee: South China University of Technology SCUT; Guangzhou Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Co Ltd
Current assignee: South China University of Technology SCUT; Guangzhou Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Co Ltd
Priority date: 2011-05-31
Filing date: 2011-05-31
Publication date: 2012-01-18

Abstract

本发明提供的电缆导体载流量的监测方法，首先监测电缆导体的外护套表皮温度以及电缆导体的线芯电流；根据电缆导体的传热特性预先对将所述电缆导体刨分成导体层、导体屏蔽层、绝缘层、绝缘屏蔽层、垫层、气隙层、铝护套屏蔽层、外护套层；根据电缆各层材料的导热性能获得所述电缆导体每个层的热阻以及所述电缆导体每个层产生的损耗；根据所述热阻、所述损耗、所述电缆导体的外护套表皮温度以及电缆导体的线芯电流利用节点法获得电缆导体的温度，所述电缆导体的温度包括电缆导体的稳态温度和所述电缆导体的暂态温度；根据所述电缆导体的温度监测所述电缆导体的载流量。本发明还提供了电缆导体载流量的监测装置，通过本发明能否实时监测电缆导体温度。

Description

电缆导体载流量的监测***及监测方法

技术领域

本发明涉及电缆导体的温度测量技术，具体涉及测量电缆导体温度的***及方法。

背景技术

电力电缆导体载流量幅值变化的最直接特征量是导体温度变化，一旦确定了电缆导体暂态和稳态温度，就很容易确定电力电缆线路暂态和稳态载流量，但是直接测量电缆导体温度尚存在技术困难。

目前确定电缆载流量是借助于热电偶或连续测量电力电缆线路外表面温度，然后依据IEC标准所提供的通过电缆外表面温度获得导体温度的方法来确定导体温度，进而确定电缆载流量，该标准对导体稳态温度的确定方式是在稳态前提下，根据电缆用于交流***还是直流***以及敷设方式的不同，结合电缆敷设环境，并假设电缆导体达到最高允许的工作温度，运用传热学原理获得电缆的导体温度。

对于导体暂态温度，IEC标准将电缆分为35kv及以下电缆和35kv以上电缆两类，对它们采用不同的计算方式。对于35kv及以下电缆，标准给出了在加载周期性载荷和短时负荷时的通过电缆外表面温度计算导体温度的方法，这类电缆可忽略热容影响。对于35kv以上的电缆，在周期性负荷下，电缆热容不可忽略，电缆导体温度的变化分为稳态温升和暂态温升两部分的总和。稳态温升时导体温度的计算方法与上述稳态前提下导体温度的计算方法相似。暂态温升时导体温度的计算方法是采用集中热路思想，将电缆用集中参数的热路表示，根据传热学原理获得。

但是目前IEC标准所提供的确定电缆导体暂态和稳态温度的方法有以下缺陷：由于该标准是基于以下假设：1.大地表面为等温面；2.电缆表面为等温面；3.叠加原理适用。但实际上电缆周围介质非常复杂：土壤不均匀、含水量不相同；城市供电***的电缆线路，日负荷电流变化很大等。以上因素无法满足规程假设，进而造成误差较大。另外，该方法假设电缆为100％负荷且处在最恶劣的环境条件中，因此计算结果往往存在过大的裕度。例如交联聚乙烯在载流量偏大6.5％时，容许工作温度值超过8％，此时电缆寿命减少一半。若以6kv交联聚乙烯为例，若载流量偏低12.6％，则电缆投资增加17.2％。进一步，IEC标准提供100％稳态载流量的方法对环境状态做出简单，均匀的假设，其暂态方法也对日负荷曲线做出一致性假设，因此，其载流量的结果始终和许多不确定因素相关。出于这些担忧，目前电力部门控制的实际使用负荷通常不超过计算额定值的70％；而另一方面，在夏季用电高峰加载大电流时，由于各种参数的不确定性而难于做出决定。

发明内容

本发明提供一种电缆导体温度的监测***及监测方法，能够提高测量电缆导体温度的准确性，进而能够提高载流量。

本发明提供的电缆导体载流量的监测方法，包括步骤：

监测电缆导体的外护套表皮温度以及电缆导体的线芯电流；

根据电缆导体的传热特性预先对将所述电缆导体刨分成导体层、导体屏蔽层、绝缘层、绝缘屏蔽层、垫层、气隙层、铝护套屏蔽层、外护套层；

根据电缆各层材料的导热性能获得所述电缆导体每个层的热阻以及所述电缆导体每个层产生的损耗；

根据所述热阻、所述损耗、所述电缆导体的外护套表皮温度以及电缆导体的线芯电流利用节点法获得电缆导体的温度，所述电缆导体的温度包括电缆导体的稳态温度和所述电缆导体的暂态温度；

根据所述电缆导体的温度监测所述电缆导体的载流量。

本发明还提供监测电缆导体的线芯温度的***，包括：

表面温度检测模块，用于检测电缆外护套表面温度；

电流检测模块，用于检测电缆导体的线芯电流；

导体温度获取模块，用于根据电缆各层材料的导热性能获得所述电缆导体每个层的热阻以及所述电缆导体每个层产生的损耗；所述电缆导体刨分成导体层、导体屏蔽层、绝缘层、绝缘屏蔽层、垫层、气隙层、铝护套屏蔽层、外护套层；

载流量监测模块，用于根据电缆导体暂态温度和稳态温度监测对当前的载流量进行监测。

本发明通过测量导体表面温度和运行电流获得电缆导体实时温度，从而实现电缆载流量的实时监测。同时，能够根据电缆导体温度预测电流载流量以及提高电缆短时载流量裕度空间。可准确评估高压电缆的载流量，为是否更换重负荷电缆线路提供可靠依据。同时本发明提供的监测***可对运行电缆的载流能力进行监测与评估，为调度***及时可靠调度提供依据和紧急预警。本发明具有很高的经济效益：对高压电缆线路采用更换线路的增容策略，1条110kv线路的更换即高达上千万元。本发明的研究成果，可根据实际负荷特性准确评估高压电缆线路的实际载流量。

附图说明

图1为110kv的单芯电缆的剖面图；

图2为本发明的电缆导体载流量的监测方法流程图；

图3为一个实施例中稳态下的单芯电缆等效电路图；

图中T₁是电缆导体表皮温度；T₂～T_n-3是电缆绝缘层各分层温度；T_n-2是垫层温度；T_n-1是气隙层温度；T_n是电缆金属屏蔽层温度；T₀是电缆外护套表面温度；T_o1-T_om是电缆外部热源温度；R₁～R_n-3是电缆绝缘层各分层和屏蔽层热阻；R_n-1是气隙热阻；R_n是电缆外护套热阻；R_o1-R_om是电缆外部热源至电缆表面介质热阻；Q₁’是电缆导体产生的损耗；Q₂～Q_n-3是电缆各分层介损；Q_n是电缆金属屏蔽损耗。

图4为一个实施例中电缆导体载流量的监测方法流程图；

图中T₁是电缆导体表面温度；T₂～T_n-3是电缆主绝缘各分层温度；T_n-2是垫层温度；T_n-1是气隙温度；T_n是电缆金属屏蔽层温度；T_o是电缆表面温度；T_o1～T_om是电缆外部热源温度；C₁’是电缆导体热容；C₁”、C₂～C_n-3是电缆主绝缘各分层热容；C_n-2是垫层热容；C_n-1是气隙热容；C_n’是电缆金属屏蔽层热容；C_n”是电缆外护层热容；C_o是电缆外部介质等效热容；R₁～R_n-3是电缆主绝缘各分层热阻；R_n-2是垫层热阻；R_n-1是气隙热阻；

图5为电缆导体载流量的监测***结构原理图。

具体实施方式

电缆载流量应该满足电流作用下电缆线芯工作温度不超过电缆绝缘耐热寿命容许温度值，且符合导体可靠性要求。若载流量偏大，造成电缆线芯工作温度超过容许值，电缆的使用寿命比期望值缩短。若载流量偏小，则线芯或铝材就为获得充分利用，导致资源浪费。本发明提出利用电缆外护套表皮温度以及环境温度获得电缆导体温度，进而通过电缆导体温度来调节电缆载流量的大小。

以110kv的单芯电缆为例，图1为110kv的单芯电缆的剖面图，如图所示，根据电缆材料的传热特性有里向外可以将电缆划分为导体、导体屏蔽层、绝缘层、绝缘屏蔽层、垫层(图1中为绕包带)、气隙层、铝护套屏蔽层(图1中的皱纹铝套)、外护套层。本发明根据热学和电路的相关性，利用热路法将电缆按照上述各层等效成电路，热路法获得电缆导体的温度分为稳态温度和暂态温度，电缆稳态运行发热温升不随时间变化，而电缆暂态运行时温升则受时间影响，在暂态温度分析中使用多回梯形网络结构，根据电缆发热特性及等值热路的稳态分析，可以通过电缆的表面温度、环境温度和电流值得到导体温度，暂态更好分析实际运行。

为了获得稳态下的电缆导体温度，作为一个优选实施例，为了简化计算过程，将导体和导体屏蔽层作为一层，绝缘层和绝缘屏蔽层作为一层，因此，电缆导体共简化为6层。电缆导体温度T₁、电缆绝缘层(含内、外绝缘屏蔽层)T₂、垫层(含膨胀带、绕包带等)温度T₃、气隙层温度T₄、电缆金属屏蔽层(例如图1中的铝护套屏蔽层)温度T₅、电缆外护套表面温度T₆，如图2所示：

步骤1：检测电缆外护套表面温度T₆；

步骤2：根据每层材料热阻系数(作为一个实施例，气隙层的热阻系数为41K·m/W，铝护套的热阻系数为1/237K·m/W。)，通过以下公式获得单芯电缆每层材料的热阻，包括电缆绝缘层(含内、外屏蔽层)热阻R₂、垫层热阻R₃、气隙热阻R₄、电缆外护套(含防腐层)热阻R₆：

(1)获得绝缘层热阻R₂：

R_{2} = \frac{ρ_{T}}{2 π} \ln (1 + \frac{2 t_{1}}{d_{c}})

(公式1)

公式1中：ρ_T为绝缘材料热阻系数，单位Kgm/W。d_c为导体直径；t₁为导体和金属套之间的绝缘厚度；

值得一提的是，作为一个实施例，对于皱纹金属护套的t₁按金属套内直径的平均值计算：

t_{1} = \frac{D_{1} - d_{c}}{2}

D_{1} = \frac{D_{it} + D_{oc}}{2} - t_{s}

(公式2)

公式2中：D_it为与皱纹金属套波谷内表面相切的假想同心圆柱体的直径，D_oc是与皱纹金属套波峰相切的假想同心圆柱体的直径，t_s为金属套厚度；

(2)垫层的热阻R₃：

R_{3} = \frac{ρ_{T}}{2 π} \ln [1 + \frac{2 t_{2}}{D_{s}}]

(公式3)

公式3中：t₂是内衬层厚度；D_s是金属套外径。

(3)气隙层热阻R4：

R_{4} = \frac{ρ_{T}}{2 π} \ln [1 + \frac{2 t_{4}}{D_{s}}]

(公式4)

公式4中：t₄是内径；D_s是外径。

(4)外护层热阻R₆：

R_{6} = \frac{ρ_{T}}{2 π} \ln [\frac{D_{oc} + 2 t_{6}}{(D_{oc} + D_{it}) / 2 + t_{s}}]

(公式5)

公式5中D_it为与皱纹金属套波谷内表面相切的假想同心圆柱体的直径，D_oc是与皱纹金属套波峰相切的假想同心圆柱体的直径，t_s为金属套厚度；ρ_T为绝缘材料热阻系数。

作为一个实施例，由于导体热阻R₁金属屏蔽层热阻R₅都是金属导体，可以忽略作为0处理。

步骤3：由于本发明需要获得电缆实时温度，电缆各层材料比热特性会在电缆线芯温度以及外界条件发生变化的条件下表现出来，因此本发明还提供了获得电缆各层材料热容值的途径，相当于图3电路中的电容，需要获得的电容如下文所示：

(1)获得导体热容C₁：

C_{1} = σ_{c} \frac{π}{4} d_{c} (D_{i} - d_{c})

(公式6)

公式6中：D_i为绝缘外径；δ_c电缆导体体积比热容，单位为J/m³K；d_c为导体直径。

(2)绝缘层热容C₂：

C_{2} = δ_{XLPE} \frac{π}{4} D_{i} (D_{i} - d_{c})

(公式7)

公式7中δ_XLPE表示：绝缘层的体积比热容，单位为J/m³K；

(3)垫层(绕包带)热容C3

C₃＝δ_r·ρ_r·s_r (公式8)

公式8中δ_r绕包带的比热容，ρ_r为绕包带的比热容，s_r为绕包带的截面积；

(4)气隙层热容C₄＝C₄＝δ_q·ρ_q·s_q (公式9)

公式9中δ_q为空气的比热容，ρ_q为空气的比热容，s_q为空气的截面积；

(3)金属层热容C₅：

C_{5} = δ_{Al} \frac{π}{4} D_{2} (D_{2} - D_{i})

(公式10)

公式10中δ_Al表示：金属铝护套的体积比热容，单位为J/m³K；

(4)外护层热容C₆：

C_{6} = δ_{XLPE} \frac{π}{4} D_{3} (D_{3} - D_{2})

(公式11)

公式11中D₃为电缆外径。

步骤4：获得各层材料的热阻和热容进而各层材料损耗相当于电学电路中的电流源，因此该步骤中根据材料学求解不同层不同材料对应的损耗量，电缆导体产生的损耗Q₁、电缆各分层介损Q₂-Q_n-3、电缆外护层损耗Q_n。(电缆绝缘层各分层介损Q₂-Q_n-3总的损耗之和为W_d)

单位长度电缆导体产生的损耗Q₁，Q₁＝I₂gR^S

电缆外护层损耗Q_n求解公式如绝缘层损耗W_d同理：

单位长度单芯电缆的绝缘损耗W_d的计算公式为：

W_{d} = ω \cdot c \cdot U_{0}^{2} \cdot tgδ (W / m)

其中，ω＝2πf；U₀是对地电压；tgδ是在电源***和工作温度下的绝缘损耗因素；c是单位长度电缆电容。

对于圆形导体电容由下式获得：

c = \frac{ϵ}{18 \ln (\frac{D_{i}}{d_{c}})} \times 10^{- 9} (F / m)

其中ε是绝缘材料相对介电系数，可查表获得；D_i是绝缘层直径(屏蔽层除外)；d_c是导体直径，(如有屏蔽层则包括屏蔽层)。

金属护套损耗与线芯损耗之比为λ₁，金属护套损耗与线芯损耗之比λ₁包括环流损耗λ′₁和涡流损耗λ″₁；因此总损耗为：

λ₁＝λ′₁+λ″₁

值得指出的是，对金属套两端互连接地的情况，只需考虑环流损耗。

λ_{1}^{'} = \frac{R_{S}}{R} \frac{1}{1 + {(\frac{R_{S}}{X})}^{2}}

其中，R_S为工作温度下的电缆单位长度金属套的电阻率；

R_{S} = \frac{ρ_{s}}{A_{s}} [1 + α_{20} (θ \cdot η - 20)] (Ω / m)

其中，ρ_s是金属套材料的导电率；A_s是金属套的截面积；α₂₀是20℃时材料的温度系数，可通过GB/T 3956-1997查得；θ是导体工作温度；η是金属套的温度与导体温度比值，一般取(0.7-0.8)；X是单位长度金属套或屏蔽的电抗。

X = 2 ω 10^{- 7} \ln (\frac{2 s}{d})

ω＝2π×f(1/s)

其中，f为频率；s为导体轴线距离；d为金属套平均直径。

步骤5：根据热路与电路的近似性，由于电缆外护套表面温度T₆为监测值，把电缆外护套表面温度T₆和根据节点电压法利用步骤1至步骤3中获得的各参数值获得电缆导体温度T₁。本发明利用热路法将稳态下的单芯电缆等效成如图3所示。根据图3获得的节点方程如公式12：

\frac{1}{R_{1}} T_{1} - \frac{1}{R_{1}} T_{2} = Q_{1}

- \frac{1}{R_{1}} T_{2} (\frac{1}{R_{1}} + \frac{1}{R_{2}}) T_{2} - \frac{1}{R_{2}} T_{2} = Q_{2}

(公式12)

- \frac{1}{R_{2}} T_{2} (\frac{1}{R_{2}} + \frac{1}{R_{3}}) T_{3} - \frac{1}{R_{3}} T_{4} = Q_{3}

L L L L L L L

- \frac{1}{R_{n - 2}} T_{n - 2} (\frac{1}{R_{n - 2}} + \frac{1}{R_{n - 1}}) T_{n - 1} - \frac{1}{R_{n - 1}} T_{n} = 0

- \frac{1}{R_{n - 1}} T_{n - 1} (\frac{1}{R_{n - 1}} + \frac{1}{R_{n}}) T_{n} = Q_{n} + \frac{1}{R_{n}} T_{o}

对上式进行转化可以得出下式：

AT＝Q T＝A^-1Q

其中：

A = [\begin{matrix} \frac{1}{R_{1}} & - \frac{1}{R_{1}} & K \\ - \frac{1}{R_{1}} & \frac{1}{R_{2}} + \frac{1}{R_{1}} & - \frac{1}{R_{2}} \\ - \frac{1}{R_{2}} & \frac{1}{R_{2}} + \frac{1}{R_{3}} & - \frac{1}{R_{3}} \\ K \\ - \frac{1}{R_{n - 1}} & \frac{1}{R_{n - 1}} + \frac{1}{R_{n}} \end{matrix}]

T＝[T₁ T₂ T₃ K T_n]

Q＝[Q₁ Q₂ Q₃ K Q_n+T₀/R₀]

A^-1是A的逆矩阵，T₁即为所求的电缆导体温度A由电缆的结构和材料参数确定，T₂～T_n-3为绝缘层和屏蔽层的温度，T_n-2为垫层温度，T_n-1为气隙层温度，T_n为金属屏蔽层温度。Q由电缆导体损耗、介损以及金属套和屏蔽层损耗确定。上式中并未出现外部热源T_o1～T_om，电缆导体温度可通过测量外护套表面温度T₆进行测量，无需考虑外部热阻、热源的影响由于本热路模型是基于电缆的表皮温度计算电缆导体温度，因此可以不用考虑电缆外部热源温度T_o1-T_om和电缆外部热源至电缆表面介质热阻R_o1-R_om。为了精确，可以将绝缘屏蔽层划分为n-3层，同时为了简化计算，可以认为R₁～R_n-3为绝缘层和屏蔽层的热阻，R_n-2为垫层热阻，R_n-1为气隙层热阻，R_n为外护套层热阻。

以上是获得稳态温度下电缆导体温度的方法，本发明还提供了获得暂态温度下电缆导体温度的方法：图4是单芯电缆的暂态等效电路图。

实际运行电缆的电流及外界环境总是变化不定的，由于电缆运行电流的改变进而就会影响电缆各层损耗以及电缆散热速率，并且破坏了稳态运行电缆中产热与散热的平衡，进一步导致电缆的导体温度升高或者下降。在电缆运行不稳定状态，电缆各层材料储热特性便会显现出来，为了实时获得电缆线芯温度以及电缆各层温度，因此不仅要求出电缆各层材料的热阻，而且还有根据各层材料的比热容计算相应的热容值。根据上述步骤1到步骤4获得相关的参数值，然后根据以下节点方程获得电缆的导体温度T₁(t)，即t时刻的电缆导体温度：

T_n+1＝ξ+h[AT_n+EBQ] (1)

h = \frac{t}{n}

其中，T＝[T₁ T₂ T₃ ...... T_n]^T

设t＝0时有T(0)＝ξ

A = [\begin{matrix} - \frac{1}{C_{1} R_{1}} & \frac{1}{C_{1} R_{1}} & . . . \\ \frac{1}{C_{2} R_{1}} & - \frac{1}{C_{2}} (\frac{1}{R_{1}} + \frac{1}{R_{2}}) & \frac{1}{C_{2} R_{2}} \\ \frac{1}{C_{3} R_{2}} & - \frac{1}{C_{3} R_{3}} (\frac{1}{R_{2}} + \frac{1}{R_{3}}) & \frac{1}{C_{3} R_{3}} \\ . . . & . . . \\ \frac{1}{C_{n} R_{n - 1}} & - \frac{1}{C_{n}} (\frac{1}{R_{n - 1}} + \frac{1}{R_{n}}) \end{matrix}]

E——单位矩阵

B = {[\begin{matrix} \frac{1}{C_{1}} & \frac{1}{C_{2}} & \frac{1}{C_{3}} & . . . . . . & \frac{1}{C_{n}} \end{matrix}]}^{T}

Q = {[\begin{matrix} Q_{1} & Q_{2} & Q_{3} & . . . . . . & Q_{n} + \frac{1}{R_{n}} T_{o} \end{matrix}]}^{T}

值得一提的是：理论上h应趋于0，实际上h越小计算精度越高。

上式中的各变量的确定方法可参照公式12，不再赘述。根据上述步骤获得电缆导体的暂态温度或稳态温度后，根据电缆的导体温度确定电缆的载流量。

本发明基于电缆的表皮温度计算电缆的线芯温度，可准确评估高压电缆的载流量，在IEC标准计算值上得到提升，为是否更换重负荷电缆线路提供可靠依据，可根据实际负荷特性准确评估高压电缆线路的实际载流量。由于对高压电缆线路采用更换线路的增容策略，1条110kv线路的更换即高达上千万元，因此本发明可以产生巨大的经济效益。

另外，作为一个对上述技术方案的一个简化处理，可以将绝缘层与绝缘屏蔽层归为热阻系数相同的一层；同样，导体屏蔽层和导体层也可以归为热阻系数相同的一层，简化计算过程。

本发明还提供了一种电缆导体载流量的监测***，如图5所示。表面温度检测模块，用于检测电缆外护套表面温度；电流检测模块，用于检测电缆导体的线芯电流；导体温度获取模块，用于根据电缆各层材料的导热性能获得所述电缆导体每个层的热阻以及所述电缆导体每个层产生的损耗；所述电缆导体刨分成导体层、导体屏蔽层、绝缘层、绝缘屏蔽层、垫层、气隙层、铝护套屏蔽层、外护套层；根据所述热阻、所述损耗、所述电缆导体的外护套表皮温度以及电缆导体的线芯电流利用节点法获得电缆导体的温度，所述电缆导体的温度包括电缆导体的稳态温度和所述电缆导体的暂态温度；载流量监测模块，用于根据电缆导体暂态温度和稳态温度监测对当前的载流量进行监测。

值得指出的是，本发明以上的电缆导体载流量的监测方法和监测***均是以单芯电缆为例，其他类型的电缆可以进行转换和简化处理，转化成单芯电缆后再使用上述监测方法和监测***。

以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims

1.一种电缆导体载流量的监测方法，其特征在于，包括步骤：

监测电缆导体的外护套表皮温度以及电缆导体的线芯电流；

根据所述电缆导体的温度监测所述电缆导体的载流量。

2.根据权利要求1所述的电缆导体载流量的监测方法，其特征在于：所述导体层与所述导体屏蔽层的热阻系数相同。

3.根据权利要求1所述的电缆导体载流量的监测方法，其特征在于：所述绝缘层与所述绝缘屏蔽层的热阻系数相同。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的电缆导体载流量的监测方法，其特征在于：

所述导体屏蔽层和所述导体层的热阻系数相同。

5.一种监测电缆导体的线芯温度的***，其特征在于，包括：

表面温度检测模块，用于检测电缆外护套表面温度；

电流检测模块，用于检测电缆导体的线芯电流；

6.根据权利要求5所述的电缆导体载流量的监测***，其特征在于：所述导体层与所述导体屏蔽层的热阻系数相同。

7.根据权利要求5所述的电缆导体载流量的监测***，其特征在于：所述绝缘层与所述绝缘屏蔽层的热阻系数相同。

8.根据权利要求5至7中任意一项所述的电缆导体载流量的监测***，其特征在于：

所述导体屏蔽层和所述导体层的热阻系数相同。

9.根据权利要求8所述的电缆导体载流量的监测***，其特征在于：

所述电缆为单芯电缆。