CN107194027A - 一种电缆中间接头处压接管传热计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电缆中间接头处压接管传热计算方法，所述压接管传热计算方法包含以下步骤：S1、构建高压电缆中间接头处压接管热路计算模型；S2、计算热路计算模型中所有热阻数值；S3、计算热路计算模型中所有热源数值；S4、构建传热计算方程组，求解各节点温度分布。本发明切实可行的提出一种基于传热学热路计算的理论模型，并从理论上计算各关节点处温度数值，为压接管尺寸初始设计及工程施工方案设计提供重要理论基础。
Description
技术领域
本发明涉及高压电缆中间接头技术领域，具体涉及一种电缆中间接头处压接管传热计算方法。
背景技术
电力连接器广泛应用于电缆线路，用于实现电缆导体与其他输变电设备的连接，或电缆本身的接续。压接式连接器是其中应用最为广泛的连接器，尤其是在高压电缆中间接头领域，其可靠性不仅取决于足够的机械保持力，还需要良好的电气性能。
运用在电缆中间接头处的压接式连接器，连接电阻易过大，产生极高热量，造成中间接头局部过热，甚至破坏整条线路的稳定运行。又由于压接管处于接头主绝缘件内部，其运行状况不易监测。因此，准确建立线芯与导体处的压接传热计算模型，全面掌握其间各部分温度分布，对电缆输电稳定运行有着重要意义。
与现有技术相比，本发明切实可行的提出一种基于传热学的高压电缆中间接头处压接管的热路计算的理论模型，并从理论上计算各关节点处温度数值，为压接管尺寸初始设计及工程施工方案设计提供重要理论基础。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种电缆中间接头处压接管传热计算方法，该发明是基于传热学的高压电缆中间接头处压接管的热路计算的理论模型，并从理论上计算各关节点处温度数值，为压接管尺寸初始设计及工程施工方案设计提供重要理论基础。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种电缆中间接头处压接管传热计算方法，所述压接管传热计算方法包括下列步骤：
S1、构建高压电缆中间接头处压接管热路计算模型，所述热路计算模型包括下列参数：
Ta表示环境温度，Ra表示外部环境热阻，Rb表示搭接部位套管的径向导热热阻，Rc表示电缆导体的轴向导热热阻，Rz表示套管轴向导热热阻，Q1表示套管未搭接部位电阻通流产热热量，Q2表示第一导体与套管连接处电阻通流产热热量，Q3表示电缆导体通流产热热量，Q4表示套管连接处电阻通流产热热量，∞表示轴向热流传向无穷远，T1，T2，T3，T4，T5，T6，T7分别表示各节点温度；
S2、计算热路计算模型中所有热阻数值；
S3、计算热路计算模型中所有热源数值；
S4、构建传热计算方程组，求解各节点温度分布。
进一步地，所述步骤S2、计算热路计算模型中所有热阻数值的过程如下：
计算外部环境热阻Ra，参照IEC60287，取单根孤立埋地电缆，其外部热阻的计算如下式所示，
式中，ρe表示土壤热阻系数，单位：K·m/W；u表示电缆轴线至地表距离,单位：mm；
计算搭接部位套管的径向导热热阻Rb，参照下式计算可得
式中，ρ表示材料热阻率，单位：K·m/W；lt表示圆筒壁长度，单位：m；ro，ri表示圆筒壁的内、外半径，单位：mm；
计算电缆导体的轴向导热热阻Rc、套管轴向导热热阻Rd，参照下式计算可得
式中，ρ表示材料热阻率；lzx表示等温面之间的距离；Szx表示节点端面面积。
进一步地，所述步骤S3、计算热路计算模型中所有热源数值的过程如下：
计算套管未搭接部位电阻通流产热热量Q1，参照下式计算可得
R’＝R0×[1+α20(θ-20)]
式中，R'表示在工作温度下导体的直流电阻，单位：Ω/m；R0表示20℃时导体的直流电阻，单位：Ω/m；α20表示20℃时导体材料温度系数；θc表示电缆导体的工作温度；
计算电缆导体通流产热热量Q3，参照下式计算可得，
式中，I表示铜导体通过的电流有效值，单位：A；Rc表示在工作温度下导体的交流电阻，单位：Ω/m；R'表示在工作温度下导体的直流电阻，单位：Ω/m；R0表示20℃时导体的直流电阻，单位：Ω/m；α20表示20℃时导体材料温度系数；θc表示电缆导体的工作温度；YS表示集肤效应因数；YP表示邻近效应因数；
计算第一导体与套管连接处电阻通流产热热量Q2、套管连接处电阻通流产热热量Q4，依次先计算其搭接电阻Rm、接触电阻Rj、产热量，参照下列方程组依次计算可得，
Q＝I2(Rm+Rj)
式中，σ表示套管电阻率；l0表示套管与导体单端搭接长度；do表示套管外径；di表示套管内径；k表示电阻比；Rj表示接触电阻，单位：mΩ·m2；F表示接触压力，单位：N；m为与接触形式，压力大小和实际接触点数目有关，面接触时可取m＝1；kj为与接触材料、表面状况有关的系数。
进一步地，对于铜－铜连接的电缆线芯与压接管，与接触材料、表面状况有关的系数kj取值范围为0.08～0.14。
进一步地，所述步骤S4、构建传热计算方程组，求解各节点温度分布的过程如下：
建立传热计算方程组：
T1＝Ta+Ra×Q3
T7＝Ta+Ra×Q3
代入上述步骤中所计算的参数数值，便可解得温度分布T1-T7。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
本发明切实可行的提出一种基于传热学的高压电缆中间接头处压接管的热路计算的理论模型，并从理论上计算各关节点处温度数值，为压接管尺寸初始设计及工程施工方案设计提供重要理论基础。
附图说明
图1是本发明中电缆导体与套管压接示意图；
图2是本发明中套管压接连接器发热模型；
图3是本发明中无接触界面平板重叠电阻特性；
图4是本发明中固体面面接触的电流线分布；
图5是本发明中公开的一种电缆中间接头处压接管传热计算方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
本实施例公开了一种电缆中间接头处压接管传热计算方法，具体包括下列步骤：
S1、构建高压电缆中间接头处压接管热路计算模型。
S2、计算热路计算模型中所有热阻数值。
S3、计算热路计算模型中所有热源数值。
S4、构建传热计算方程组，求解各节点温度分布。
如上所述步骤S1，电缆导体与套管压接示意方法如附图1。压接管产热热实际由三部分组成：第一导体与套管连接处电阻通流引起的产热；套管未搭接部位电阻通流引起的产热；套管与第二导体连接处电阻引起的产热。三部分产热向外部环境扩散，得到套管压接连接器发热模型如附图2。图中，Ta表示环境温度；Ra表示外部环境热阻；Rb表示搭接部位套管的径向导热热阻；Rc表示电缆导体的轴向导热热阻；Rz表示套管轴向导热热阻；Q1表示套管未搭接部位电阻通流产热热量；Q2表示第一导体与套管连接处电阻通流产热热量；Q3表示电缆导体通流产热热量；Q4表示套管连接处电阻通流产热热量；∞表示轴向热流传向无穷远；T1，T2，T3，T4，T5，T6，T7分别表示各节点温度。
如上所述步骤S2，热路计算模型共包含4个热阻。其中Ra可参照IEC60287，据具体敷设环境确定其值大小。由于套管为轴对称圆筒壁结构，搭接部位套管的径向导热热阻Rb可用公式1进行计算，
式中，ρ表示材料热阻率，单位K·m/W；lt表示圆筒壁长度，单位m；ro，ri表示圆筒壁的内、外半径，单位mm。
各节点端面可假设为等温面，则任意两节点之间的轴向导热热阻Rzx为，
式中，ρ表示材料热阻率；lzx表示等温面之间的距离；Szx表示节点端面面积。因此，电缆导体的轴向导热热阻Rc及套管轴向导热热阻Rz均可用公式(2)进行计算。
如上所述步骤S3，热路计算模型共包含4个热源。单位长度电缆导体通过交流电时的产热热量Q3为，
式中，I表示铜导体通过的电流有效值，单位：A；Rc表示在工作温度下导体的交流电阻，单位：Ω/m；R'表示在工作温度下导体的直流电阻，单位：Ω/m；R0表示20℃时导体的直流电阻，单位：Ω/m；α20表示20℃时导体材料温度系数；θc表示电缆导体的工作温度；YS表示集肤效应因数；YP表示邻近效应因数。
对于套管，可用直流电阻近似代替交流电阻，计算套管未搭接部位通流产热热量Q1。
当绞合导体通过交流电时，由于集肤效应，电流集中分布于外层绞线。基于此，可用一定厚度的空心圆柱代替绞合导体。此时，套管与绞合导体的接触性质类似于平板重叠接头。假设绞合导体等效空心圆柱厚度等于套管厚度，则连接体搭接电阻Rm为，
式中，σ表示套管电阻率；l0表示套管与导体单端搭接长度；do表示套管外径；di表示套管内径；k表示电阻比，参考图3。
另由于固体表面总是粗糙不平的，面面接触实质是接触界面若干接触斑点的有效接触，如图4所示。当电流流过接触面接触斑点时，电流线收缩产生收缩电阻，收缩电阻与接触界面氧化膜形成的膜层电阻构成界面总的接触电阻。实际工程中，微观参数很难获取，要准确计算两接触面的接触电阻不易实现。往往只能通过接触压力，接触面积等宏观量的改变达到控制接触电阻的目的。工程中，一般用以下经验公式计算接触面的接触电阻，
式中，Rj表示接触电阻，mΩ·m2；F表示接触压力，N；m为与接触形式，压力大小和实际接触点数目有关，面接触时可取m＝1；kj为与接触材料、表面状况等有关的系数，铜-铜接触可取值0.08～0.14。接触电阻与接触面积反相关。
通过公式(5)和(6)，可计算得导体与套管连接处总电阻，从而得到套管连接处电阻通流产热热量Q2与Q4。
如上所述步骤S4，由套管压接连接器发热模型如图2，建立传热计算方程组，
T1＝Ta+Ra×Q3 (6)
T7＝Ta+Ra×Q3 (12)
代入上述步骤中所计算的参数数值，便可解得温度分布T1-T7。
实施例二
本实施例针对铜－铜连接的电缆线芯与压接管，公开一种电缆中间接头处压接管传热计算方法，具体步骤如下：
1)计算外部环境热阻Ra，参照IEC60287，取单根孤立埋地电缆，其外部热阻的计算如下式所示，
式中，ρe表示土壤热阻系数，单位：K·m/W；u表示电缆轴线至地表距离,单位：mm。
2)计算搭接部位套管的径向导热热阻Rb，参照下式计算可得
式中，ρ表示材料热阻率，单位：K·m/W；lt表示圆筒壁长度，单位：m；ro，ri表示圆筒壁的内、外半径，单位：mm。
3)计算电缆导体的轴向导热热阻Rc、套管轴向导热热阻Rd，参照下式计算可得
式中，ρ表示材料热阻率；lzx表示等温面之间的距离；Szx表示节点端面面积。
4)计算套管未搭接部位电阻通流产热热量Q1，参照下式计算可得
R'＝R0×[1+α20(θ-20)]
式中，R'表示在工作温度下导体的直流电阻，单位：Ω/m；R0表示20℃时导体的直流电阻，单位：Ω/m；α20表示20℃时导体材料温度系数；θc表示电缆导体的工作温度；
5)计算电缆导体通流产热热量Q3，参照下式计算可得，
式中，I表示铜导体通过的电流有效值，单位：A；Rc表示在工作温度下导体的交流电阻，单位：Ω/m；R'表示在工作温度下导体的直流电阻，单位：Ω/m；R0表示20℃时导体的直流电阻，单位：Ω/m；α20表示20℃时导体材料温度系数；θc表示电缆导体的工作温度；YS表示集肤效应因数；YP表示邻近效应因数。
6)计算第一导体与套管连接处电阻通流产热热量Q2、套管连接处电阻通流产热热量Q4，需依次先计算其搭接电阻Rm、接触电阻Rj、产热量，参照下列方程组依次计算可得，
Q＝I2(Rm+Rj)
式中，σ表示套管电阻率；l0表示套管与导体单端搭接长度；do表示套管外径；di表示套管内径；k表示电阻比；Rj表示接触电阻，单位：mΩ·m2；F表示接触压力，单位：N；m为与接触形式，压力大小和实际接触点数目有关，面接触时可取m＝1；kj为与接触材料、表面状况等有关的系数，铜-铜接触可取值0.08～0.14。
7)计算温度分布，依据上述计算的参数数值，解以下热路模型方程组
T1＝Ta+Ra×Q3
T7＝Ta+Ra×Q3
代入上述步骤中所计算的参数数值，便可解得温度分布T1-T7。
综上所述，本发明切实可行的提出一种基于传热学热路计算的理论模型，并从理论上计算各关节点处温度数值，为压接管尺寸初始设计及工程施工方案设计提供重要理论基础。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种电缆中间接头处压接管传热计算方法，其特征在于，所述压接管传热计算方法包括下列步骤：
S1、构建高压电缆中间接头处压接管热路计算模型，所述热路计算模型包括下列参数：
Ta表示环境温度，Ra表示外部环境热阻，Rb表示搭接部位套管的径向导热热阻，Rc表示电缆导体的轴向导热热阻，Rz表示套管轴向导热热阻，Q1表示套管未搭接部位电阻通流产热热量，Q2表示第一导体与套管连接处电阻通流产热热量，Q3表示电缆导体通流产热热量，Q4表示套管连接处电阻通流产热热量，∞表示轴向热流传向无穷远，T1，T2，T3，T4，T5，T6，T7分别表示各节点温度；
S2、计算热路计算模型中所有热阻数值；
S3、计算热路计算模型中所有热源数值；
S4、构建传热计算方程组，求解各节点温度分布。
2.根据权利要求1所述的一种电缆中间接头处压接管传热计算方法，其特征在于，所述步骤S2、计算热路计算模型中所有热阻数值包括：
计算外部环境热阻Ra，参照IEC60287，取单根孤立埋地电缆，其外部热阻的计算如下式所示，
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</mrow>
式中，ρe表示土壤热阻系数，单位：K·m/W；u表示电缆轴线至地表距离,单位：mm。
3.根据权利要求1所述的一种电缆中间接头处压接管传热计算方法，其特征在于，所述步骤S2、计算热路计算模型中所有热阻数值包括：
计算搭接部位套管的径向导热热阻Rb，参照下式计算可得
<mrow>
<msub>
<mi>R</mi>
<mi>b</mi>
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<mo>=</mo>
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<mi>t</mi>
</msub>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
式中，ρ表示材料热阻率，单位：K·m/W；lt表示圆筒壁长度，单位：m；ro，ri表示圆筒壁的内、外半径，单位：mm。
4.根据权利要求1所述的一种电缆中间接头处压接管传热计算方法，其特征在于，所述步骤S2、计算热路计算模型中所有热阻数值包括：
计算电缆导体的轴向导热热阻Rc、套管轴向导热热阻Rd，参照下式计算可得
<mrow>
<msub>
<mi>R</mi>
<mrow>
<mi>z</mi>
<mi>x</mi>
</mrow>
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<mi>z</mi>
<mi>x</mi>
</mrow>
</msub>
</mfrac>
</mrow>
式中，ρ表示材料热阻率；lzx表示等温面之间的距离；Szx表示节点端面面积。
5.根据权利要求1所述的一种电缆中间接头处压接管传热计算方法，其特征在于，所述步骤S3、计算热路计算模型中所有热源数值包括：
计算套管未搭接部位电阻通流产热热量Q1，参照下式计算可得
R′＝R0×[1+α20(θ-20)]
式中，R'表示在工作温度下导体的直流电阻，单位：Ω/m；R0表示20℃时导体的直流电阻，单位：Ω/m；α20表示20℃时导体材料温度系数；θc表示电缆导体的工作温度。
6.根据权利要求1所述的一种电缆中间接头处压接管传热计算方法，其特征在于，所述步骤S3、计算热路计算模型中所有热源数值包括：
计算电缆导体通流产热热量Q3，参照下式计算可得，
<mfenced open = "{" close = "">
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</mfenced>
式中，I表示铜导体通过的电流有效值，单位：A；Rc表示在工作温度下导体的交流电阻，单位：Ω/m；R'表示在工作温度下导体的直流电阻，单位：Ω/m；R0表示20℃时导体的直流电阻，单位：Ω/m；α20表示20℃时导体材料温度系数；θc表示电缆导体的工作温度；YS表示集肤效应因数；YP表示邻近效应因数。
7.根据权利要求1所述的一种电缆中间接头处压接管传热计算方法，其特征在于，所述步骤S3、计算热路计算模型中所有热源数值包括：
计算第一导体与套管连接处电阻通流产热热量Q2、套管连接处电阻通流产热热量Q4，依次先计算其搭接电阻Rm、接触电阻Rj、产热量，参照下列方程组依次计算可得，
<mrow>
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<mi>R</mi>
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</mrow>
Q＝I2(Rm+Rj)
式中，σ表示套管电阻率；l0表示套管与导体单端搭接长度；do表示套管外径；di表示套管内径；k表示电阻比；Rj表示接触电阻，单位：mΩ·m2；F表示接触压力，单位：N；m为与接触形式，压力大小和实际接触点数目有关，面接触时可取m＝1；kj为与接触材料、表面状况有关的系数。
8.根据权利要求7所述的一种电缆中间接头处压接管传热计算方法，其特征在于，对于铜－铜连接的电缆线芯与压接管，与接触材料、表面状况有关的系数kj取值范围为0.08～0.14。
9.根据权利要求1所述的一种电缆中间接头处压接管传热计算方法，其特征在于，所述步骤S4、构建传热计算方程组，求解各节点温度分布的过程如下：
建立传热计算方程组：
T1＝Ta+Ra×Q3
<mrow>
<mo>-</mo>
<mfrac>
<mn>1</mn>
<msub>
<mi>R</mi>
<mi>c</mi>
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<mo>)</mo>
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T7＝Ta+Ra×Q3
代入上述步骤中所计算的参数数值，便可解得温度分布T1-T7。
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2017
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