一种三芯电缆实时导体温度计算方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于数值计算的三芯电缆实时导体温度计算方法，包括以下步骤：(1)将完整三芯电缆暂态热路模型化简为只含有一个等效热容、等效热阻的最简暂态热路模型；(2)类比一阶电路暂态响应，分别从只考虑电流变化和外皮温度变化得到导体温度与负荷电流和外皮温度的关系从而得到只考虑电流变化、外皮温度变化引起导体的温升；(3)根据初始时刻的电流计算其产生的稳态温升和介质损耗引起的温升；(4)计算初始时刻开始2小时(电缆热时间常数)内n次电流和外皮温度变化引起的温升；(5)将初始时刻外皮温度和上述所有温升求和即得到当前时候三芯电缆导体温度。
【专利说明】一种三芯电缆实时导体温度计算方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种利用三芯电缆负荷电流和外皮温度计算其实时导体温度的方法，特别涉及一种化简为一个等效热容和热阻的最简热路模型下通过解析算法直接得到三芯电缆实时导体温度的计算方法。
【背景技术】
[0002]电缆的导体温度(绝缘材料的温度)直接决定其运行状态，长期超过和低于绝缘材料允许工作温度都不利于充分发挥电缆能力。因此，监测电缆导体温度有重要的意义。由于电缆导体加载工频高电压(如1kV)，目前尚难以在技术上实现直接对运行电缆导体温度的准确测量，但对电缆外皮温度的测量及监测已经相当成熟，如采用分布式光纤测温系统测量运行电缆的外皮温度。通过测量电缆外皮温度反推出电缆导体温度可以忽略外部环境热阻变化，从而使结果更加准确。
[0003]实际运行中，电缆负荷电流是实时变化的，电缆各层温度也是实时变化的但由于电缆热容、热阻的存在会使温度响应滞后于电流响应。如利用当前或稳态电流反推导体温度的传统计算方法势必产生较大的误差。这对于要求配电设备精细化管理的今天显然已不适用。通过外皮温度和负荷电流实现对三芯电缆导体温度的实时计算，不仅可以实现对电缆导体温度的在线监测，而且可以针对目前电缆运行温度，适当调整电缆的负荷电流，对运行电缆在线监测及提高电缆输电效率有重要的意义。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于克服现有方法和技术的缺点与不足，提供一种基于最简热路的三芯电缆实时导体温度计算方法。该方法将三芯电缆完整暂态热路模型逐步化简为一个热容和一个热阻的最简形式，利用三芯电缆外皮温度和负荷电流更加准确地计算实时导体温度。
[0005]本发明的目的通过下述技术方案实现:基于最简热路的三芯电缆实时导体温度计算方法，包括以下步骤:
[0006](I)根据三芯电缆结构得出只考虑电流变化完整三芯电缆暂态的等效热路模型，如图1所示；
[0007](2)将完整三芯电缆暂态热路模型化简为二阶暂态热路模型，如图2所示；
[0008](3)将二阶暂态热路化简只含有一个等效热容和一个等效热阻的最简暂态热路模型，如图3所示，而只考虑外皮温度变化的最简暂态热路如图4所示；
[0009](4)类比一阶电路暂态响应，只考虑负荷电流变化，求解得到导体温度与负荷电流的关系；只考虑外皮温度变化，求解得到导体温度与外皮温度的关系；
[0010](5)根据步骤⑷中得出的导体温度与负荷电流的关系、导体温度与外皮温度的关系，得到分别只考虑电流变化引起的导体温升和只考虑外皮温度变化时导体温升的解析表达式；
[0011](6)根据初始时刻的电流计算其产生的稳态温升；
[0012](7)计算介质损耗引起的温升；
[0013](8)根据三芯电缆热时间常数确定2小时内电流变化对三芯电缆导体温度有影响；
[0014](9)根据步骤(5)得到的公式计算初始时刻开始2小时内η次电流和外皮温度变化引起的温升；
[0015](10)将初始时刻外皮温度和步骤(6)、(7)、(9)得到的结果求和即得到当前时候三芯电缆导体温度。
[0016]步骤(4)中，所述只考虑负荷电流变化时导体温度与负荷电流关系为:
【权利要求】
1.一种三芯电缆实时导体温度计算方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)根据三芯电缆结构得出只考虑电流变化的完整三芯电缆暂态的等效热路模型； (2)将所述只考虑电流变化的完整三芯电缆暂态的等效热路模型化简为二阶暂态热路模型，将所述二阶暂态热路模型化简为最简热路模型，所述最简热路模型只具有一个等效热容和等效热阻； (3)类比一阶电路暂态响应，得到只考虑电流变化时导体温度和负荷电流的关系，只考虑外皮温度变化时导体温度和外皮温度的关系； (4)根据步骤(3)中得出的导体温度和负荷电流的关系以及导体温度和外皮温度的关系，分别得到只考虑电流变化引起的导体温升的解析表达式以及只考虑外皮温度变化时导体温升的解析表达式； (5)根据初始时刻的电流计算其产生的稳态温升； (6)计算介质损耗引起的温升； (7)根据三芯电缆热时间常数判断2小时内电流变化对三芯电缆导体温度有影响； (8)根据步骤(4)得到的只考虑电流变化引起的导体温升的解析表达式以及只考虑外皮温度变化时导体温升的解析表达式，计算初始时刻开始2小时内η次电流和外皮温度变化引起的温升； (9)将初始时刻外皮温度、步骤(5)、步骤(6)和步骤(8)得到的结果求和，即得到三芯电缆的实时导体温度。
2.根据权利要求1所述的三芯电缆实时导体温度计算方法，其特征在于，步骤(1)中得到只考虑电流变化的三芯电缆完整暂态热路模型。
3.根据权利要求1所述的三芯电缆实时导体温度计算方法，其特征在于，步骤(2)中得到只考虑电流变化的二阶三芯电缆暂态热路模型，其中，等效热阻和热容的计算公式为:
T1 =^+Τ,；
3
Tb = QsT3 ;
其中，τΑ、τΒ、?\、T2和T3分别为二阶暂态热路第一等效热阻、第二等效热阻、效绝缘层、内衬层和外护层热阻；(^和Qb分别为二阶暂态等效热路第一等效热容和第二等效热容；Q。、Qi和Qn分别为导体、绝缘层和内衬层热容；qs、P和P’分别为热阻分配系数、第一热容分配系数和第二热容分配系数。
4.根据权利要求1所述的三芯电缆实时导体温度计算方法，其特征在于，步骤(2)中将二阶三芯电缆暂态热路模型化简为只有一个等效热容和一个等效热阻的最简热路模型；其中，等效热阻和等效热容的计算公式为:
T = TA+TB ；
其中，T和Q分别为最简热路模型的等效热阻和最简热路模型的等效热容。
5.根据权利要求1所述的三芯电缆实时导体温度计算方法，其特征在于，步骤(3)中分别从只考虑电流变化和外皮温度变化两个角度获取导体温度与二者的关系；其关系表达式分别为:
其中，Θ。⑴和Θ w(t)分别为导体和外皮实时温度；W。为热流；Θ w为外皮初始温度；t为时间。
6.根据权利要求1所述的三芯电缆实时导体温度计算方法，其特征在于，步骤(4)中得到的得到分别只考虑电流变化引起的导体温升和只考虑外皮温度变化时导体温升的解析表达式为:
其中，Δ 0c(t)和Λ 0w(t)分别为导体和外皮温升；R为电阻；ΛΙ为变化电流。
7.根据权利要求1所述的三芯电缆实时导体温度计算方法，其特征在于，步骤(7)中，当确定三芯电缆热时间常数为2小时时，则设定2小时内电流变化对三芯电缆导体温度有影响。
8.根据权利要求1所述的三芯电缆实时导体温度计算方法，其特征在于，步骤(8)中得到初始时刻开始2小时内η次电流和外皮温度变化引起的温升计算公式为:
Δ Θ (t) = Δ Θ cl(t) + A Θ c2(t)+...Δ Θ cn(t) + A θ Wl(t) + A θ w2(t)+...Δ θ m(t)； 其中，Δ 0cl(t)为第一次电流温升，Δ 0c2(t)为第二次电流温升，Δ 0cn(t)为第η次电流温升，Δ 0wl (t)为第一次外皮温升，Δ 0w2(t)为第二次电流温升，Δ 0m(t)为第η次电流温升，η为自然数。
9.根据权利要求1所述的三芯电缆实时导体温度计算方法，其特征在于，步骤(9)中得到当前三芯电缆导体温度公式为: θ(? = θν^3Ι^{Τι+Τβ)+θιΙ+ΑΘ(?; 其中，Θ w(l为初始外皮温度；Θ cd为介质损耗引起温升；Λ Θ⑴导体总温升。
【文档编号】G01K7/16GK104198077SQ201410436774
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年8月29日 优先权日:2014年8月29日
【发明者】牛海清, 庄小亮, 叶开发 申请人:华南理工大学