JP4345218B2 - ケーブル導体温度推定方法および装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はケーブル導体温度推定方法および装置に関し、特に電力ケーブル線路のケーブル導体温度推定方法およびその実施のための装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
定常状態における電力ケーブル線路導体の温度を計算する方法として、一般的にＪＣＳ法が用いられている。気中に布設されたケーブルにおける導体温度の時間的変化の推定には、模擬ケーブルを用い熱容量を考慮した実験結果が報告されている（以下、模擬ケーブル法という）。
【０００３】
また、特公平７ー５２１２６号には、Ｒ等価回路を用いて導体の最高温度を推定する方法が記載されている。
【０００４】
ＪＣＳ法、模擬ケーブル法、Ｒ等価回路を用いる方法のいずれも、簡便な導体温度計算方法として利用または検討されているが、断面の構成を簡略化して熱抵抗または熱容量と熱抵抗に換算した簡易なＲ回路又はＲＣラダー回路による単純な近似計算であるか、熱定数を実機で測定し、これを用いた計算である。
【０００５】
そのため、目的とするケーブルが布設された管路に温度センサが挿入できない場合解析すべき断面が複雑な形状を有する場合や、材質の異なる部分が数多く存在する場合、あるいは電力ケーブル線路周辺に発熱源または冷却源が存在する場合には、導体温度推定誤差が大きい。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、温度センサが、目的とするケーブルが布設された管路以外である空管路に挿入された場合において布設された電力ケーブル線路の最高温部において、解析すべき断面が複雑な形状を有する場合や、材質の異なる多くの部分から成る場合にも、導体温度または断面温度分布を精度よく推定する方法を提供することにある。
【０００７】
本発明の目的は、また、布設された電力ケーブル線路において、負荷電流が時間的に任意のパターンで変化する場合にも、線路の最高温部における導体温度または断面温度分布を精度よく推定する方法を提供することにある。
【０００８】
本発明の目的は、さらに、温度センサが、目的とするケーブルが布設された管路以外である空管路に挿入された場合において布設された電力ケーブル線路において、その最高温部で、解析すべき断面が複雑な形状を有する場合や、材質の異なる多くの部分から成る場合に、あるいは負荷電流が時間的に任意のパターンで変化する場合にも、線路の最高温部における導体温度または断面温度分布を精度よく推定することを可能にした導体温度推定装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明のケーブル導体温度推定方法の第一は、上記目的を達成するため、ケーブルを通した管路の他に空管路を有するケーブル線路の、管路に通したケーブルの導体温度を推定する方法において、ケーブルの布設方向に沿って空管路内の温度を測定して、ケーブル布設方向に沿った空管路内またはケーブル線路外の温度分布を求め、測定された温度がケーブルの布設方向で最も高くなる箇所を導体温度推定位置として定め、温度測定位置を含むケーブル及びその周囲の断面を温度解析断面として選び、この断面を有限の要素に分割し、この要素にそれを構成する各部材の性質及び寸法に基づき熱定数をそれぞれ与え、部材のうち熱定数が未知なものについては仮の熱定数の値をパラメータとしてあてはめ、上記の熱定数および仮の熱定数を用いて定常状態での温度解析断面内の温度分布を一旦計算し、求められた温度分布から温度測定位置である空管路温度の計算値を読み取り、導体温度推定位置においてこの計算値と測定された空管路温度との誤差が最も小さくなるように、パラメータとされた仮の熱定数の最適値を求め、この熱定数の最適値を用いて温度解析断面内の温度分布を計算し、この断面内温度分布に基づいてケーブルの導体の温度を求めることを特徴とする。
【００１０】
本発明のケーブル導体温度推定方法の第二は、上記第一の方法によって得た温度解析断面内温度分布を初期値として、負荷電流の時間的変化の代表的パターンを所定の時間間隔で２回以上繰り返し与え、この時間間隔の経過ごとに温度解析断面内の温度分布をそれぞれ第一の方法により計算し、ここに得られた温度分布が代表的繰り返しパターンに対し安定した定常的変化となるまで、計算を反復し、ケーブルの導体の温度の時間的変化を求めることを特徴とする。
【００１１】
第三は、上記第一または第二の方法で得た温度解析断面内温度分布を初期値として、負荷電流の任意のパターンを与えケーブル導体温度の時間的変化を求める。
【００１２】
すなわち、本発明のケーブル導体温度推定方法の第二は、有限要素熱解析モデルを用いて、接続部を有するケーブルを通した管路の他に空管路を有するケーブル線路の、管路に通したケーブルの導体の温度を推定する方法において、ケーブルの布設方向に沿って、空管路内の温度を測定し、空管路のケーブル布設方向に沿った温度分布を求め、測定された温度がケーブル布設方向で最も高くなる箇所を導体温度推定位置として定め、温度の測定を行なった位置を含むケーブル及びその周囲の断面を温度解析断面として選び、この断面を有限の要素に分割し、この要素にそれを構成する各部材の性質及び寸法に基づき熱定数をそれぞれ与え、これら部材のうち熱定数が未知なものについては仮の熱定数の値をパラメータとしてあてはめ、所定の時間範囲内で実測した負荷電流に対するケーブルの発熱量と等しい一定の発熱量を与えるような負荷電流の特定の値を有限要素熱解析モデルに対して与え、この条件で定常状態での前記温度解析断面内の温度分布を一旦計算し、求められたこの温度分布を初期値として、印加電圧および負荷電流の時間的変化の代表的パターンを所定の時間間隔で２回以上繰り返し与え、この時間間隔の経過ごとにそれぞれ、実測された負荷電流に対するケーブルの発熱量と等しい発熱量を与えるような負荷電流の特定の値を有限要素熱解析モデルに対し与えることにより、温度解析断面内の温度分布を計算し、ここに得られた温度分布が代表的繰り返しパターンに対し安定した定常的変化となるまで、仮の熱定数の値を変更して温度分布の計算を反復し、ケーブルの導体の温度の時間的変化を求めることを特徴とする。
【００１３】
本発明のケーブル導体温度推定装置は、上記目的の一を達成するため、接続部を有するケーブルを通した管路と空管路とを有するケーブル線路の、前記管路に通した前記ケーブルの導体の温度を推定する装置において、ケーブル布設方向に沿って１以上の位置で空管路内の温度を測定するための、空管路に通された光ファイバまたは熱電対温度センサと、温度センサに接続された温度測定ユニットと、ケーブルに設置された電流センサと、電流センサに接続された負荷電流測定ユニットと、負荷電流測定ユニット、および温度測定ユニットに接続された信号受信装置と、信号受信装置に接続された温度解析装置から成り、信号伝送装置は負荷電流測定ユニットからの電流信号および温度測定ユニットからの温度信号を、信号受信装置に伝送するものであり、信号受信装置は信号伝送装置から伝送された所要の信号を受信して温度解析装置へ出力するものであり、温度解析装置は、前記空管路のケーブル布設方向に沿った温度分布を求めること、前記測定された温度が前記方向で最も高くなる箇所を導体温度推定位置として定めること、前記温度測定を行なった各点を含む前記ケーブル及びその周囲の断面を温度解析断面として選び、この断面を有限の要素に分割したとき、この要素にそれを構成する各部材の性質及び寸法に基づき熱定数をそれぞれ与え、前記部材のうち熱定数が未知なものについて仮の熱定数の値をあてはめること、および所定の時間範囲内で実測された電流センサと負荷電流測定ユニットとにより前記時間範囲内で測定された負荷電流に対する前記ケーブル及びその接続部の発熱量と等しい発熱量を与えるような線路印加電圧および負荷電流の特定の値を、有限要素熱解析モデルに対して与えることにより、この条件で定常状態での前記断面内の温度分布を計算することができ、さらに、求められた前記温度分布から前記温度測定点の温度の計算値を読み取り、１以上の前記温度測定点においてこの計算値と前記測定された温度との誤差が最も小さくなるように、前記パラメータとされた仮の熱定数の最適値を求めることができ、そして、この熱定数の最適値を用いて前記断面内の温度分布を計算するものであり、この温度分布に基づいて前記ケーブルの導体の温度を推定することを特徴とする。
【００１４】
本発明の方法において、線路負荷電流を実測等により入力情報として与える時間範囲は、例えば１日（２４時間）あるいは１週間（１６８時間）である。
また、負荷電流の時間的変化の代表的パターンを与える時間間隔は、例えば３０分または１時間である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は本発明のケーブル導体温度推定方法に用いる装置を示す。この装置は地下に埋設された管路内の電力ケーブル導体温度推定方法に用いるものである。地表面１の下に電力ケーブル線路２が埋設され、電力ケーブル線路２は管路部３と管路３ａを通して布設されたケーブル２ａから成る。光ファイバーを用いた温度センサ４が管路３ｂを通して設けられ、温度センサ４の一端は温度測定ユニット５に連結されている。この例では、管路３ｂはケーブル２ａが布設されていない空管路である。ケーブル２ａには、負荷電流を測定するため電流センサ６が取り付けられ、負荷電流測定ユニット７に接続されている。温度測定ユニット５からの温度情報、負荷電流測定ユニット７からの電流情報は、信号伝送装置１０と信号受信装置１１を通して温度解析装置１２に送られ、導体温度の推定計算が行なわれる。計算の結果は、温度表示・記憶装置１３で表示および保存される。
【００１６】
図２は電力ケーブル線路２の断面を示す。土壌２２に埋設された管路部３は、コンクリート２３とその中の管路２４から成り、管路２４には、ケーブル２ａを通した管路３ａと、ケーブル２ａを通していない空管路２５が含まれる。空管路２５のうちの一つが、温度センサ４を通した管路３ｂである。
【００１７】
ケーブル２ａの導体で発生した熱は、管路３ａ、コンクリート２３を経て土壌２２に伝達され、時間が充分経過すると、定常的な温度分布を形成する。熱の一部は、管路３ａからコンクリート２３を介して空管路２５にも伝達されるから、ケーブル２ａの発熱に伴い、管路３ｂを含む空管路２５の温度も上昇する。
【００１８】
図３は、ケーブル布設方向（管路長手方向）での温度センサ４により測定される温度分布の一例を示す。線路長手方向で測定された温度が最も高い箇所を温度解析箇所とする。
【００１９】
導体温度の推定は以下の手順で行なわれる。図２の断面をケーブルも含めて有限要素に分割し、ケーブル２ａの各構成部材の材料に対応して各有限要素に熱定数（熱伝導率、熱容量）を設定する。熱定数のうち、例えば土壌の熱伝導率が未知とすれば、これをパラメータとして変化させる。
【００２０】
図４は、土壌２２の熱伝導率をパラメータとして変化させた場合の計算された空管路２５の管路温度と土壌２２の熱伝導率との関係を示す。一般に土壌の熱伝導率が大きいほど土壌への熱の放熱が大きくなるため、空管路２５の温度は低めに、そして単調な右下がりの直線を示す。温度センサ４により測定された空管路２５の温度と等しい温度を与える土壌２２の熱伝導率をこの温度解析断面の温度計算時の土壌熱抵抗として用いて、各有限要素の温度分布を求める。この温度分布が線路のこの温度解析断面の実態に最も適合する温度分布と考えられる。この温度分布から特定の位置として、ケーブル導体の温度も求められる。
【００２１】
この手順により、負荷電流に対応するケーブル導体の発熱量から特定位置の導体の温度が求められる。導体の発熱量が一定と仮定される場合はもちろん、負荷電流が２４時間または１週間を周期とする同一パターンの反復である場合にも、さらに実測される負荷電流の任意のパターンについても、同様の手順で導体温度の時間的変化を推定することができる。
【００２２】
一つの線路に複数の回線を含む場合、それら回線の負荷電流の差が小さければ、それら回線の総発熱量等しくとなるような同一の負荷電流が各ケーブルに流れるものとして、導体温度を近似して推定してもよい。これにより複数の回線を含む場合の計算が簡略化される。
【００２３】
【発明の効果】
本発明の導体温度推定方法によると、布設された電力ケーブル線路の最高温部において、解析すべき断面が複雑な形状を有する場合、あるいは材質の異なる多くの部分から成る場合にも、導体温度または断面温度分布を精度よく推定することができる。
【００２４】
本発明の導体温度推定方法によると、布設された電力ケーブル線路において、負荷電流が任意のパターンで変化する場合にも、線路の最高温部における導体温度または断面温度分布を精度よく推定することができる。
【００２５】
本発明の導体温度推定装置によると、布設された電力ケーブル線路において、その最高温部で、解析すべき断面が複雑な形状を有する場合や、材質の異なる多くの部分から成る場合、あるいは負荷電流が任意のパターンで変化する場合にも、線路の最高温部における導体温度又は断面温度分布を精度よく推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による本発明のケーブル導体温度推定方法に用いる装置の説明図。
【図２】電力ケーブル線路の断面説明図。
【図３】温度センサにより測定されるケーブル布設方向での温度分布を示すグラフ。
【図４】計算された空管路の温度と土壌の熱伝導率との関係を示すグラフ。
【符号の説明】
１ 地表面
２ 電力ケーブル線路
２ａ ケーブル
３ 管路部
３ａ 管路
３ｂ 管路
４ 温度センサ
５ 温度測定ユニット
６ 電流センサ
７ 負荷電流測定ユニット
１０ 信号伝送装置
１１ 信号受信装置
１２ 温度解析装置
１３ 温度表示・記憶装置

Claims (5)

1. ケーブルを通した管路の他に空管路を有するケーブル線路の、前記管路に通した前記ケーブルの導体の温度を推定する方法において、
   前記ケーブルの布設方向に沿って前記空管路内の温度を測定して、ケーブル布設方向に沿った前記空管路内の温度分布を求め、
   前記測定された温度が前記方向で最も高くなる箇所を導体温度推定位置として定め、
   前記温度測定を行なった空管路を含む前記ケーブル及びその周囲の断面を温度解析断面として選び、
   この断面を有限の要素に分割し、
   この要素にそれを構成する各部材の材質に基づく固有の熱定数及び寸法をそれぞれ与え、前記部材のうち熱定数が未知なもの、例えば土壌については仮の熱定数の値をパラメータとしてあてはめ、
   前記熱定数および前記仮の熱定数を用いて、ケーブル発熱量が等価となる一定電流値を用いて計算した定常状態での前記断面内の温度分布を一旦計算し、
   求められた前記温度分布から前記温度測定位置の空管路温度の計算値を読み取り、
   前記導体温度推定位置においてこの空管路温度計算値と測定された空管路温度との誤差が最も小さくなるように、前記パラメータとされた仮の熱定数の最適値を求め、
   この熱定数の最適値を用いて任意の負荷電流パターンに対して前記断面内温度分布を計算し、
   この断面内温度分布に基づいて前記ケーブルの導体の温度を求めることを特徴とする、ケーブル導体温度推定方法。
2. 前記ケーブルの布設方向の温度分布の測定および仮の熱定数であるパラメータの最適値の推定は、前記空管路内に布設された光ファイバまたは熱電対等の温度センサによって行なわれる、請求項１のケーブル導体温度推定方法。
3. 前記所定の時間範囲および前記所定の時間間隔が１時間、１日または１週間である、請求項１、２のケーブル導体温度推定方法。
4. 接続部を有するケーブルを通した管路の他に空管路を有するケーブル線路の、前記管路に通した前記ケーブルの導体の温度を推定する装置であって、
   前記ケーブルの布設方向に沿って前記空管路内に設けられた温度センサと、
   前記温度センサに接続され、前記温度センサからの温度信号に基づき前記ケーブル布設方向に沿った温度分布を求めることができる温度測定ユニットと、
   前記ケーブル又は前記接続部に設置された電流センサと、
   前記電流センサに接続された負荷電流測定ユニットと、
   前記負荷電流測定ユニットおよび前記温度測定ユニットに接続された信号伝送装置と、
   前記信号伝送装置に接続された信号受信装置と、
   前記信号受信装置に接続された温度解析装置から成り、
   前記信号伝送装置は前記負荷電流測定ユニットからの電流信号、および前記温度測定ユニットからの温度信号を、前記信号受信装置に伝送するものであり、
   前記信号受信装置は前記信号伝送装置から伝送された所要の信号を受信して前記温度解析装置へ出力するものであり、
   前記温度解析装置は、前記信号受信装置からの信号に基づき、前記測定された温度が前記方向で最も高くなる箇所を導体温度推定位置として定めること、
   前記温度測定を行なったそれぞれの位置を含む前記ケーブル及びその周囲の断面が温度解析断面として選ばれ、この断面を有限の要素に分割して、この要素にそれを構成する各部材の性質及び寸法に基づく熱定数がそれぞれ与えられ、前記部材のうち熱定数が未知なものについては仮の熱定数の値が与えられるとき、事前に与えた、あるいは前記信号受信装置からの電流信号に基づき、所定の時間範囲内で実測された負荷電流に対する前記ケーブルの発熱量と等しい発熱量を与えるような一定の負荷電流の特定の値を、有限要素熱解析モデルに対して与えることにより、この条件の下に定常状態での前記断面内の温度分布を計算すること、計算された前記温度分布から前記温度測定位置の温度の計算値を取り出し、１以上の前記空管路温度測定位置において温度の前記計算値と前記測定された空管路温度との誤差が最も小さくなるように、前記パラメータとされた仮の熱定数の最適値を求めること、
   そして、この熱定数の最適値を用いて任意の負荷電流パターンに対して前記断面内の温度分布の時間変化を計算するものであり、
   この温度分布に基づいて前記ケーブルの導体の温度を推定することを特徴とする、ケーブル導体温度推定装置。
5. 前記光ファイバまたは熱電対等の温度センサが前記空管路内に設けられた、請求項１のケーブル導体温度推定装置。

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