CN105973499A - 一种外覆绝缘材料导体的温度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种外覆绝缘材料导体的温度测量方法，包括：建立导体在热稳态下的传热方程，基于热流密度平衡并忽略导体本体对绝缘层的热辐射建立所述传热方程；测量导体所处的环境空间温度和导体绝缘层外壁的温度，并获取各参数值，通过该传热方程计算获得导体本体的温度。本发明外覆绝缘材料导体的温度测量方法，利用热力学中的能量守恒规律，基于导体在热稳态下热流密度平衡建立传热方程，通过测量导体绝缘层外壁的温度以及导体所处的环境空间温度，实现了间接测量获得导体本体的温度，测量可靠性高。

Description

一种外覆绝缘材料导体的温度测量方法

技术领域

本发明涉及导体温度测量技术领域，特别是涉及一种外覆绝缘材料导体的温度测量方法。

背景技术

对载流导体本体温度的测量，不仅能实现对导体实际载流量的预测，而且能保护导体的外覆绝缘层不因过热而导致老化，减少其工作寿命。因此，对外覆绝缘材料导体的温度测量，具有重大的工程应用价值。

目前，对电力电缆、固体绝缘开关柜导流排等这类外覆绝缘材料的导体，获取其导体本体温度的方法是：采用红外测温仪、无线温度测量仪等测温设备测取导体所处的室内空间各不同测量点的空间温度，再基于测量点的空间温度，根据经验估算出导体温度，作为导体本体的温度值。显然，这种测量方法获得的导体温度并不是反映导体本体的实际温度值。

因此，如何有效地、可靠地获得外覆绝缘材料导体的导体温度，就成为一项亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种外覆绝缘材料导体的温度测量方法，利用热力学中的能量守恒规律，基于导体在热稳态下热流密度平衡建立传热方程，来间接测量获得导体本体的温度，测量可靠性高。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种外覆绝缘材料导体的温度测量方法，包括：

建立导体在热稳态下的传热方程，基于热流密度平衡并忽略导体本体对绝缘层的热辐射建立所述传热方程，所述传热方程具体为：

$\frac{t_0-t_1}{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\frac{1}{2{\mathrm{\π\λ}}_{i-1}}ln\frac{r_i}{r_{i-1}}}=h(t_1-t_2)+\mathrm{\ϵ}\mathrm{\σ}(t_1^4-t_2^4),$

其中，t0为导体本体温度，t1为导体绝缘层外壁的温度，t2为环境空间温度，λ_i-1为导体第i-1层绝缘材料的导热系数，λ₀为导体本体的导热系数，r_i为导体第i层绝缘材料的半径，r_i-1为导体第i-1层绝缘材料的半径，r₀为导体本体的半径，h为导体绝缘层与空气之间的综合传热系数，ε为导体绝缘层的热发射率，σ为黑体辐射常数，n为导体绝缘材料层的层数；

测量导体所处的环境空间温度和导体绝缘层外壁的温度，并获取各参数值，通过所述传热方程计算获得导体本体的温度。

可选地，测量导体所处的环境空间温度具体为：测量距离导体预设距离的空间温度，作为导体所处的环境空间温度。

可选地，所述预设距离大于等于15cm。

可选地，测量导体绝缘层外壁的温度具体为：将温度传感器设置在导体绝缘层外壁进行测量。

可选地，所述导体绝缘层与空气之间的综合传热系数h的计算公式为：

h＝1/R；

$R=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\frac{1}{2{\mathrm{\π\λ}}_{i-1}}\ln \frac{r_i}{r_{i-1}}+\frac{1}{2{\mathrm{\πr}}_n{h}_n};$

其中，R为导体绝缘层的热阻值，λ_i-1为导体第i-1层绝缘材料的导热系数，λ₀为导体本体的导热系数，r_i为导体第i层绝缘材料的半径，r_i-1为导体第i-1层绝缘材料的半径，r₀为导体本体的半径，h_n为导体第n层绝缘材料的传热系数，r_n为导体第n层绝缘材料的半径，n为导体绝缘材料层的层数。

可选地，若外覆绝缘材料导体具有1层绝缘材料，则所述导体绝缘层与空气之间的综合传热系数h的计算公式为：

h＝1/R；

$R=\frac{1}{2{\mathrm{\π\λ}}_0}\ln \frac{r_1}{r_0}+\frac{1}{2{\mathrm{\πr}}_1{h}_1};$

其中，R为导体绝缘层的热阻值，λ₀为导体本体的导热系数，r₀为导体本体的半径，r₁为绝缘材料的半径，h₁为导体绝缘材料层的传热系数。

由上述技术方案可以看出，本发明所提供的外覆绝缘材料导体的温度测量方法，利用热力学中的能量守恒规律，在热稳态下导体本体、导体绝缘层以及与环境空间之间的热传导、自然换热以及热辐射遵循能量守恒规律，即导体本体与绝缘层之间的热传导量、热辐射量，与导体绝缘层与环境空间的热传导量、热辐射量平衡，建立传热模型；另外考虑对于导体，在热稳态时根据玻尔兹曼定律可知导体本体与绝缘层之间的热辐射量明显小于热传导量，是以热传导为主，因此在描述传热模型的传热方程中，忽略导体本体对绝缘层的热辐射过程。并将基于热量的传热方程转换为热流密度的传热方程，依据此建立由导体本体温度、导体绝缘层外壁的温度以及环境空间温度所描述的传热方程。在建立传热方程后，通过测量导体绝缘层外壁的温度以及导体所处的环境空间温度，并确定传热方程中的各参数值，进而通过传热方程计算获得导体本体的温度。

本发明外覆绝缘材料导体的温度测量方法，基于导体在热稳态下热流密度平衡建立传热方程，通过测量导体绝缘层外壁的温度以及导体所处的环境空间温度，通过建立的传热方程实现了间接测量获得导体本体的温度，测量可靠性高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种外覆绝缘材料导体的温度测量方法的流程图；

图2为在绝缘环网柜内温度传感器的布置示意图；

图3为测量母排导体绝缘层外壁温度的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

请参考图1，为本发明实施例提供的一种外覆绝缘材料导体的温度测量方法，包括：

S1：建立导体在热稳态下的传热方程，基于热流密度平衡并忽略导体本体对绝缘层的热辐射建立所述传热方程，所述传热方程具体为：

$\frac{t_0-t_1}{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\frac{1}{2{\mathrm{\π\λ}}_{i-1}}ln\frac{r_i}{r_{i-1}}}=h(t_1-t_2)+\mathrm{\ϵ}\mathrm{\σ}(t_1^4-t_2^4),$

其中，t0为导体本体温度，t1为导体绝缘层外壁的温度，t2为环境空间温度，λ_i-1为导体第i-1层绝缘材料的导热系数，λ₀为导体本体的导热系数，r_i为导体第i层绝缘材料的半径，r_i-1为导体第i-1层绝缘材料的半径，r₀为导体本体的半径，h为导体绝缘层与空气之间的综合传热系数，ε为导体绝缘层的热发射率，σ为黑体辐射常数，n为导体绝缘材料层的层数，n≥1；

S2：测量导体所处的环境空间温度和导体绝缘层外壁的温度，并获取各参数值，通过所述传热方程计算获得导体本体的温度。

由上述内容可知，本发明实施例提供的外覆绝缘材料导体的温度测量方法，利用热力学中的能量守恒规律，在热稳态下导体本体、导体绝缘层以及与环境空间之间的热传导、自然换热以及热辐射遵循能量守恒规律，即导体本体与绝缘层之间的热传导量、热辐射量，与导体绝缘层与环境空间的热传导量、热辐射量平衡，建立传热模型；另外考虑对于导体，在热稳态时根据玻尔兹曼定律可知导体本体与绝缘层之间的热辐射量明显小于热传导量，是以热传导为主，因此在描述传热模型的传热方程中，忽略导体本体对绝缘层的热辐射过程。并将基于热量的传热方程转换为热流密度的传热方程，依据此建立由导体本体温度、导体绝缘层外壁的温度以及环境空间温度所描述的传热方程。在建立传热方程后，通过测量导体绝缘层外壁的温度以及导体所处的环境空间温度，并确定传热方程中的各参数值，进而通过传热方程计算获得导体本体的温度。

本实施例外覆绝缘材料导体的温度测量方法，基于导体在热稳态下热流密度平衡建立传热方程，通过测量导体绝缘层外壁的温度以及导体所处的环境空间温度，通过建立的传热方程实现了间接测量获得导体本体的温度，测量可靠性高。

下面以一具体实施例对本发明外覆绝缘材料导体的温度测量方法进行详细说明。本实施例中具体以固体绝缘环网柜母排导体为例，测量其载流导体温度。

(1)：建立在热稳态下的传热方程。

实际工程中当环网柜运行达到稳态时，固体绝缘环网柜母排导体的传热方程描述为：Φ＝Aq，其中Φ为总传递热量，A为导热横截面积，q为热流密度。

对于固体绝缘环网柜母排导体，处于热稳态时考虑忽略导体本体对绝缘层的热辐射过程，因此得到其遵循的能量关系式为导体本体与绝缘层的热传导量等于绝缘层与环境空间的自然换热量和绝缘层对环境空间的热辐射量之和，但在实际工程中Φ难以测得，因此转换为热流密度q的关系式，可大大简化计算量。

本实施例中环网柜母排导体具有单层绝缘材料。得到的传热方程为：

$q=\frac{t_0-t_1}{\frac{1}{2{\mathrm{\π\λ}}_0}\ln \frac{r_1}{r_0}}=h(t_1-t_2)+\mathrm{\ϵ}\mathrm{\σ}(t_1^4-t_2^4)$

其中，t0为导体本体温度，t1为导体绝缘层外壁的温度，t2为环境空间温度，λ₀为导体本体的导热系数，r₁为导体绝缘材料的半径，r₀指导体本体的半径，h为导体绝缘层外壁与空气之间的综合传热系数，ε为导体绝缘层的热发射率，σ为黑体辐射常数。

(2)：测量环网柜母排导体所处的环境空间温度t2。

母排室中母排导体作为固体绝缘环网柜内的一个发热源，通过室内安装的温度传感器测得的室内空间温度要尽可能真实地反映空间温度，因此温度传感器的安装位置要合理，本实施例中测量距离热源导体预设距离的空间温度，作为导体所处的环境空间温度。

可参考图2所示，本实施例中具体将距离母排导体(热源)15cm外的任意点作为温度测量点，设置温度传感器1测温，测得的温度值作为环境空间温度。

(3)：测量导体绝缘层外壁的温度t1。具体为将温度传感器设置在导体绝缘层外壁进行温度测量，具体可参考图3所示，将温度传感器1设置母排导体的绝缘层外壁上测量温度，测量获得导体绝缘层外壁的温度t1。

(4)：获取各参数值，包括导体本体的导热系数λ₀，导体绝缘材料的导热系数λ₁，导体绝缘材料的半径r₁，导体本体的半径r₀，导体绝缘层外壁与空气之间的综合传热系数h，导体绝缘层的热发射率ε，黑体辐射常数σ。

其中，根据导体、导体绝缘层材料的各自属性，确定导体的导热系数λ₀、导体绝缘材料的导热系数λ₁及导体绝缘层的热发射率ε，可查表获得。对于导体本体的半径、导体绝缘层外壁的半径可以测量获得。例如，一般母排导体的导体本体为铜，绝缘层为环氧树脂，可通过查表获得铜、环氧树脂的导热系数。

对于导体绝缘层与空气之间的综合传热系数h不能直接获得，可以通过以下方法计算获得，具体计算公式为：

h＝1/R；

$R=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\frac{1}{2{\mathrm{\π\λ}}_{i-1}}\ln \frac{r_i}{r_{i-1}}+\frac{1}{2{\mathrm{\πr}}_n{h}_n};$

其中，R为导体绝缘层的热阻值，λ_i-1为导体第i-1层绝缘材料的导热系数，λ₀为导体本体的导热系数，r_i为导体第i层绝缘材料的半径，r_i-1为导体第i-1层绝缘材料的半径，r₀为导体本体的半径，h_n为导体第n层绝缘材料的传热系，也就是导体最外层绝缘材料的传热系数，r_n为导体第n层绝缘材料的半径，h_n＝λ_n/r_n；n为导体绝缘材料层的层数，n≥1。

在绝缘层传热过程中，热阻包含两部分阻值，一是由边界层引起的热量阻碍称为表面热阻R_s1，另一部分是热量在绝缘层传输的传导热阻R_cd，所以总热阻值R应为两者之和，即R＝R_s1+R_cd。本计算公式中，代表传导热阻部分，代表表面热阻部分。

本实施例中所要测量的母排导体具有一层绝缘材料，因此导体绝缘层外壁与空气之间的综合传热系数h的计算公式为：

h＝1/R；

$R=\frac{1}{2{\mathrm{\π\λ}}_0}\ln \frac{r_1}{r_0}+\frac{1}{2{\mathrm{\πr}}_1{h}_1};$

其中，R为导体绝缘层的热阻值，r₀为导体本体的半径，λ₀为导体本体的导热系数，r₁为绝缘材料的半径，h₁为导体绝缘材料层的传热系数，h₁＝λ₁/r₁。

(5)：将温度数据及各参数值代入传热方程中，求解方程，从而计算得到导体本体的温度t0。

在实际工程应用中，根据上述固体绝缘环网柜母排导体的传热方程，可以建立导体本体温度t0、导体绝缘层外壁的温度t1及环境空间温度t2之间的函数表达式，并设定好各参数值，只需要根据测得的t1、t2查函数关系表就可以直接得出导体本体的温度。函数关系表可以由离线计算公式在计算机中提前获取，更加方便在实际工程中的运用，提高了工作效率。

需要说明的是，本实施例中对所采用的温度传感器不做特殊限制，其测量精度在误差允许范围内，可以满足工程实际需要即可，可以降低设备成本，提高产品的市场竞争力。

因此，本发明外覆绝缘材料导体的温度测量方法，通过对温度梯度场的分析，利用温度传感器的特殊布置和传热学公式实现对指定载流导体本体温度的间接测量，测量可靠性高。克服了现有技术对外覆绝缘材料的载流导体的本体温度测量不够准确、不能反映其实际温度的弊端。

以上对本发明所提供的一种外覆绝缘材料导体的温度测量方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种外覆绝缘材料导体的温度测量方法，其特征在于，包括：

建立导体在热稳态下的传热方程，基于热流密度平衡并忽略导体本体对绝缘层的热辐射建立所述传热方程，所述传热方程具体为：

$\frac{t_0-t_1}{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\frac{1}{2{\mathrm{\π\λ}}_{i-1}}\ln \frac{r_i}{r_{i-1}}}=h(t_1-t_2)+\mathrm{\ϵ}\mathrm{\σ}(t_1^4-t_2^4),$

其中，t0为导体本体温度，t1为导体绝缘层外壁的温度，t2为环境空间温度，λ_i-1为导体第i-1层绝缘材料的导热系数，λ₀为导体本体的导热系数，r_i为导体第i层绝缘材料的半径，r_i-1为导体第i-1层绝缘材料的半径，r₀为导体本体的半径，h为导体绝缘层与空气之间的综合传热系数，ε为导体绝缘层的热发射率，σ为黑体辐射常数，n为导体绝缘材料层的层数；

测量导体所处的环境空间温度和导体绝缘层外壁的温度，并获取各参数值，通过所述传热方程计算获得导体本体的温度。

2.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，测量导体所处的环境空间温度具体为：测量距离导体预设距离的空间温度，作为导体所处的环境空间温度。

3.如权利要求2所述的测量方法，其特征在于，所述预设距离大于等于15cm。

4.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，测量导体绝缘层外壁的温度具体为：将温度传感器设置在导体绝缘层外壁进行测量。

5.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述导体绝缘层与空气之间的综合传热系数h的计算公式为：

h＝1/R；

$R=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\frac{1}{2{\mathrm{\π\λ}}_{i-1}}\ln \frac{r_i}{r_{i-1}}+\frac{1}{2{\mathrm{\πr}}_n{h}_n};$

其中，R为导体绝缘层的热阻值，λ_i-1为导体第i-1层绝缘材料的导热系数，λ₀为导体本体的导热系数，r_i为导体第i层绝缘材料的半径，r_i-1为导体第i-1层绝缘材料的半径，r₀为导体本体的半径，h_n为导体第n层绝缘材料的传热系数，r_n为导体第n层绝缘材料的半径，n为导体绝缘材料层的层数。

6.如权利要求5所述的测量方法，其特征在于，若外覆绝缘材料导体具有1层绝缘材料，则所述导体绝缘层与空气之间的综合传热系数h的计算公式为：

h＝1/R；

$R=\frac{1}{2{\mathrm{\π\λ}}_0}\ln \frac{r_1}{r_0}+\frac{1}{2{\mathrm{\πr}}_1{h}_1};$

其中，R为导体绝缘层的热阻值，λ₀为导体本体的导热系数，r₀为导体本体的半径，r₁为绝缘材料的半径，h₁为导体绝缘材料层的传热系数。