本發(fā)明涉及一種根據(jù)電纜溫度反推電纜實際載流量的方法，特別涉及了一種基于電磁-熱耦合的雙層迭代算法。
背景技術(shù)：
：隨著高壓電力電纜在我國城市電網(wǎng)改造過程中的廣泛應(yīng)用，用來連接兩段電纜的中間接頭數(shù)量也隨之大幅增長。然而，電力系統(tǒng)多年的運(yùn)行經(jīng)驗表明，由于電纜接頭制作不規(guī)范或敷設(shè)環(huán)境惡劣等原因，其內(nèi)部接觸電阻往往過大，當(dāng)電纜載流量過大時，容易導(dǎo)致電纜接頭局部過熱，由此引起的電纜斷路、短路、爆炸甚至引發(fā)重大火災(zāi)事故的案例屢見不鮮。因此需要一個有效的方法對電纜的載流量和溫度進(jìn)行監(jiān)測。通過溫度檢測電纜載流量的原理為：電纜單位時間產(chǎn)生的功率為，其中R為電纜接頭處電阻，I為電纜此時的載流量。由此公式可知，當(dāng)電纜載流量過大時，會導(dǎo)致功率變大，從而導(dǎo)致電纜溫度升高，嚴(yán)重時會導(dǎo)致電纜斷路，斷路甚至爆炸。通過對電纜溫度的監(jiān)測，根據(jù)溫度反推電纜載流量，從而達(dá)到對電纜載流量的監(jiān)測。目前在對電纜溫度場進(jìn)行計算時，很少考慮其電磁損耗以及金屬電導(dǎo)率隨溫度的變化，而實際情況下，為了能更準(zhǔn)確地通過溫度估算電纜載流量，這些因素都不能忽略。因此在基于電纜接頭三維模型的基礎(chǔ)上，從溫度場和電磁場的角度出發(fā)，通過雙層迭代的方法對不同載流量下電纜接頭的溫度進(jìn)行計算，符合實際情況，能夠?qū)﹄娎|接頭載流量的大小提供參考依據(jù)。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明針對電纜不同載流量下溫度場的計算，提供了一種電磁-熱耦合的雙層迭代算法，在得出大量數(shù)據(jù)后，依據(jù)數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，由溫度直接反推出電纜載流量的大小。為了實現(xiàn)上述目的本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種電纜接頭實時載流量計算方法，包括以下步驟：步驟一，搭建電纜接頭的三維模型；步驟二，采用四面體單元對步驟一搭建的三維模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分；步驟三，給定初始溫度T(0)，根據(jù)公式分別計算導(dǎo)體和屏蔽層銅材料的電導(dǎo)率，并結(jié)合電磁場控制方程及施加的電磁邊界條件計算電纜接頭的電磁場分布；判斷相鄰兩次計算結(jié)果差值是否滿足控制精度要求，若不滿足，令迭代次數(shù)m＝m+1，重新計算電磁場分布，直至相鄰兩次迭代計算結(jié)果差值滿足控制精度要求；步驟四，根據(jù)以下公式計算單位體積生熱率Qv；J=▿×1μ▿×A]]>Qv=1σ|J|2]]>式中，J為包括源電流密度及渦流電流密度的總電流密度，A為矢量磁位，為哈密頓算子；步驟五，將單位體積生熱率Qv載入溫度場控制方程中結(jié)合施加的溫度邊界條件，計算得到電纜接頭的溫度場分布，判斷相鄰兩次迭代計算溫度差值是否滿足控制精度要求，若不滿足，根據(jù)計算得到的溫度分布情況更新導(dǎo)體的電導(dǎo)率值，同時令迭代次數(shù)n＝n+1，再計算溫度場分布，重復(fù)上述過程，直至相鄰兩次迭代計算溫度差值滿足控制精度要求；步驟六，根據(jù)上述計算過程計算多種不同載流量下的電纜溫度；步驟七，根據(jù)步驟六獲得的數(shù)據(jù)，分析得到電纜載流量I計算公式為：I=(θc-θa)-Wd(0.5T1+T2+T3)R[T1+(1+λ1)T2+(1+λ1+λ2)T3]]]>其中，R是導(dǎo)體交流電阻，Wd是導(dǎo)體損耗，T1，T2，T3分別是絕緣層熱阻，內(nèi)襯層熱阻和外被層熱阻；λ1，λ2分別是金屬護(hù)套損耗，鎧裝損耗與導(dǎo)體損耗之比；θc是電纜溫度，θa是環(huán)境溫度。步驟二所述有限元網(wǎng)格劃分，采用對模型溫度梯度變化較大的區(qū)域進(jìn)行加密網(wǎng)格劃分，其它區(qū)域則進(jìn)行稍大網(wǎng)格劃分。首先，本發(fā)明準(zhǔn)確的繪制出了電纜接頭的三維模型，相比于現(xiàn)在常用的運(yùn)用同心圓替代的方法而言，極大的提高了計算的準(zhǔn)確度；其次運(yùn)用雙層迭代的方法計算電纜的發(fā)熱量，考慮了溫度對電纜材料性能的影響，計算結(jié)果更加準(zhǔn)確。因此在此基礎(chǔ)上的基于溫度反推電纜接頭載流量的計算結(jié)構(gòu)也會更加準(zhǔn)確。附圖說明圖1為本發(fā)明的電纜模型示意圖；圖2為本發(fā)明的電纜三維網(wǎng)格剖分示意圖；圖3為本發(fā)明的電磁-熱耦合雙層迭代算法流程圖；圖4為本發(fā)明的不同載流量下電纜導(dǎo)體的溫度場分布；圖5為電纜纜芯溫度的擬合曲線圖6為電纜表面溫度的擬合曲線。具體實施方式參見圖1，以型號為8.7/15kVYJV1×400的XLPE電力電纜冷縮式直通接頭為例，在COMSOL中搭建出電纜接頭的三維模型；并采用四面體單元對電纜接頭模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分后的網(wǎng)格剖分示意圖參加圖2。為了加強(qiáng)迭代計算過程中的收斂性和提高計算的精度，網(wǎng)格劃分采用不均分網(wǎng)格的劃分方式，即對模型溫度梯度變化較大的區(qū)域如導(dǎo)體和屏蔽層附近加密網(wǎng)格劃分，其它區(qū)域適當(dāng)放大一些。參見圖3，根據(jù)流程圖，首先由環(huán)境初始溫度T(0)和公式分別計算導(dǎo)體和屏蔽層銅材料的電導(dǎo)率(σ表示導(dǎo)體電導(dǎo)率或者屏蔽層銅材料電導(dǎo)率)，并結(jié)合電磁場控制方程及施加的電磁邊界條件計算電纜接頭的電磁場分布，判斷相鄰兩次計算結(jié)果差值是否控制精度要求，若不滿足，令迭代次數(shù)m＝m+1，重新計算電磁場分布，直至相鄰兩次迭代計算結(jié)果差值滿足控制精度要求；將由電磁場分析模型中計算得到的單位體積生熱率Qv載入溫度場分析模型中，并結(jié)合施加的溫度邊界條件計算得到電纜接頭的溫度場分布，判斷相鄰兩次迭代計算溫度差值是否滿足控制精度要求，若不滿足，根據(jù)計算得到的溫度分布情況更新銅材料的電導(dǎo)率值，同時令迭代次數(shù)n＝n+1，再計算溫度場分布，重復(fù)上述過程，直至相鄰兩次迭代計算溫度差值滿足控制精度要求，仿真結(jié)束，保存仿真結(jié)果，并轉(zhuǎn)入后處理，進(jìn)行仿真結(jié)果的讀取與查看等操作。依據(jù)上述計算模型，計算多種載流量下的電纜溫度。由于電纜導(dǎo)體的溫升等于與電纜載流量損耗有關(guān)的溫升，即：Δθ＝θc-θa；其中，θc是電纜溫度，θa是環(huán)境溫度，△θ表示環(huán)境溫度和電纜溫度的溫度差。電纜載流量計算公式為：其中，R是導(dǎo)體交流電阻，Wd是導(dǎo)體損耗，T1，T2，T3分別是導(dǎo)體絕緣，外半導(dǎo)電層和電纜護(hù)套，λ1，λ2分別是金屬護(hù)套損耗，鎧裝損耗與導(dǎo)體損耗之比。上述涉及的電磁場控制方程和施加的電磁邊界條件具體情況如下：1)電磁場控制方程在以上假設(shè)條件下，根據(jù)麥克斯韋方程組，并引入矢量磁位A，得其控制方程的向量形式為：(▿·1μ▿)A=-Js+jωσA]]>式中，μ為磁導(dǎo)率，H/m；A為矢量磁位；σ為電導(dǎo)率，S/m；Js為外加電流密度，A/m2；ω為角頻率，rad/s，為哈密頓算子。同時，電力電纜金屬部分的電導(dǎo)率與溫度之間滿足以下關(guān)系：σ=σ201+α(T-20)]]>式中，σ為當(dāng)前溫度下的電導(dǎo)率，S/m；σ20為20℃下的電導(dǎo)率，S/m；α為電導(dǎo)率隨溫度變化的溫度系數(shù)，1/℃；T為金屬導(dǎo)體當(dāng)前溫度，℃。2)電磁場邊界條件矢量磁位A在電纜導(dǎo)體外部空間快速衰減，距離電纜表面處0.5m處其數(shù)值大小為約為0，即空氣域外邊界條件為：A＝0軸向距離接頭中心一定距離的徑向截面為磁絕緣邊界，即n×A＝0式中，n為邊界法向量，A為矢量磁位。上述溫度場控制方程和施加的溫度邊界條件具體情況如下：1)溫度場控制方程根據(jù)傳熱學(xué)理論，穩(wěn)態(tài)時電力電纜(包括本體和接頭)內(nèi)部熱傳導(dǎo)控制方程為：▿·(λ▿T)+Qv=0]]>式中，λ為熱導(dǎo)率，W/(m·K)；T為介質(zhì)溫度，℃；Qv為單位體積產(chǎn)熱率，W/m3，為哈密頓算子，·為散度算符。其中，溫度場計算所需Qv可以通過以下方程計算得到。J=▿×1μ▿×A]]>Qv=1σ|J|2]]>式中，J為包括源電流密度及渦流電流密度的總電流密度，A/m2。2)溫度場邊界條件電纜接頭外表面通過自然對流和輻射方式向外界空氣域散熱，其對流散熱邊界可以表示為：-λ∂T∂n=h(Tf-Tamb)]]>式中，h為表面對流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；Tf為發(fā)熱體表面溫度，℃；Tamb為環(huán)境溫度，℃。根據(jù)斯蒂芬-玻爾茲曼定律，電纜表面的輻射散熱邊界可以表示為：-λ∂T∂n=σ0ϵ(Tf4-Tamb4)]]>式中，ε為表面發(fā)射率。λ為熱導(dǎo)率；T為介質(zhì)溫度；σ0＝5.67×10-8為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)W/(m2·K4)。對不同載流量下的電纜溫度進(jìn)行仿真，其仿真結(jié)果參見圖4，具體數(shù)據(jù)見表一。將電纜纜芯溫度和電纜表面溫度對電纜載流量進(jìn)行曲線擬合，則電纜纜芯溫度的擬合曲線為：y1＝0.573x2-2.023x+30.48；而電纜表面溫度的擬合曲線為：y2＝0.23x2-0.742x+27.03。其曲線擬合效果分別參見圖5，圖6。表一500A600A700A800A900A1000A纜芯溫度(℃)34.61639.05344.47450.89658.58067.625表面溫度(℃)29.04830.84133.24135.70938.95642.648當(dāng)前第1頁1 2 3