本發(fā)明涉及電力電纜運行
技術領域：
，尤其是涉及一種不依賴表皮溫度的多回電纜暫態(tài)溫升獲取方法。
背景技術：
：1)由于電力電纜運行的特殊性，一般不可能通過直接測量去獲得電力電纜線芯溫度，特別是線芯實時的暫態(tài)溫度，因此技術人員提出了多種方法去計算電力電纜線芯溫度，均為基于數值解和試驗結果的工程公式或近似公式。如基于IEC60287標準是一種經典的計算電力電纜線芯溫度的計算方法、基于數值計算的載流量求解方法。對于實際運行中的電纜采用數值法求解，考慮到工況的復雜性，所需計算量巨大，具體實施中效率很低，需要的計算時間非常長，而在實際運用當中，運行人員希望的是能夠實時獲知電力電纜線芯暫態(tài)溫度，相對于數值計算的時間，這種實時性是無法得到保證的。2)由于計算的限制，因此運行中多采用加裝光線測溫等裝置來獲取電纜表皮溫度，進而推算出電纜線芯溫度的方法，其原理如圖1所示，實際運行中也發(fā)揮了一定的作用。然而該類方法存在結構性缺陷，圖1所示模型的參考溫度為外皮溫度，而此溫度可能由于其他電纜發(fā)熱的影響而顯著變化，不能作為溫度參考基點(例如當本根電纜負荷為零，而其他根電纜負荷不為零時，存在表皮比芯線溫度高的情況，而圖1模型的R1應為負值，這與實際是不一致的)，此外還有一些可靠性若干缺陷：嚴重依賴測溫裝置的健康狀況，測溫偏差、傳輸通訊等缺陷將直接制約電纜設備運行的選擇，考慮到一回電纜存在若干斷面需要進行監(jiān)測，這樣就需要加裝多套測溫裝置，因此整體系統(tǒng)的可靠性極低，這也是目前該類方法無法大范圍直接應用的根本原因；為提高裝置/系統(tǒng)的整體可靠性，需要增強冗余設計、甚至多套并裝的方法，這不僅增大了裝置/系統(tǒng)一次投資，而且給后續(xù)的運行維護帶來了巨大工作量。技術實現要素：本發(fā)明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種不依賴表皮溫度的多回電纜暫態(tài)溫升獲取方法。本發(fā)明的目的可以通過以下技術方案來實現：1.一種不依賴表皮溫度的多回電纜暫態(tài)溫升獲取方法，包括以下步驟：1)構建第i根電纜的自響應集總參數模型，并且分別構建第j根其他電纜對第i根電纜間的互響應集總參數模型；2)根據自響應集總參數模型及第i根電纜實際運行的熱載荷獲取第i根單回電纜的線芯自溫升Tii；3)根據互響應集總參數模型及第j根其他電纜實際運行的熱載荷獲取第j根單回電纜對第i根單回電纜的線芯互溫升Tij；4)對線芯自溫升Tii和所有線芯互溫升Tij求和得到第i根單回電纜的初步暫態(tài)溫升，并對初步暫態(tài)溫升進行修正，得到第i根單回電纜在整個暫態(tài)過程中的暫態(tài)溫升；5)重復步驟1-4)獲取全部電纜在整個暫態(tài)過程中的暫態(tài)溫升。所述的步驟1)中，構建第i根電纜的自響應集總參數模型包括以下步驟：111)獲取第i根電纜的固有系數，包括電纜密度、電纜比熱容、調和導熱系數以及與單回電纜相關土壤的土壤密度、土壤比熱容和土壤換熱系數，并根據固有系數采用有限元計算獲取第i根電纜給定電纜熱載荷與線芯溫升的自響應曲線；112)構建第i根電纜自響應物理模型，并根據第i根電纜的自響應曲線進行擬合，確定自響應物理模型中的自響應參數，包括電纜芯線自身熱容電纜線芯對環(huán)境的等效熱阻斷面等效熱容斷面等效熱容的平衡熱阻以及斷面等效熱阻的平衡熱感113)將自響應參數代入物理模型中，最終獲得第i根電纜的自響應集總參數模型。所述的步驟113)中，第i根電纜的自響應集總參數模型為：其中，為電纜發(fā)熱量，為電纜芯線熱容支路自身的熱流量，為電纜線芯對環(huán)境熱容支路的熱流量，為電纜線芯對環(huán)境熱阻支路的熱流量，Tii為線芯自溫升，為環(huán)境溫度，為中間變量，即電纜線芯對環(huán)境熱容的參考溫升，t為時間。所述的步驟1)中，構建第j根其他電纜對第i根電纜間的互響應集總參數模型包括以下步驟：121)獲取第i根電纜和第j根其他電纜的固有系數，包括電纜密度、電纜比熱容、調和導熱系數以及與單回電纜相關土壤的土壤密度、土壤比熱容和土壤換熱系數，并根據固有系數采用有限元計算獲取給定第j根其他電纜的電纜熱載荷與第i根電纜線芯溫升的互響應曲線；122)構建第j根其他電纜對第i根電纜間的互響應物理模型，并根據互響應曲線進行擬合，確定互響應物理模型中的互響應參數，包括第j根其他電纜線芯對環(huán)境的綜合熱阻以及過渡參數和123)將互響應參數代入物理模型中，最終獲得第j根其他電纜對第i根電纜間的互響應集總參數模型。所述的步驟123)中，第j根其他電纜對第i根電纜間的互響應集總參數模型為：其中，Tij為線芯互溫升，為熱阻的名義溫升，為熱感的名義溫升，為第j根其他電纜的熱載荷，為流經熱容支路的熱流，為流經綜合熱阻支路的熱流，t為時間。所述的步驟4)具體包括以下步驟：41)將當前時刻第i根電纜的初步暫態(tài)溫升與環(huán)境參考溫度求和作為第i根電纜在當前時刻的整體溫度T2；42)根據當前時刻的整體溫度T2獲取第i根電纜在下一時刻的熱載荷值Q1，計算式為：Q1＝Ii2*Ri*(1+k1T2)*k2其中，Ii為第i回電纜的電流量，Ri為第i跟電纜在0℃的直流電阻，k1為電阻的溫度系數，k2為考慮渦流損耗的折算系數；43)根據下一時刻的熱載荷值Q1計算下一時刻的初步暫態(tài)溫升；44)重復步驟41)-43)，最終得到第i根單回電纜在整個暫態(tài)過程中的暫態(tài)溫升。與現有技術相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：一、本發(fā)明實現了不依賴表皮溫度、土壤直埋電纜群暫態(tài)溫升的快速計算，與通行的有限元方法與傳統(tǒng)熱路法相比較，該模型具備可靠的準確度，精煉的結構，具有良好的可擴展性，從而克服數值計算方法時效性差、實時監(jiān)測方法結構缺陷與可靠性差等缺點，為電纜設備實際運行提供直接依據。二、本發(fā)明的模型的確定不依賴于電纜本身發(fā)熱量或電流大小，只與電纜周圍材料的熱特性相關，而一般運行溫度范圍內該類特性可認為基本不變，這樣在變換電纜電流時可直接通過簡單的矩陣和迭代即可獲得滿意的結果。附圖說明圖1為現有單根電力電纜集總參數熱路圖，其中，I1為電纜損耗熱流，U1為線芯溫度，U0為表皮溫度，R1為“線芯-表皮”熱阻，C1為“線芯-表皮”熱容。圖2為單根電力電纜自響應集總參數暫態(tài)熱路圖，其中，I1為電纜1熱載荷；C1為電纜1自身熱容，C2為電纜1斷面等效熱容，R1為電纜1斷面等效熱容的平衡熱阻，R2為電纜1線芯對環(huán)境的等效熱阻，L1為電纜1斷面等效熱阻的平衡熱感。圖3為電纜間溫度互響應集總參數暫態(tài)熱路圖，其中，I2為電纜2熱載荷；R3為“電纜2-電纜1”線芯對環(huán)境的綜合熱阻，L2與C3無明確的物理意義，是用于產生不同的過渡過程，R4為阻尼，用于抑制L1、C1元件可能引起的過沖。圖4為不依賴于表皮溫度的兩根電力電纜集總參數暫態(tài)熱路圖。圖5為本發(fā)明的計算過程圖。圖6為本發(fā)明的兩條電纜的有限元計算模型。圖7為兩種工況下的有限元計算結果，其中，圖(7a)為電纜1溫升與散出熱流計算結果，圖(7b)為電纜1-電纜2”間溫升與熱流計算結果。圖8為參數提取遺傳算法的進化過程圖，其中，圖(8a)為自響應集總參數模型參數提取遺傳算法的進化過程圖，圖(8b)為互響應集總參數模型參數提取遺傳算法的進化過程圖。圖9為本發(fā)明的整體模型。圖10為算例1中本發(fā)明模型計算結果與有限元計算結果的比較，其中，圖(10a)為電纜1計算結果與有限元計算結果的比較，圖(10b)為電纜2計算結果與有限元計算結果的比較。圖11為算例2中的計算模型。圖12為算例2中的4根電纜的暫態(tài)溫升模型。圖13為算例2中的CYMCAP計算結果。圖14為電纜1芯線溫升，本發(fā)明計算與CYMCAP計算的比較圖。圖15各根電纜對電纜1暫態(tài)溫升的影響。圖16為電纜2芯線溫升，本發(fā)明計算與CYMCAP計算的比較圖。圖17各根電纜對電纜2暫態(tài)溫升的影響。圖18為電纜3芯線溫升，本發(fā)明計算與CYMCAP計算的比較圖。圖19各根電纜對電纜3暫態(tài)溫升的影響。圖20為電纜4芯線溫升，本發(fā)明計算與CYMCAP計算的比較圖。圖21各根電纜對電纜4暫態(tài)溫升的影響。具體實施方式下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。實施例：本發(fā)明的原理如下：單回電纜的發(fā)熱主要取決于電纜損耗與所處斷面的熱學特征，前者與運行電流及運行溫度有明確的對應關系，可直接應用；而后者主要取決于斷面的幾何參數、各部分的物理參數，可認為在運行溫度范圍內，物理參數保持不變，這些為模型的建立提供了理論依據。與圖1所示的依賴于表皮溫度測量的單根電纜暫態(tài)溫度模型不同，本發(fā)明申請所提模型的溫度參考點為環(huán)境溫度，模型如圖2和3所示。本發(fā)明根據熱場疊加的原理，考慮采用“分散”求解各電纜自身及相互影響，在結果上(而不是統(tǒng)一的熱路模型上)進行“組合”來反映整體的溫升過程，模型如圖4所示(以兩根電纜為例)。圖4中：1)左上模型為電纜1自身發(fā)熱暫態(tài)溫升子模型，右上為“電纜2-電纜1”溫度響應暫態(tài)子模型，對應節(jié)點數值相加為“電纜1芯線暫態(tài)溫升”，左下為“電纜1-電纜2”溫度響應暫態(tài)子模型，右下模型為電纜2自身發(fā)熱暫態(tài)溫升子模型，對應節(jié)點數值相加為“電纜2芯線暫態(tài)溫升”。2)各參數意義參見圖2、3所述。3)由于對偶關系，除熱負荷外，電纜間溫度響應暫態(tài)子模型參數一致。4)上述模型的確定不依賴于電纜本身發(fā)熱量或電流大小，只與電纜周圍材料的熱特性相關，而一般運行溫度范圍內該類特性可認為基本不變，這樣在變換電纜熱負荷(電流)時就無需重復有限元等數值計算或試驗驗證，直接通過模型計算即可獲得滿意的結果。整體的計算過程如圖5所示，其中單線箭頭部分是分散求解，建立自響應模型與互響應模型；雙線箭頭部分是組合應用，求取線芯溫度。主要步驟包括：1)通過有限元計算，對N根電纜分別單獨施加熱載荷，求取響應過程。2)根據單根熱學模型與N根電纜自身溫升過程，建立自響應的集總參數模型。3)根據N根電纜互影響溫升過程，借鑒降階思路。建立互響應的集總參數模型。4)待解電纜熱載荷，分別輸入自響應模型與互響應模型，得到線芯溫升1與線芯溫升2，兩者相加得到線芯溫升。5)根據線芯溫度修正熱載荷，重復4)過程，得到新的線芯溫度，包括以下步驟：a)根據計算條件，已知環(huán)境參考溫度T0，電流載荷與電纜初始溫度T1下的熱流量，此時該電纜的熱載荷Q0＝Ii2*Ri*(1+k1T1)*k2，其中Ii為第i回電纜的電流量，Ri為第i回電纜在0℃的直流電阻，k1為電阻的溫度系數，k2為考慮渦流等損耗的折算系數，k1與k2可通過查表方式獲得，其余各回電纜均如此。此時，獲得各電纜的初始溫度與熱載荷值。b)根據本算法，獲得t1時刻的電纜i的自響應溫升與互響應溫升后，再加上環(huán)境參考溫度可得到t1時刻的電纜i的整體溫度T2，此時電纜的熱載荷變化為Q1＝Ii2*Ri*(1+k1T2)*k2。c)將b)形成的熱載荷值作為輸入，計算t1+Δt時刻的溫升，進而修正熱載荷。d)以上過程重復，直至計算到暫態(tài)時間結束，即可得到整個暫態(tài)過程中的溫升結果。6)當5)過程線芯溫度-4)過程線芯溫度小于0.1K，即為最終求解結果。具體而言，本發(fā)明的主要步驟包括：(1)有限元計算1)模型說明本方法采用有限元計算，實際應用中也可采用其他數值計算或試驗方法。本例中有限元計算模型如圖6所示。圖中，A1、A2為電纜截面；熱流載流量為階躍波；土壤密度為1500kg/m3，電纜密度為8900kg/m3；土壤比熱容為855J/(kg*K)，電纜比熱容為400J/(kg*K)。考慮到高壓電力電纜往往包含多層結構，而且有些結構層很薄。由于電纜是一個圓柱的軸對稱結構，各個方向熱阻相同，多層的電纜結構可以采用調和平均法進行等效，將多層電纜中導體外各層結構等效為一層等效外護層，上例中調和導熱系數設為23.3W/m2*K，土壤換熱系數為1W/m2*K。2)計算工況設置，選取電纜1與電纜2為同型號，且結構對稱。計算工況為：A)單獨自響應工況：電纜1：0-100(*1000s)，74.96W；電纜2：暫無負載。B)單獨互響應工況：電纜2：0-100(*1000s)，75W；電纜1：暫無負載。3)計算結果計算結果如圖7和表1所示，圖(7a)電纜1散出熱流與芯線暫態(tài)溫升；圖(7b)熱流為通過電纜2的熱流，溫升為“電纜1-電纜2”線芯間的暫態(tài)溫升。表1有限元計算結果(2)模型參數的提取根據同型號與對稱假設，電纜1與電纜2相應參數一致。如非對稱分布、或非同型電纜，兩個自響應模型的參數應該有所區(qū)別，但求解方法與過程均不變。A)自響應集總參數模型，如圖2所示：1)電纜自身熱容C1、C4模型施加熱流為階躍波，幅值為74.96W，由于C1的存在，階躍波與散出熱流存在差異，且滿足下列關系。C1*dU1＝階躍波-散出熱流由此，可得到：C1＝2.669＝C42)電纜線芯對環(huán)境的等效熱阻R2、R6由圖7可知，在(40*1000s)時間后，熱過程趨于穩(wěn)定，結合圖2所示模型可知，此時電纜自身熱容、斷面等效熱容、斷面等效熱阻的平衡熱感均已平衡，因此可得R2。R2＝30.675/74.96＝0.409＝R63)斷面等效熱容C2、斷面等效熱容的平衡熱阻R1、斷面等效熱阻的平衡熱感L1。上述參數反映了斷面熱的過渡過程，根據熱學特性，可令R1*C2＝L1/R2。其中，以上參數的求取采用遺傳算法。a.設置參數范圍取C2∈(0,100)，R1∈(0,1000)，二進制編碼，初始種群數量為200，最大遺傳代數為200，交叉概率0.75，變異概率0.05。b.設置適應度函數根據圖4所示模型的暫態(tài)溫度響應m(i)與圖7(a)所示計算暫態(tài)溫度fem(i)兩條曲線的偏差作為適應度函數，取設置收斂判據：適應度函數小于0.1。圖(8a)為遺傳算法的進化過程。計算結果為：C2＝15.01，R1＝0.160，L1＝0.982。B)互響應集總參數模型，如圖3所示：1)“電纜2-電纜1”線芯對環(huán)境的綜合熱阻R3根據有限元計算結果可知，過渡過程結束后，電纜2芯線溫升為0.983K，電纜1熱負載為74.96W，因此綜合熱阻R3＝0.983/74.96＝0.0132。2)R4、L2、C3由于上述參數無明確的物理意義，僅用于反映了斷面熱傳遞的過渡過程，其求取采用遺傳算法。a.設置參數范圍：取L2∈(0,500)，C3∈(0,500)，R4∈(0,1000)，二進制編碼，初始種群數量為200，最大遺傳代數為100，交叉概率0.75，變異概率0.15。b.設置適應度函數：根據圖4所示模型的暫態(tài)溫度響應m(i)與圖7所示計算暫態(tài)溫度fem(i)兩條曲線的偏差作為適應度函數，取c.設置收斂判據：適應度函數小于0.1或遺傳代數超過50。圖(8b)為遺傳算法的進化過程。計算結果為：C3＝5.408，R4＝4.623，L2＝42.811。C)整體模型本發(fā)明的整體模型如圖9所示，其中，R1＝R5＝0.160，R2＝R6＝0.409，R3＝0.0132，R4＝4.623，C1＝C4＝2.669，C2＝15.01，C3＝5.41，L1＝L3＝0.982，L2＝42.811，I1為電纜1負荷熱流，I2為電纜2負荷熱流。(3)模型的驗證1)驗算1調整電纜1、2熱負荷，將上述模型應用，并與有限元計算相比較，如圖10所示。工況設置為：電纜1：0-50(*1000s)，75W；51-100(*1000s)，0W，均為階躍負荷；電纜2：0-50(*1000s)，75W(階躍)；51-100(*1000s)，75→0W(線性變化)。2)驗算2算例說明：為驗證發(fā)明所提方法的有效性，利用該方法與通用軟件CYMCAP進行了比較。計算模型如圖11所示。模型建立：根據本方法，可建立4根電纜的暫態(tài)溫升模型如圖12所示，模型參數如表2所示。表2模型參數表計算工況如表3所示，均為階躍負載。表3計算工況0-24h24-48h48-72h72-96h電纜1500A500A500A500A電纜2500A1000A1000A750A電纜3500A500A750A1000A電纜4500A1000A1000A500ACYMCAP計算結果比較與各根電纜的暫態(tài)溫升影響如圖13-21所示。當前第1頁1 2 3