一种电力电缆间接热阶跃实验系统及其实验方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种电力电缆的热阶跃实验系统及其实验方法，特别涉及一种电力电 缆间接热阶跃实验系统及其实验方法。
【背景技术】
[0002] 自20世纪80年代以来，电已经成为人们生产、生活不可或缺的一部分，为了满足 人们日益增长的生产、生活水平对电的需求，国内外的相关研宄人员一直致力于电力的安 全、高效以及可靠传送的研宄。电力一般通过电缆将其从各发电厂、配电所发送至各用电用 户。研宄人员通常通过电力电缆的热动态来了解、研宄其热模型、系统温度、传送电力能力、 寿命以及可靠性等。
[0003] 在分布式电网中的电力实时传送系统中，以及实时利用系统信息提高动态负载管 理能力的智能电网中，电力电缆的热动态分析无疑将发挥越来越重要的作用。目前，热阶跃 实验已成为人们研宄电力电缆中热动态分析的基本途径之一。
[0004] 通常，人们以直接方式进行热阶跃实验，即采用DTSE(直接热阶跃实验）法。由阶 跃的定义可知，在进行DTSE期间，输入电缆的热功率P应保持恒定，P是否稳定以及P的稳 定程度直接决定了 DTSE的成功与否、实验的精度以及可靠性。
[0005] 电力在电缆的传输过程中，流入电缆的热功率P可表示为时间t的函数：
[0006] P(t) = ffd+nlrms2 (t)R0(1+ α 20( Θ (t)-20)) (l+ys+yp) (1+ ? +? a) (I)
[0007] 式中，Wd为电缆的介电损耗；η为电缆的芯核数；I 为电缆传输的电流有效值； Θ⑴为电缆芯核温度；Rtl为20摄氏度时电缆芯核的直流电阻；α 2(|为电缆芯核温度系数； ys为电缆的集肤效应系数；yp电缆的邻近效应系数；γ s为电缆的护套损耗因子；γ a为电缆 的甲损耗因子。
[0008] 对于给定的电缆系统，Wd与电缆传送的电力电压等级（如36kV，IlOkV等）相关， 某一等级内电压的小范围波动对它的影响不大。式（1)中的各系数、因子基本恒定，电缆芯 核温度Θ (t)会随着时间推移而不断变化，直至电缆系统进入热平衡状态，热平衡状态指 的是一个系统的温度不随时间发生变化，处于热平衡状态时，流入系统的热功率等于流出 系统的热功率。
[0009] 由式⑴可知，P与1_、0⑴之间存在着非线性关系，要让P不变，Inns应随着 Θ (t)的变化而发生非线性变化。当P恒定时，Θ (t)与时间成多阶指数关系，故让P恒定 的1_其变化是很复杂的非线性变化，进而让P恒定的I _控制系统也非常复杂。
[0010] 根据式（1)，现有的DTSE关键在于让输入电力电缆的热功率P保持不变，可通过对 Iniis的控制来实现P恒定的直接控制。
[0011] 如图1所示，热功率指令Ugp代表流入电力电缆的热功率期望值，Ufp代表流入电力 电缆的热功率实际值；U gi代表流入电力电缆的电流期望值，U fi代表流入电力电缆的电流实 际值。APR为热功率调节单元，其控制律根据情况可为比例积分、比例积分微分等。结合式 (I)，APR输出U gi为流入电力电缆的电流期望值，以恒定流入电力电缆的热功率。ACR为电 力电流调节单元，其控制律可采用比例积分、比例积分微分、自适应控制律等。让流入电缆 的电力电流尽快逼近或达到其期望值Ugi乃该单元的基本任务。PWM控制回路为逆变回路 的电力电子器件提供相应控制信号U pwmi。逆变回路将公用电力转换成与Upwmi对应的电流电 力流入电力电缆。由于在实验室环境中，某一电压级别（以kV为单位）的电力电压一般波 动较小，对W d影响很小，可近似认为W d是恒定的。
[0012] 如图1所示，DTSE为两环反馈控制回路，外环实现热功率的恒定控制，内环控制流 入电缆的电力电流，让它逼近电力电流的期望值U gi。由于电缆温度随着时间推移不断呈多 阶指数关系变化，由式（1)知，电力电流就需要不断地跟踪温度的这种变化。在热阶跃开始 阶段，电缆温度变化很快，内环控制单元需要很强的快速反应能力，才能控制电流较好地跟 上温度的变化。电流一旦跟不上这种变化，热功率就恒定不了了，从而导致热阶跃实验不精 确、不可靠。由此可知，DTSE存在结构复杂，内环电力电流控制的快速性能、跟随性能要求 很尚以及成本尚等缺点。
[0013] 事实上，根据式（1)及Θ (t)与时间t之间的多阶指数关系，总可以得到维持P恒 定的电力电流Iniis*于时间t的函数f(t)，即I Mi= f(t)。如果I 按照f (t)的规律变 化，P就会保持不变。基于这种思路的控制方案如图2所示，Ugp代表流入电力电缆的热功 率期望值；U gi代表流入电力电缆的电流期望值，Ufi代表流入电力电缆的电流实际值。根据 式（1)并结合Θ (t)与时间t之间的多阶指数关系，f(t)发生器产生能稳定电缆热功率的 电力电流期望控制信号Ugi。ACR为电力电流调节单元，其控制律可采用比例积分、比例积分 微分、自适应控制律等。让流入电缆的电力电流尽快逼近或达到其期望值U gi乃该单元的基 本任务。PWM控制回路为逆变回路的电力电子器件提供相应控制信号Upwmi。逆变回路将公 用电力转换成与U pwmi对应的电力电流流入电力电缆。
[0014] 如图2所示，方案中流入电缆热功率的恒定乃通过电流波形指令f(t)发生器及 对该指令的精确、快速跟随间接实现的。电缆热功率恒定的精度主要取决于电流波形指令 f(t)的获取精度及逆变回路对指令f(t)的跟随性能。由式（1)知，要精确确定f(t)，需要 电缆系统精确的物理参数及其热模型特征参数。对于具体电缆系统，精确获取这些参数成 本高。电缆温度随着时间呈多阶指数关系变化，由式⑴知，电流波形指令f(t)随时间变 化更复杂。在热阶跃开始阶段，快速变化的电缆温度决定了 f(t)的快速变化，这需要电流 控制环节及逆变器等具有很强的动态响应能力才能控制电力电流较好地跟上f(t)的这种 变化。由此可知，这种技术方案的缺点为：精度不高，这由热功率的间接控制所确定，另外， f(t) 一般不会很精确；电力电流控制环节、逆变器等的快速性能、