一種基于有槽盒電纜隧道熱場模型的散熱方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于有槽盒電纜隧道熱場模型的散熱方法，包括以下步驟：1)電纜隧道勘察，獲取電纜隧道各組成部分的參數(shù)；2)建立電纜隧道熱場的數(shù)學模型；3)根據(jù)數(shù)學模型計算出該電纜隧道的發(fā)熱量；4)設計該電力隧道的通風方式和通風系統(tǒng)。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有有效準確的優(yōu)點。
【專利說明】
一種基于有槽盒電纜隧道熱場模型的散熱方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及電力傳輸領域，尤其是涉及一種基于有槽盒電纜隧道熱場模型的散熱方法

【背景技術】
[0002]為了解決日趨嚴峻的供電問題，計劃利用在建的大通道敷設220kV電力電纜。對于過江隧道這一段，目前初步方案是將每條隧道內(nèi)分割的電纜通道作為高壓電纜隧道，敷設220kV電力電纜。
[0003]在隧道的最初方案中并未考慮敷設高壓電力電纜，所以隧道通風散熱的設計也未考慮電力電纜的發(fā)熱量。電力電纜在長期運行中發(fā)熱，導致電纜通道溫度升高，可能影響隧道內(nèi)同一空間中的其它設備的安全運行。另外，該電纜通道的散熱條件與常規(guī)隧道有所不同，常規(guī)隧道上下左右四個面都直接接觸土壤，可以散熱。滬崇蘇隧道中，電纜通道僅一個側面和底部為土壤，頂部為高速公路，另一側為軌道交通通道。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術存在的缺陷而提供有效、準確的一種基于有槽盒電纜隧道熱場模型的散熱方法
[0005]本發(fā)明的目的可以通過以下技術方案來實現(xiàn):
[0006]一種基于有槽盒電纜隧道熱場模型的散熱方法，包括以下步驟:
[0007]I)電纜隧道勘察，獲取電纜隧道各組成部分的參數(shù)；
[0008]2)建立電纜隧道熱場的數(shù)學模型；
[0009]3)根據(jù)數(shù)學模型計算出該電纜隧道的發(fā)熱量；
[0010]4)設計該電力隧道的通風方式和通風系統(tǒng)。
[0011]所述的熱阻由R = d/KA得出，式中R為熱阻，d為熱導體的厚度，A為熱導體截面面積，K為導熱系數(shù)。
[0012]所述的步驟2)中的電纜隧道熱場的數(shù)學模型建立包括以下子步驟:
[0013]21)建立電纜發(fā)熱模型:
[0014]η回電纜散熱功率為:

Ι2σ
[0015]P = n—LC
A
[0016]其中，P為電纜散熱功率，I為載流量，A為電纜線橫截面積，σ為電纜電阻率，L為電纜長度、C為電纜散熱損失系數(shù)取值0.9，η為電纜回程數(shù)；
[0017]22)建立電纜熱損耗模型:
[0018]I2 [RT^Rd+λ JTfRd+λ !+λ 2) (T3+T4)]+Wd[0.STJn(T^TJT4)] = θ r θ c
[0019]其中:
[0020]1:載流量，Θ c:環(huán)境溫度，Θ I:電纜導體溫度，R:工作溫度下的導體交流電阻，Wd:絕緣介質損耗，λ 1:金屬屏蔽損耗因數(shù)，λ 2:金屬鎧裝損耗因數(shù)，T1:導體與金屬護套間絕緣層熱阻，T2:金屬護套與鎧裝層之間內(nèi)襯層熱阻，T3:電纜外護層熱阻，T4:電纜外部熱阻，環(huán)境溫度Θ ^指空氣溫度，假定Θ ^是恒定的，導體溫度Q1指長期工作的最高允許溫度，設為90°C ; Θ i和Θ。都是邊界條件。
[0021]所述的步驟22)中，所述的導體交流電阻R的計算式為:
[0022]R = R' (1+Ys+Yp)
[0023]R' = R0[l+ct 20( Θ-20)]

Y 4
[0024]Ys =----Γ

192 + 0.8XS4
[0025]=8^?-X1'7
R
m.■
[。。26] V =_^陣丫。.31作丫 +_^_
P 192+0.8XJU J AsJ X4p , ”


192 + 0.8X4p ‘
■ 「 -
[0027]Xp2 =8^.-^T-X 1"7
R
[0028]其中:
[0029]R,:最高運行溫度下導體直流電阻，Ys ;集膚效應因數(shù)，Yp:鄰近效應因數(shù)，Rtl:20°C時導體直流電阻，Θ:運行溫度，Ci2tl:20°C時銅導體的溫度系數(shù)，對于圓形緊壓導體Ks= 1，d。:導體直徑，s:各導體軸心之間距離。
[0030]所述的步驟22)中，所述的介質損耗Wd的計算式為:
[0031]Wd =CDCUgtanS
c_exl0~9

dc
[0033]其中:
[0034]ω = 2 π f，U。:對地電壓，ε = 2.3, D1:為絕緣外徑，d。:為內(nèi)屏蔽外徑。
[0035]所述的步驟22)中金屬屏蔽損耗λ i的計算式為:
[0036]+ ^
[0037]
a=IfgA (1+Δ|+?)+
— ■
[0038]β.= L - ^π0>

V 24.824x10.? XlO7
(Υ.74
[0039]gs =1+(^,/),10^-1.6)
[0040]當為三角形排列時則有:
r I 3 _J W2 VdV
[0041 ] 4=3 --J I —
^1 + m 人2s^


/ nN(0.92m+l.66)
[0042]Δ, = (1.14m245 +0.33)— I
[0043]Δ2 = O
[0044]D = ^oe+Dit +Γ
2J
[0045]其中:
[0046]λ ' i = 0，λ " i為渦流損耗，P:金屬護套電阻率，R:金屬護套電阻，ts:金屬護套厚度，D:金屬護套外徑，Doc:皺紋鋁套最大外徑，Dit:皺紋鋁套最小內(nèi)徑。
[0047]所述的步驟22)中電纜內(nèi)部熱阻HT3的計算式為:
Ot ( 2/、
[0048]Tt ~ 1 Ln IH—-
2龍 Vj
[0049]其中:
[0050]Pt、:絕緣材料熱阻系數(shù)，d。:導體直徑h:導體和護套之間的絕緣厚度；
[0051 ] 該電纜沒有鋼鎧，故T2 = O ;
rp Pt.j Doc + 2/,
0052 T3=-^-Ln 7fr: n V3~
2π (AclAJ+f
-2
[0053]其中:
[0054]t3:外護套厚度，Pt,:外護套(非金屬)熱阻系數(shù)，Doc:皺紋鋁套最大外徑。
[0055]所述的步驟22)中電纜外部熱阻!^包括電纜到槽盒內(nèi)壁熱阻T5、槽盒本體熱阻T6、槽盒外壁到空氣的熱阻τ7、空氣到電纜通道內(nèi)壁的熱阻T8、隧道到江底的土壤熱阻T9，所述的Τ5、Τ6、Τ7、Τ8和T9的計算式為:
[。。56] Ts = A^d.-d^djd,)
[0057]T6
A6
T1 ----
[0058]I I I I I


尤7_3為_3
卜―_1_
[0059]I/ + I/
/y?J /78_2

[0060]
2蝴 d.d.
[0061]d, =^AxLxWfn
[0062]T81 = IA1A1
[0063]T8 ! = I/X2A2
[0064]其中:
[0065]A5:夾層內(nèi)外壁的平均散熱面積，Cl1:三相電纜等效直徑，d2:槽盒內(nèi)壁等效直徑，X:夾層的對流換熱系數(shù)，Pt6:槽盒熱阻系數(shù)，A6:槽盒散熱面積，X7—1、X7—2、X7—3:槽盒側面、頂面、底面的對流換熱系數(shù)，A7」、A7 2、A7 3:槽盒側面、頂面、底面的面積，T81:空氣到側壁的熱阻T81:空氣到地面的熱阻，Xp X2:側壁或底部的對流換熱系數(shù)ApA2:側壁或底部的換熱面積，λ 1:土壤導熱系數(shù)，H:隧道深度，dz:圓形隧道外表面的直徑，L和W分別是矩形隧道的高和寬。
[0066]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下特點:
[0067]1、建立模型準確，從實際的現(xiàn)場出發(fā)分析電纜在隧道里的發(fā)熱散熱情況，考慮周全，建模準確。
[0068]2、降溫效果好，通過在隧道內(nèi)部設立吹風機和其他輔助設備，達到降溫的標準。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0069]圖1為本發(fā)明的方法流程圖。

【具體實施方式】
[0070]下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。
[0071]實施例:
[0072]—種基于有槽盒電纜隧道熱場模型的散熱方法，包括以下步驟:
[0073]I)電纜隧道勘察，獲取電纜隧道各組成部分的參數(shù)；
[0074]2)建立電纜隧道熱場的數(shù)學模型:
[0075]3)根據(jù)數(shù)學模型計算出該電纜隧道的發(fā)熱量:
[0076]4)設計該電力隧道的通風方式和通風系統(tǒng)。
[0077]所述的熱阻由R = d/KA得出，式中R為熱阻，d為熱導體的厚度，A為熱導體截面面積，K為導熱系數(shù)。
[0078]所述的步驟2)中的電纜隧道熱場的數(shù)學模型建立包括以下子步驟:
[0079]21)建立電纜發(fā)熱模型:
[0080]η回電纜散熱功率為:
/2σ
[0081]P = n—LC
A
[0082]其中，P為電纜散熱功率，I為載流量，A為電纜線橫截面積，σ為電纜電阻率，L為電纜長度、C為電纜散熱損失系數(shù)取值0.9，η為電纜回程數(shù)；
[0083]22)建立電纜熱損耗模型:
[0084]I2 [RT^Rd+λ JTfRd+λ !+λ 2) (T3+T4)]+Wd[0.STJn(T^TJT4)] = θ r θ c
[0085]其中:
[0086]1:載流量，Θ c:環(huán)境溫度，Θ I:電纜導體溫度，R:工作溫度下的導體交流電阻，Wd:絕緣介質損耗，λ 1:金屬屏蔽損耗因數(shù)，λ 2:金屬鎧裝損耗因數(shù)，T1:導體與金屬護套間絕緣層熱阻，T2:金屬護套與鎧裝層之間內(nèi)襯層熱阻，T3:電纜外護層熱阻，T4:電纜外部熱阻，環(huán)境溫度Θ ^指空氣溫度，假定Θ ^是恒定的，導體溫度Q1指長期工作的最高允許溫度，設為90°C ; Θ i和Θ。都是邊界條件。
[0087]所述的步驟22)中，所述的導體交流電阻R的計算式為:
[0088]R = R' (1+YS+YP)
[0089]R' = R0[l+ct 20( Θ-20)]

X 4
[0090]Y.=-5-r

192 + 0.8XS4
[0091]Xs2 =8^?-X1-7
R
Γ ? ν Xp KV Λ V 1.18
[0092]Y.--^τ 0.312 — +-;-
Ρ 192+0.8X4PU J UJ X4p , 0 2?


192 + 0.8XJ '
[0093]Xp
R
[0094]其中:
[0095]R,:最高運行溫度下導體直流電阻，Ys ;集膚效應因數(shù)，Yp:鄰近效應因數(shù)，Rtl:20°C時導體直流電阻，Θ:運行溫度，Ci2tl:20°C時銅導體的溫度系數(shù)，對于圓形緊壓導體Ks= 1，d。:導體直徑，s:各導體軸心之間距離。
[0096]所述的步驟22)中，所述的介質損耗Wd的計算式為:
[0097]Wd = coCUq tan厶
c SXlO^
[0098]" ISln^
[0099]其:
[0100]ω = 2 f，U。:對地電壓，ε = 2.3, D1:為絕緣外徑，d。:為內(nèi)屏蔽外徑。
[0101]所述的步驟22)中金屬屏蔽損耗λ i的計算式為:
[0102]A1 = ^ + Λ,*
_3] Ai = Y δΑ(?+Λ1 + Δ2)+Ι^.? —
[0104]β 二 1-π<° -
丨 V 24.824x10.? XlO7
( \1Μ
[0105]g, =1+(-^J (^,Di1-3-1.6)
[0106]當為三角形排列時則有:
[。1。7] λ=3(?^?)
// d、(092w+166)
[0108]Δ 丨=(U4m245 +0.33(吾 J
[0109]Δ2 = O
[0110]D -+/

2
[0111]其中:
[0112]λ' 1 = 0，λ" i為渦流損耗，P:金屬護套電阻率，R:金屬護套電阻，ts:金屬護套厚度，D:金屬護套外徑，Doc:皺紋鋁套最大外徑，Dit:皺紋鋁套最小內(nèi)徑。
[0113]所述的步驟22)中電纜內(nèi)部熱阻HT3的計算式為:
Pt ( 2t ^
[0114]T1 =~-Ln I+—
2貧 I dc)
[0115]其中:
[0116]Ρ?:絕緣材料熱阻系數(shù)，d。:導體直徑h:導體和護套之間的絕緣厚度；
[0117]該電纜沒有鋼鎧，故T2 = O ;
[0118]T~Ln
2π [Doc +Dh).2 \
[0119]其中:
[0120]t3:外護套厚度，A1:外護套(非金屬)熱阻系數(shù)，D。。:皺紋鋁套最大外徑。
[0121]空氣和隧道壁、電纜等固體進行的熱交換屬于流體自然對流換熱過程，流體自然對流換熱分為大空間自然對流換熱和有限空間自然對流換熱兩類，所謂大空間自然對流換熱，是指近壁處邊界層的發(fā)展不因空間限制而受到干擾的自然對流換熱，而當空間小到使流體上升和受熱下降運動發(fā)生互相干擾影響時，稱為有限空間自然對流換熱，例如，對于高度h、間隔d的兩塊平行的豎平壁之間的對流換熱，當d/h < 0.33時，流體上升和下降運動互相干擾，必須按有限空間自然對流換熱計算。
[0122]當流體流過與其溫度不相同的壁面時，在壁面附件將形成一層溫度急劇變化的流體薄層，稱為熱邊界層，熱邊界層的流動狀態(tài)分為紊流和層流兩種，這兩種流動狀態(tài)下的對流換熱系數(shù)計算方法也不相同。熱邊界層是紊流還是層流，取決于該溫度下的空氣物性參數(shù)、流體和壁面的溫度差、壁面尺寸形狀、壁面粗糙程度等多種因素。
[0123]有槽盒的情況如圖1所示，所述的步驟22)中電纜外部熱阻T4包括電纜到槽盒內(nèi)壁熱阻T5、槽盒本體熱阻T6、槽盒外壁到空氣的熱阻T7、空氣到電纜通道內(nèi)壁的熱阻T8、隧道到江底的土壤熱阻T9,所述的T5、T6、T7、T8和T9的計算式為:
[01241 Ts =
r Pri
[0125]Τ6--γ-
Λ
τ -_!_
[0126]7 1 , 1 j 1

J ^?_2^1_2 又 7_3 為 _3
γ -_I_
[_] 8" γτ ^yr
「 π τ I , 2Η If 2ηΥ t
[0128]= — In--l.*1 — 一 I
2 砵 d2 J
[0129]dz -^xLxW/π
[0130]T81 = IA1A1
[0131]T81 = I/X2A2
[0132]其中:
[0133]A5:夾層內(nèi)外壁的平均散熱面積，Cl1:三相電纜等效直徑，d2:槽盒內(nèi)壁等效直徑，X:夾層的對流換熱系數(shù)，:槽盒熱阻系數(shù)，A6:槽盒散熱面積，X71, X7 2^X7 3:槽盒側面、頂面、底面的對流換熱系數(shù)，A7」、A7 2、A7 3:槽盒側面、頂面、底面的面積，T81:空氣到側壁的熱阻T81:空氣到地面的熱阻，Xp X2:側壁或底部的對流換熱系數(shù)ApA2:側壁或底部的換熱面積，λ 1:土壤導熱系數(shù)，H:隧道深度，dz:圓形隧道外表面的直徑，L和W分別是矩形隧道的高和寬。
【權利要求】
1.一種基于有槽盒電纜隧道熱場模型的散熱方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)電纜隧道勘察，獲取電纜隧道各組成部分的參數(shù)； 2)建立電纜隧道熱場的數(shù)學模型； 3)根據(jù)數(shù)學模型計算出該電纜隧道的發(fā)熱量； 4)設計該電力隧道的通風方式和通風系統(tǒng)。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種基于有槽盒電纜隧道熱場模型的散熱方法，其特征在于，所述的熱阻由R = d/KA得出，式中R為熱阻，d為熱導體的厚度，A為熱導體截面面積，K為導熱系數(shù)。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種基于有槽盒電纜隧道熱場模型的散熱方法，其特征在于，所述的步驟2)中的電纜隧道熱場的數(shù)學模型建立包括以下子步驟: 21)建立電纜發(fā)熱模型: η回電纜散熱功率為:
Ι2σ
P = n—LC
A 其中，P為電纜散熱功率，I為載流量，A為電纜線橫截面積，σ為電纜電阻率，L為電纜長度、C為電纜散熱損失系數(shù)取值0.9，η為電纜回程數(shù)； 22)建立電纜熱損耗模型:
I2 [RI\+R (1+ λ !) T2+R (1+ λ !+ λ 2) (Τ3+Τ4) ] +Wd [0.δΤ^η (Τ2+Τ3+Τ4) ] = θ「θ c 其中: 1:載流量，環(huán)境溫度，θ1:電纜導體溫度，R:工作溫度下的導體交流電阻，Wd:絕緣介質損耗，λ 1:金屬屏蔽損耗因數(shù)，λ 2:金屬鎧裝損耗因數(shù)，T1:導體與金屬護套間絕緣層熱阻，T2:金屬護套與鎧裝層之間內(nèi)襯層熱阻，T3:電纜外護層熱阻，T4:電纜外部熱阻，環(huán)境溫度Θ ^指空氣溫度，假定Θ ^是恒定的，導體溫度Q1指長期工作的最高允許溫度，設為90°C ; Θ i和Θ。都是邊界條件。
4.根據(jù)權利要求3所述的一種基于有槽盒電纜隧道熱場模型的散熱方法，其特征在于，所述的步驟22)中，所述的導體交流電阻R的計算式為:
R = R' (1+YS+YP)
Ri = Ro[l+a2O(0-2O)]
Y 4 Y -
* _ 192+0.87/
Xs2 =8妒令 XI Ο.7 Yp=-^- Jd^l 0.312^ +_^_ P 192 + 0.8X4pUJ UJ X4p |027


192 + 0.8X*
■ * - Xp =8葶令 XI Ο-7 其中: R1:最高運行溫度下導體直流電阻，Ys;集膚效應因數(shù)，YP:鄰近效應因數(shù)，Rtl:20°C時導體直流電阻，Θ:運行溫度，Ci2tl:20°C時銅導體的溫度系數(shù)，對于圓形緊壓導體Ks = l，d。:導體直徑，s:各導體軸心之間距離。
5.根據(jù)權利要求3所述的一種基于有槽盒電纜隧道熱場模型的散熱方法，其特征在于，所述的步驟22)中，所述的介質損耗Wd的計算式為:
Wd =oCt/02 tan
c = ￡^
181n^
dc 其中: ω = 2 π f，Uc1:對地電壓，ε = 2.3, D1:為絕緣外徑，d。:為內(nèi)屏蔽外徑。
6.根據(jù)權利要求3所述的一種基于有槽盒電纜隧道熱場模型的散熱方法，其特征在于，所述的步驟22)中金屬屏蔽損耗X1的計算式為:
A1 = A1, + A1*
Λ； = 1~(I + A1+ A2)+ -^1-.I ^ R1 2； 12xl012 Α ΓΞ?^ΞΖ
1V 24.824x10"? XlO7
(Y.74 g, =1+(^-1 UAlO'3-1-6) 當為三角形排列時則有:
/\? η、(092^+Ι 66)
\=(1.14?*245 +0.33(吾)
Δ2 = O
2 其中: λ ' I = 0，λ " I為渦流損耗，P:金屬護套電阻率，R:金屬護套電阻，ts:金屬護套厚度，D:金屬護套外徑，Doc:皺紋鋁套最大外徑，Dit:皺紋鋁套最小內(nèi)徑。
7.根據(jù)權利要求3所述的一種基于有槽盒電纜隧道熱場模型的散熱方法，其特征在于，所述的步驟22)中電纜內(nèi)部熱阻TpTyT3的計算式為: T1 =?《fl+么
^ I dc) 其中: Pr,:絕緣材料熱阻系數(shù)，d。:導體直徑h:導體和護套之間的絕緣厚度； 該電纜沒有鋼鎧，故T2 = O ； T^Ln ^^
2π (Z)oc + ^) ~.2 ' 其中: t3:外護套厚度，Ph:外護套(非金屬)熱阻系數(shù)，Doc:皺紋鋁套最大外徑。
8.根據(jù)權利要求3所述的一種基于有槽盒電纜隧道熱場模型的散熱方法，其特征在于，所述的步驟22)中電纜外部熱阻T4包括電纜到槽盒內(nèi)壁熱阻T5、槽盒本體熱阻T6、槽盒外壁到空氣的熱阻T7、空氣到電纜通道內(nèi)壁的熱阻T8、隧道到江底的土壤熱阻T9，所述的T5、T6、T7、T8和T9的計算式為: τ __I_
i =為忒(rf2-<0/ln(rf2/rf,) T6=^- .6 Λτ__I_ II1--—.-.— - H--
尤7_2為_2義7」為J
Λ j+Λ_2
2πλ, d2 \U,J 卜扣LxW/π
T81 = IA1A1
T81 = 1/X2A2 其中: A5:夾層內(nèi)外壁的平均散熱面積，Cl1:三相電纜等效直徑，d2:槽盒內(nèi)壁等效直徑，X:夾層的對流換熱系數(shù)，A1:槽盒熱阻系數(shù)，A6:槽盒散熱面積，X71 > X7—2、X7 3:槽盒側面、頂面、底面的對流換熱系數(shù)，A71, A7 2、A7 3:槽盒側面、頂面、底面的面積，T81:空氣到側壁的熱阻T81:空氣到地面的熱阻，XpX2:側壁或底部的對流換熱系數(shù)ApA2:側壁或底部的換熱面積，入工:土壤導熱系數(shù)，H:隧道深度，dz:圓形隧道外表面的直徑，L和W分別是矩形隧道的高和寬。
【文檔編號】E21F1/02GK104179521SQ201410386341
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年8月7日 優(yōu)先權日:2014年8月7日
【發(fā)明者】李紅雷 申請人:上海電力學院