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      一種不依賴表皮溫度的多回電纜暫態(tài)溫升獲取方法與流程

      文檔序號:12466660閱讀:267來源:國知局
      一種不依賴表皮溫度的多回電纜暫態(tài)溫升獲取方法與流程
      本發(fā)明涉及電力電纜運行
      技術(shù)領(lǐng)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(shù)
      :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(shù)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(shù)值解和試驗結(jié)果的工程公式或近似公式。如基于IEC60287標(biāo)準(zhǔn)是一種經(jīng)典的計算電力電纜線芯溫度的計算方法、基于數(shù)值計算的載流量求解方法。對于實際運行中的電纜采用數(shù)值法求解,考慮到工況的復(fù)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(dāng)中,運行人員希望的是能夠?qū)崟r獲知電力電纜線芯暫態(tài)溫度,相對于數(shù)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(jié)構(gòu)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(dāng)本根電纜負(fù)荷為零,而其他根電纜負(fù)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(yīng)為負(fù)值,這與實際是不一致的),此外還有一些可靠性若干缺陷:嚴(yán)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(shè)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(yīng)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(shè)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(shù)實現(xiàn)要素:本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)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(shù)方案來實現(xiàn):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(gòu)建第i根電纜的自響應(yīng)集總參數(shù)模型,并且分別構(gòu)建第j根其他電纜對第i根電纜間的互響應(yīng)集總參數(shù)模型;2)根據(jù)自響應(yīng)集總參數(shù)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(jù)互響應(yīng)集總參數(shù)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(fù)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(gòu)建第i根電纜的自響應(yīng)集總參數(shù)模型包括以下步驟:111)獲取第i根電纜的固有系數(shù),包括電纜密度、電纜比熱容、調(diào)和導(dǎo)熱系數(shù)以及與單回電纜相關(guān)土壤的土壤密度、土壤比熱容和土壤換熱系數(shù),并根據(jù)固有系數(shù)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(yīng)曲線;112)構(gòu)建第i根電纜自響應(yīng)物理模型,并根據(jù)第i根電纜的自響應(yīng)曲線進行擬合,確定自響應(yīng)物理模型中的自響應(yīng)參數(shù),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(yīng)參數(shù)代入物理模型中,最終獲得第i根電纜的自響應(yīng)集總參數(shù)模型。所述的步驟113)中,第i根電纜的自響應(yīng)集總參數(shù)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(gòu)建第j根其他電纜對第i根電纜間的互響應(yīng)集總參數(shù)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(shù),包括電纜密度、電纜比熱容、調(diào)和導(dǎo)熱系數(shù)以及與單回電纜相關(guān)土壤的土壤密度、土壤比熱容和土壤換熱系數(shù),并根據(jù)固有系數(shù)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(yīng)曲線;122)構(gòu)建第j根其他電纜對第i根電纜間的互響應(yīng)物理模型,并根據(jù)互響應(yīng)曲線進行擬合,確定互響應(yīng)物理模型中的互響應(yīng)參數(shù),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(shù)和123)將互響應(yīng)參數(shù)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(yīng)集總參數(shù)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(yīng)集總參數(shù)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(jīng)熱容支路的熱流,為流經(jīng)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(dāng)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(dāng)前時刻的整體溫度T2;42)根據(jù)當(dāng)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(shù),k2為考慮渦流損耗的折算系數(shù);43)根據(jù)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(fù)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(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明具有以下優(yōu)點:一、本發(fā)明實現(xiàn)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(zhǔn)確度,精煉的結(jié)構(gòu),具有良好的可擴展性,從而克服數(shù)值計算方法時效性差、實時監(jiān)測方法結(jié)構(gòu)缺陷與可靠性差等缺點,為電纜設(shè)備實際運行提供直接依據(jù)。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(guān),而一般運行溫度范圍內(nèi)該類特性可認(rèn)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(jié)果。附圖說明圖1為現(xiàn)有單根電力電纜集總參數(shù)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(yīng)集總參數(shù)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(yīng)集總參數(shù)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(chǎn)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(shù)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(jié)果,其中,圖(7a)為電纜1溫升與散出熱流計算結(jié)果,圖(7b)為電纜1-電纜2”間溫升與熱流計算結(jié)果。圖8為參數(shù)提取遺傳算法的進化過程圖,其中,圖(8a)為自響應(yīng)集總參數(shù)模型參數(shù)提取遺傳算法的進化過程圖,圖(8b)為互響應(yīng)集總參數(shù)模型參數(shù)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(jié)果與有限元計算結(jié)果的比較,其中,圖(10a)為電纜1計算結(jié)果與有限元計算結(jié)果的比較,圖(10b)為電纜2計算結(jié)果與有限元計算結(jié)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(jié)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(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細(xì)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(xué)特征,前者與運行電流及運行溫度有明確的對應(yīng)關(guān)系,可直接應(yīng)用;而后者主要取決于斷面的幾何參數(shù)、各部分的物理參數(shù),可認(rèn)為在運行溫度范圍內(nèi),物理參數(shù)保持不變,這些為模型的建立提供了理論依據(jù)。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(jù)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(jié)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(yīng)暫態(tài)子模型,對應(yīng)節(jié)點數(shù)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(yīng)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(yīng)節(jié)點數(shù)值相加為“電纜2芯線暫態(tài)溫升”。2)各參數(shù)意義參見圖2、3所述。3)由于對偶關(guān)系,除熱負(fù)荷外,電纜間溫度響應(yīng)暫態(tài)子模型參數(shù)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(guān),而一般運行溫度范圍內(nèi)該類特性可認(rèn)為基本不變,這樣在變換電纜熱負(fù)荷(電流)時就無需重復(fù)有限元等數(shù)值計算或試驗驗證,直接通過模型計算即可獲得滿意的結(jié)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(yīng)模型與互響應(yīng)模型;雙線箭頭部分是組合應(yīng)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(yīng)過程。2)根據(jù)單根熱學(xué)模型與N根電纜自身溫升過程,建立自響應(yīng)的集總參數(shù)模型。3)根據(jù)N根電纜互影響溫升過程,借鑒降階思路。建立互響應(yīng)的集總參數(shù)模型。4)待解電纜熱載荷,分別輸入自響應(yīng)模型與互響應(yīng)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(jù)線芯溫度修正熱載荷,重復(fù)4)過程,得到新的線芯溫度,包括以下步驟:a)根據(jù)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(shù),k2為考慮渦流等損耗的折算系數(shù),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(jù)本算法,獲得t1時刻的電纜i的自響應(yīng)溫升與互響應(yīng)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(fù),直至計算到暫態(tài)時間結(jié)束,即可得到整個暫態(tài)過程中的溫升結(jié)果。6)當(dāng)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(jié)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(yīng)用中也可采用其他數(shù)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)??紤]到高壓電力電纜往往包含多層結(jié)構(gòu),而且有些結(jié)構(gòu)層很薄。由于電纜是一個圓柱的軸對稱結(jié)構(gòu),各個方向熱阻相同,多層的電纜結(jié)構(gòu)可以采用調(diào)和平均法進行等效,將多層電纜中導(dǎo)體外各層結(jié)構(gòu)等效為一層等效外護層,上例中調(diào)和導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)為23.3W/m2*K,土壤換熱系數(shù)為1W/m2*K。2)計算工況設(shè)置,選取電纜1與電纜2為同型號,且結(jié)構(gòu)對稱。計算工況為:A)單獨自響應(yīng)工況:電纜1:0-100(*1000s),74.96W;電纜2:暫無負(fù)載。B)單獨互響應(yīng)工況:電纜2:0-100(*1000s),75W;電纜1:暫無負(fù)載。3)計算結(jié)果計算結(jié)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(jié)果(2)模型參數(shù)的提取根據(jù)同型號與對稱假設(shè),電纜1與電纜2相應(yīng)參數(shù)一致。如非對稱分布、或非同型電纜,兩個自響應(yīng)模型的參數(shù)應(yīng)該有所區(qū)別,但求解方法與過程均不變。A)自響應(yīng)集總參數(shù)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(guān)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(jié)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(shù)反映了斷面熱的過渡過程,根據(jù)熱學(xué)特性,可令R1*C2=L1/R2。其中,以上參數(shù)的求取采用遺傳算法。a.設(shè)置參數(shù)范圍取C2∈(0,100),R1∈(0,1000),二進制編碼,初始種群數(shù)量為200,最大遺傳代數(shù)為200,交叉概率0.75,變異概率0.05。b.設(shè)置適應(yīng)度函數(shù)根據(jù)圖4所示模型的暫態(tài)溫度響應(yīng)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(yīng)度函數(shù),取設(shè)置收斂判據(jù):適應(yīng)度函數(shù)小于0.1。圖(8a)為遺傳算法的進化過程。計算結(jié)果為:C2=15.01,R1=0.160,L1=0.982。B)互響應(yīng)集總參數(shù)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(jù)有限元計算結(jié)果可知,過渡過程結(jié)束后,電纜2芯線溫升為0.983K,電纜1熱負(fù)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(shù)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(shè)置參數(shù)范圍:取L2∈(0,500),C3∈(0,500),R4∈(0,1000),二進制編碼,初始種群數(shù)量為200,最大遺傳代數(shù)為100,交叉概率0.75,變異概率0.15。b.設(shè)置適應(yīng)度函數(shù):根據(jù)圖4所示模型的暫態(tài)溫度響應(yīng)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(yīng)度函數(shù),取c.設(shè)置收斂判據(jù):適應(yīng)度函數(shù)小于0.1或遺傳代數(shù)超過50。圖(8b)為遺傳算法的進化過程。計算結(jié)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(fù)荷熱流,I2為電纜2負(fù)荷熱流。(3)模型的驗證1)驗算1調(diào)整電纜1、2熱負(fù)荷,將上述模型應(yīng)用,并與有限元計算相比較,如圖10所示。工況設(shè)置為:電纜1:0-50(*1000s),75W;51-100(*1000s),0W,均為階躍負(fù)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(jù)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(shù)如表2所示。表2模型參數(shù)表計算工況如表3所示,均為階躍負(fù)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(jié)果比較與各根電纜的暫態(tài)溫升影響如圖13-21所示。當(dāng)前第1頁1 2 3 
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