真模型的边界条件参数。
[0040]建立仿真模型时，需要详细考虑电缆试验平台中电缆的电缆结构、敷设方式、排列方式、环境参数等影响参数，其中，环境参数包括环境温度、地温、土壤热阻系数和周围物质导热系数等。在设置边界条件参数时，考虑热的传导、对流以及辐射等的符合实际敷设条件的参数，如深层土壤温度、两侧远处土壤温度、对流换热系数等。
[0041]3)根据仿真模型计算电缆在通过设定电流时的计算温度场。计算电缆在通过设定电流时的计算温度场前，设置设定电流，并设置电缆各层的热流，电缆各层包括电缆导体、金属屏蔽、铠装和外皮。通过计算温度场获得电缆导体、金属屏蔽、铠装和外皮的温度计算值。
[0042]4)以设定电流通入电缆试验平台的电缆中，通过无源无线声表面波测温系统测量得电缆在通过设定电流时的电缆各层的温度测量值，电缆各层包括电缆导体、金属屏蔽、铠装和外皮，从而获得试验温度场。
[0043]5)获得计算温度场与试验温度场的误差，判断该误差是否在允许范围内，若是，则执行步骤6)，若否，则执行误差分析，根据分析结果调节仿真模型和/或无源无线声表面波测温系统，返回步骤3)。
[0044]由于电缆导体、绝缘、金属屏蔽、钢带铠装以及外皮均会产生热损耗，形成热流，因此温度计算值和试验值对比需要在这些结构层进行，且绝缘和金属屏蔽热流可合并比较。如在通某一恒定电流的情况下电缆各层温度计算值和试验值的温度差在允许误差范围内，则表明理论计算准确，仿真模型可行，从而可以继续计算电缆的载流极限即载流量，如果误差值超出允许范围，则需要对理论计算和试验测试进行误差分析，找到误差大的原因，排除该原因后重新计算和测试。
[0045]6)根据仿真模型计算电缆载流极限。
[0046]如图2所示，无源无线声表面波测温系统包括依次连接的无源无线温度传感器1、阅读器2、光纤通讯网络3和监控后台4，无源无线温度传感器I设有多个，分布设置于电缆试验平台中。各无源无线温度传感器I和相应的阅读器2的距离不大于3米。
[0047]无源无线声表面波测温系统的工作原理为:401)监控后台控制阅读器以设定时间间隔向无源无线温度传感器发射射频访问脉冲信号，无源无线温度传感器返回呈阻尼衰减的反映温度信息的振荡信号，该振荡信号的中心频率为谐振器的谐振频率，而该谐振频率与传感器的压电基片的温度(电缆各层的温度)有关，谐振频率的改变随温度的改变在一定温度范围内呈稳定线性关系，因此可通过测量返回无线信号的频率变化得到温度值;402)阅读器对接收到的振荡信号进行解调后获得电缆各层的温度测量值，返回给监控后台；
403)监控后台根据电缆各层的温度测量值生成电缆的试验温度场。试验中，通过试验电流源对导体通以恒定电流，将电缆导体温度上升到一定程度并连续在5小时内变化不大于1°C作为电缆导体温度达到稳定状态的判断标准。
[0048]阅读器2包括依次连接的微处理器201、微控制器202、信号控制器203、D/A转换器204、第一信号放大器205、信号发射与接收器206、第二信号放大器207、A/D转换器208和信号解调器209，信号解调器209与微控制器202连接，微处理器201通过光纤通讯网络3与监控后台4连接，信号发射与接收器206通过无线网络与无源无线温度传感器I。
[0049]—个阅读器可同时和12个无源无线温度传感器进行无线通讯，频率范围在424.5MHz?442.0MHz，分成12个频段，用于12个传感器。如图4所示，无源无线声表面波测温系统中设置有三个阅读器，其中，阅读器a和阅读器c分别和8个无源无线温度传感器进行无线通信，8个无源无线温度传感器分别为3个测三相导体温度、3个测三相金属屏蔽温度、I个测铠装温度、I个测外皮温度。阅读器b和5个无源无线温度传感器进行无线通信，其中5个无源无线温度传感器分别为I个测电缆外皮温度、I个测敷设沟槽环境温度、3个分别测沟底及两侧的土壤温度。如此，电缆三相导体、三相金属屏蔽分别设置了2个测温点，铠装设置了2个测温点，外皮设置了3个测温点，分别取其平均值为温度测量结果。
[0050]无源无线温度传感器采用石英YX切压电晶体，为谐振型传感器。无源无线温度传感器原理如图3所示，环境温度的改变会引起压电材料中声表面波动特性的改变，谐振型传感器中，压电基片上的叉指换能器通过逆压电效应将输入的无线信号(由阅读器发来)转变成声波信号，通过反射栅反射形成谐振，谐振频率的大小与环境温度相对应，当同一个叉指换能器通过压电效应将谐振声波电磁波信号转变成无线信号输出后，即可得到温度值。
【主权项】
1.一种基于数值仿真和无源无线测温的电缆载流极限确定方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)建立电缆试验平台； 2)采用ANSYS软件根据电缆试验平台中电缆的敷设方式及环境参数建立仿真模型，并设置该仿真模型的边界条件参数； 3)根据仿真模型计算电缆在通过设定电流时的计算温度场； 4)以所述设定电流通入电缆试验平台的电缆中，通过无源无线声表面波测温系统测量得电缆在通过设定电流时的试验温度场； 5)获得计算温度场与试验温度场的误差，判断该误差是否在允许范围内，若是，则执行步骤6)，若否，则执行误差分析，根据分析结果调节仿真模型和/或无源无线声表面波测温系统，返回步骤3); 6)根据仿真模型计算电缆载流极限。2.根据权利要求1所述的基于数值仿真和无源无线测温的电缆载流极限确定方法，其特征在于，所述电缆试验平台包括相连接的电缆和试验电流源，并设置相应的敷设环境。3.根据权利要求1所述的基于数值仿真和无源无线测温的电缆载流极限确定方法，其特征在于，所述环境参数包括环境温度、地温、土壤热阻系数和周围物质导热系数。4.根据权利要求1所述的基于数值仿真和无源无线测温的电缆载流极限确定方法，其特征在于，所述步骤3)中，计算电缆在通过设定电流时的计算温度场前，设置设定电流，并设置电缆各层的热流，所述电缆各层包括电缆导体、金属屏蔽、铠装和外皮。5.根据权利要求4所述的基于数值仿真和无源无线测温的电缆载流极限确定方法，其特征在于，所述步骤3)中，通过计算温度场获得电缆导体、金属屏蔽、铠装和外皮的温度计算值。6.根据权利要求1所述的基于数值仿真和无源无线测温的电缆载流极限确定方法，其特征在于，所述无源无线声表面波测温系统包括依次连接的无源无线温度传感器、阅读器、光纤通讯网络和监控后台，所述无源无线温度传感器设有多个，分布设置于电缆试验平台中。7.根据权利要求6所述的基于数值仿真和无源无线测温的电缆载流极限确定方法，其特征在于，所述步骤4)中，无源无线声表面波测温系统测量得电缆在通过设定电流时的试验温度场的具体过程为: 401)监控后台控制阅读器以设定时间间隔向无源无线温度传感器发射射频访问脉冲信号，无源无线温度传感器返回反映温度信息的振荡信号； 402)阅读器对接收到的振荡信号进行解调后获得电缆各层的温度测量值，返回给监控后台，所述电缆各层包括电缆导体、金属屏蔽、铠装和外皮； 403)监控后台根据电缆各层的温度测量值生成电缆的试验温度场。8.根据权利要求6所述的基于数值仿真和无源无线测温的电缆载流极限确定方法，其特征在于，所述阅读器包括依次连接的微处理器、微控制器、信号控制器、D/A转换器、第一信号放大器、信号发射与接收器、第二信号放大器、A/D转换器和信号解调器，所述信号解调器与微控制器连接，所述微处理器通过光纤通讯网络与监控后台连接，所述信号发射与接收器通过无线网络与无源无线温度传感器。9.根据权利要求6所述的基于数值仿真和无源无线测温的电缆载流极限确定方法，其特征在于，所述无源无线温度传感器为谐振型温度传感器。
【专利摘要】本发明涉及一种基于数值仿真和无源无线测温的电缆载流极限确定方法，包括以下步骤：1)建立电缆试验平台；2)采用ANSYS软件根据电缆试验平台中电缆的敷设方式及环境参数建立仿真模型，并设置边界条件参数；3)根据仿真模型计算电缆在通过设定电流时的计算温度场；4)以所述设定电流通入电缆试验平台的电缆中，通过无源无线声表面波测温系统测量得电缆在通过设定电流时的试验温度场；5)获得计算温度场与试验温度场的误差，判断该误差是否在允许范围内，若是，则根据仿真模型计算电缆载流极限，若否，则执行误差分析，根据分析结果调节仿真模型和/或无源无线声表面波测温系统，返回步骤3)。与现有技术相比，本发明具有有效减小理论计算误差和实验测量误差等优点。
【IPC分类】G01R31/00
【公开号】CN105606923
【申请号】CN201510953304
【发明人】程晓晓, 周宁, 马建伟, 王磊, 张周胜, 尹轶珂
【申请人】国网河南省电力公司电力科学研究院
【公开日】2016年5月25日
【申请日】2015年12月18日