CN109858100A - 一种获取直流电缆载流量临界环境温度的计算方法及*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种获取直流电缆载流量临界环境温度的计算方法及***,属于电力***技术领域。获取直流电缆绝缘材料参数,对直流电缆绝缘材料参数进行函数拟合,生成电导率数值模型;根据电导率数值模型获取直流电缆绝缘材料等效电导率、直流电缆绝缘材料绝缘层中间点电场值、温度值和直流电缆绝缘材料绝缘层的泄漏电流,确定直流电缆材料绝缘层电场分布;确定当绝缘材料绝缘层中电场最大时,获取直流电缆绝缘材料外层温度及最大温度梯度;根据最大温度梯度获取环境温度关系式,并结合载流量与线芯温度之间的热路模型计算直流电缆的临界环境温度。本发明在不同环境温度下,通过线芯温度控制电缆载流量的最大温度梯度和环境温度临界值。
Description
技术领域
本发明涉及电力***技术领域,并且更具体地,涉及一种获取直流电缆载流量临界环境温度的计算方法及***。
背景技术
不同于交流电缆,挤出直流电缆绝缘材料的电导率受温度影响,绝缘层中电场分布会发生反转,因此不能在较大的温度梯度下运行。目前,直流载流量计算主要采用有限元法计算,但是这种方法需要不断重复整定初始载流量值,效率很低,而且未考虑绝缘层内最高电场的限制和环境温度对温度梯度的影响,未能提出在低温状态下电缆载流量控制的判别方法,不能为运行中的直流电缆载流量控制提供参考
发明内容
针对上述问题,本发明提出了一种获取直流电缆载流量临界环境温度的计算方法,本发明方法包括:
获取直流电缆绝缘材料参数,所述参数包括:电导率σ、温度T和电场E对直流电缆绝缘材料参数进行函数拟合,生成电导率数值模型;
根据电导率数值模型获取直流电缆绝缘材料等效电导率、直流电缆绝缘材料绝缘层中间点电场值、温度值和直流电缆绝缘材料绝缘层的泄漏电流,确定直流电缆材料绝缘层电场分布;
确定当绝缘材料绝缘层中电场最大时,获取直流电缆绝缘材料外层温度及最大温度梯度;
根据最大温度梯度获取环境温度关系式,根据关系式获取直流电缆的临界环境温度。
可选的,对直流电缆绝缘材料参数进行函数拟合包括:
根据温度T和电导率σ根据拟合公式拟合电导率随温度变化的系数B,公式如下:
σ(T)=A1e-B/T (1);
根据场强E和电导率σ根据拟合公式拟合电导率随场强变化的系数C,公式如下
根据B、C系数带入拟合公式获取系数A,公式如下:
可选的,材料温度系数B的获取根据公式:
其中,为活化能、q为电子电荷量和kb为波尔兹曼常数。
可选的,等效电导率σav的获取根据如下公式:
其中:Eav为平均场强、σav为等效电导率;Tav为绝缘层中间点温度。
获取直流电缆绝缘层中间点处电场,根据平均场强公式,公式如下:
其中:U为电缆电压、R为绝缘外半径和rc为绝缘内半径。
可选的,直流电缆绝缘层中间点处电场与电缆施加电压和绝缘厚度有关,与平均场强相等。
可选的,确定直流电缆材料绝缘层电场分布包括:
获取直流电缆绝缘层中间点处温度值,根据公式如下:
其中:T2为线芯温度、T1为绝缘层外部温度、rav为绝缘层中间点半径和ΔT为绝缘层上的温度梯度;
所述绝缘层中间点半径获取的公式如下:
获取绝缘层中泄漏电流I0的公式如下:
I0=2πrJ (9);
其中,R为绝缘层半径和J为泄漏电流密度;
获取电缆泄漏电流密度J,计算公式如下:
J(r)=E(r)σ(E,T) (10);
获取电缆绝缘层中泄漏电流值,计算公式如下:
I0=2πravJ(rav)=2πravEavσav (11);
电缆绝缘层中电场分布满足电流连续性原理,原理公式如下:
I0=2πravJ(rav)=2πravEavσav=2πrEσ (12)。
可选的,确定当绝缘材料绝缘层中电场最大时,获取直流电缆绝缘材料外层温度及最大温度梯度,包括:
确定电缆绝缘外侧处的场强,绝缘层外侧半径为R,根据电导率公式获取电导率,公式如下:
根据公式(13),获取绝缘外层温度T1,公式如下:
根据公式(14),获取绝缘层中最大温度梯度,公式如下:
ΔTmax=T2-T1 (15);
可选的,根据最大温度梯度获取环境温度关系式,根据关系式获取直流电缆的临界环境温度,包括:
根据公式(15)推导获取环境温度关系式,公式如下
其中:
Tair为环境温度、W1为绝缘层的等效热阻和Wi为绝缘层及以外包括外部传热介质的等效热阻;
根据最大温度梯度获取直流电缆的临界环境温度,公式如下:
本发明还提出了一种获取直流电缆载流量临界环境温度的计算***,***包括:
拟合模块,获取直流电缆绝缘材料参数,所述参数包括:电导率σ、温度T和电场E对直流电缆绝缘材料参数进行函数拟合,生成电导率数值模型;
第一计算模块,根据电导率数值模型获取直流电缆绝缘材料等效电导率、直流电缆绝缘材料绝缘层中间点电场值、温度值和直流电缆绝缘材料绝缘层的泄漏电流,确定直流电缆材料绝缘层电场分布;
第二计算模块,确定当绝缘材料绝缘层中电场最大时,获取直流电缆绝缘材料外层温度及最大温度梯度;
临界环境温度确定模块,根据最大温度梯度获取环境温度关系式,根据关系式获取直流电缆的临界环境温度。
本发明不需要借助有限元仿真计算软件,可以计算直流电缆在不同环境温度下,载流量采用线芯控制还是温度梯度控制的分段条件,得到了通过线芯温度控制电缆载流量的最大温度梯度和环境温度临界值。
本发明基于理论模型和给定电缆结构、敷设环境条件下,可以通过计算得到直流电缆载流量分段条件。在考虑外界温度临界值以上,采用线芯温度控制的方法,外界温度临界值以下,需要采用绝缘层场强控制的方法。本方法可以直观快速为直流电缆运行提供参考,另外通过计算机完成复杂计算的过程,可以形成实时计算软件,提高工作效率和控制水平。
附图说明
图1为本发明获取直流电缆载流量临界环境温度的计算方法电场分布随温度变化的示意图;
图2为本发明获取直流电缆载流量临界环境温度的计算方法直流电缆绝缘层中电场值示意图;
图3为本发明获取直流电缆载流量临界环境温度的计算方法直流电缆结构示意图
图4为本发明获取直流电缆载流量临界环境温度的计算方法流程图;
图5为本发明一种获取直流电缆载流量临界环境温度的计算***结构图。
具体实施方式
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式,然而,本发明可以用许多不同的形式来实施,并且不局限于此处描述的实施例,提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明,并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中,相同的单元/元件使用相同的附图标记。
除非另有说明,此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外,可以理解的是,以通常使用的词典限定的术语,应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义,而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
本发明提供了一种获取直流电缆载流量临界环境温度的计算方法,如图4所示,包括:
获取直流电缆绝缘材料参数,直流电缆结构如图3所示,所述参数包括:电导率σ、温度T和电场E对直流电缆绝缘材料参数进行函数拟合,直流电缆绝缘材料参数进行函数拟合包括:
根据温度T和电导率σ根据拟合公式拟合电导率随温度变化的系数B,公式如下:
σ(T)=A1e-B/T
根据场强E和电导率σ根据拟合公式拟合电导率随场强变化的系数C,公式如下:
材料温度系数B的获取根据公式:
其中,为活化能、q为电子电荷量和kb为波尔兹曼常数。
根据B、C系数带入拟合公式获取系数A,公式如下:
生成电导率数值模型;
根据电导率数值模型获取直流电缆绝缘材料等效电导率、直流电缆绝缘材料绝缘层中间点电场值、温度值和直流电缆绝缘材料绝缘层的泄漏电流,确定直流电缆材料绝缘层电场分布,场强变化如图1所示,直流电缆绝缘层中间点处电场与电缆施加电压和绝缘厚度有关,与平均场强相等;
等效电导率σav的获取根据如下公式:
其中:Eav为平均场强、σav为等效电导率;Tav为绝缘层中间点温度。
获取直流电缆绝缘层中间点处电场,根据平均场强公式,公式如下:
其中:U为电缆电压、R为绝缘外半径和rc为绝缘内半径。
确定直流电缆材料绝缘层电场分布包括:
获取直流电缆绝缘层中间点处温度值,根据公式如下:
其中:T2为线芯温度、T1为绝缘层外部温度、rav为绝缘层中间点半径和ΔT为绝缘层上的温度梯度;
所述绝缘层中间点半径获取的公式如下:
获取绝缘层中泄漏电流I0的公式如下:
I0=2πrJ
其中,R为绝缘层半径和J为泄漏电流密度;
获取电缆泄漏电流密度J,计算公式如下:
J(r)=E(r)σ(E,T)
获取电缆绝缘层中泄漏电流值,计算公式如下:
I0=2πravJ(rav)=2πravEavσav
电缆绝缘层中电场分布满足电流连续性原理,电场值,如图2所示,原理公式如下:
I0=2πravJ(rav)=2πravEavσav=2πrEσ
确定当绝缘材料绝缘层中电场最大时,获取直流电缆绝缘材料外层温度及最大温度梯度,包括:
确定电缆绝缘外侧处的场强,绝缘层外侧半径为R,根据电导率公式,如下:
根据上述获取电导率公式,获取绝缘外层温度,公式如下:
根据公式上述获取绝缘外层温度,获取绝缘层中最大温度梯度,公式如下:
ΔTmax=T2-T1
根据最大温度梯度获取环境温度关系式,根据关系式获取直流电缆的临界环境温度,包括:
根据公式上述推导获取环境温度关系式,公式如下
其中:
Tair为环境温度、W1为绝缘层的等效热阻和Wi为绝缘层及以外包括外部传热介质的等效热阻;
根据最大温度梯度获取直流电缆的临界环境温度,公式如下:
以320kV交联聚乙烯电缆为例,其载流量需满足持续工作条件下导体最高温度不大于70℃,绝缘层场强不超过20kV/mm。
通过函数拟合,得到XLPE绝缘材料电导率公式参数如下:
同样的,根据公式也可以计算得到当XLPE绝缘层上承受最大耐压时,线芯和绝缘外侧表面温度之间的最大温度梯度为ΔTmax=23.2(K)。
根据320kV直流电缆结构,假设电缆敷设在空气中,则根据资料显示,绝缘热阻为3.0584(TΩ·m);电缆本体及环境热阻为8.0728(TΩ·m);计算可以得到此时临界环境温度为8.34℃。表明在环境温度为8.34℃以上应该采用线芯温度控制的方法,而在环境温度为8.34℃以下时应该采用绝缘层场强控制的方法。
本发明还提供了一种获取直流电缆载流量临界环境温度的计算***200,如图5所示,***200包括:
拟合模块201,获取直流电缆绝缘材料参数,所述参数包括:电导率σ、温度T和电场E对直流电缆绝缘材料参数进行函数拟合,生成电导率数值模型;
第一计算模块202,根据电导率数值模型获取直流电缆绝缘材料等效电导率、直流电缆绝缘材料绝缘层中间点电场值、温度值和直流电缆绝缘材料绝缘层的泄漏电流,确定直流电缆材料绝缘层电场分布;
第二计算模块203,确定当绝缘材料绝缘层中电场最大时,获取直流电缆绝缘材料外层温度及最大温度梯度;
临界环境温度确定模块204,根据最大温度梯度获取环境温度关系式,根据关系式获取直流电缆的临界环境温度。
本发明不需要借助有限元仿真计算软件,可以计算直流电缆在不同环境温度下,载流量采用线芯控制还是温度梯度控制的分段条件,得到了通过线芯温度控制电缆载流量的最大温度梯度和环境温度临界值。
本发明基于理论模型和给定电缆结构、敷设环境条件下,可以通过计算得到直流电缆载流量分段条件。在考虑外界温度临界值以上,采用线芯温度控制的方法,外界温度临界值以下,需要采用绝缘层场强控制的方法。本方法可以直观快速为直流电缆运行提供参考,另外通过计算机完成复杂计算的过程,可以形成实时计算软件,提高工作效率和控制水平。
Claims (9)
1.一种获取直流电缆载流量临界环境温度的计算方法,所述方法包括:
获取直流电缆绝缘材料参数,所述参数包括:电导率σ、温度T和电场E,对直流电缆绝缘材料参数进行函数拟合,生成电导率数值模型;
根据电导率数值模型获取直流电缆绝缘材料等效电导率、直流电缆绝缘材料绝缘层中间点电场值、温度值和直流电缆绝缘材料绝缘层的泄漏电流,确定直流电缆材料绝缘层电场分布;
确定当绝缘材料绝缘层中电场最大时,获取直流电缆绝缘材料外层温度及最大温度梯度;
根据载流量与线芯温度之间的热路模型获取环境温度关系式,根据关系式获取直流电缆的临界环境温度。
2.根据权利要求1所述的方法,所述的对直流电缆绝缘材料参数进行函数拟合包括:
根据温度T和电导率σ根据拟合公式拟合电导率随温度变化的系数B,公式如下:
σ(T)=A1e-B/T (1);
根据场强E和电导率σ根据拟合公式拟合电导率随场强变化的系数C,公式如下
根据B、C系数带入拟合公式获取系数A,公式如下:
3.根据权利要求2所述的方法,所述的材料温度系数B的获取根据公式:
其中,为活化能、q为电子电荷量和kb为波尔兹曼常数。
4.根据权利要求1所述的方法,所述的等效电导率σav的获取根据如下公式:
其中:Eav为平均场强、σav为等效电导率;Tav为绝缘层中间点温度。
获取直流电缆绝缘层中间点处电场,根据平均场强公式,公式如下:
其中:U为电缆电压、R为绝缘外半径和rc为绝缘内半径。
5.根据权利要求1所述的方法,所述的直流电缆绝缘层中间点处电场与电缆施加电压和绝缘厚度有关,与平均场强相等。
6.根据权利要求1所述的方法,所述的确定直流电缆材料绝缘层电场分布包括:
获取直流电缆绝缘层中间点处温度值,根据公式如下:
其中:T2为线芯温度、T1为绝缘层外部温度、rav为绝缘层中间点半径和ΔT为绝缘层上的温度梯度;
所述绝缘层中间点半径获取的公式如下:
获取绝缘层中泄漏电流I0的公式如下:
I0=2πrJ (9);
其中,R为绝缘层半径和J为泄漏电流密度;
获取电缆泄漏电流密度J,计算公式如下:
J(r)=E(r)σ(E,T) (10);
获取电缆绝缘层中泄漏电流值,计算公式如下:
I0=2πravJ(rav)=2πravEavσav (11);
电缆绝缘层中电场分布满足电流连续性原理,原理公式如下:
I0=2πravJ(rav)=2πravEavσav=2πrEσ (12)。
7.根据权利要求1所述的方法,所述的确定当绝缘材料绝缘层中电场最大时,获取直流电缆绝缘材料外层温度及最大温度梯度,包括:
确定电缆绝缘外侧处的场强,绝缘层外侧半径为R,根据电导率公式获取电导率,公式如下:
根据公式(13),获取绝缘外层温度1,公式如下:
根据公式(14),获取绝缘层中最大温度梯度,公式如下:
ΔTmax=T2-T1 (15)。
8.根据权利要求1所述的方法,所述的获取直流电缆的临界环境温度,包括:
根据公式(15)推导获取环境温度关系式,公式如下
其中:
Tair为环境温度、W1为绝缘层的等效热阻和Wi为绝缘层及以外包括外部传热介质的等效热阻;
根据最大温度梯度获取直流电缆的临界环境温度,公式如下:
9.一种获取直流电缆载流量临界环境温度的计算***,所述***包括:
拟合模块,获取直流电缆绝缘材料参数,所述参数包括:电导率σ、温度T和电场E对直流电缆绝缘材料参数进行函数拟合,生成电导率数值模型;
第一计算模块,根据电导率数值模型获取直流电缆绝缘材料等效电导率、直流电缆绝缘材料绝缘层中间点电场值、温度值和直流电缆绝缘材料绝缘层的泄漏电流,确定直流电缆材料绝缘层电场分布;
第二计算模块,确定当绝缘材料绝缘层中电场最大时,获取直流电缆绝缘材料外层温度及最大温度梯度;
临界环境温度确定模块,根据最大温度梯度获取环境温度关系式,根据载流量与线芯温度之间的热路模型获取环境温度关系式,获取直流电缆的临界环境温度。
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PB01 | Publication | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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