[发明专利]一种海底电缆载流量和温度场的确定方法

说明书

技术领域

本发明涉及电力电缆技术领域，特别涉及一种海底电缆载流量和温度场的确定方法。

背景技术

随着国民经济的不断发展以及城乡电网建设和改造，电力电缆的敷设数量日益增加，在沿海和近海地区，地形等自然条件的限制导致了架空线路敷设的不便，因而极大的提高了这些地区电网发展对于电缆的依赖性。

载流量是电缆运行中的重要电气参数，电缆线芯流过的电流高于额定载流量会导致电缆工作温度过高，电缆绝缘老化，电缆寿命大大缩短，因而准确确定载流量是电缆设计和运行中最重要的工作之一。

电缆载流量计算一般采用国际上公认的IEC60287系列标准。标准将电缆用集中参数的等值热路模型表示，通过求解热平衡方程计算电缆最高允许工作温度下线芯的电流值，即电缆的额定载流量。

该标准是在电缆负荷率100%、土壤和电缆表面为等温面、电缆各层等效为集中的热阻参数等假设条件计算的，而实际运行中电缆各层并不是理想的等温面，负荷也随时段而变化，当这些实际工况与标准中假设存在较大偏差时，计算结果必然存在不能忽略的误差。

海底电缆载流量的确定需要对海底、滩涂以及海缆登陆段分别进行计算，IEC系列标准中主要通过对外部热阻的修正来反映海底、滩涂以及登陆段环境的差异，实际运行中，电缆与土壤的热传导情况、土壤与海水或者空气的热交换情况是非常复杂的，将外部环境统一用一个热阻来模拟不能很精确的表示电缆及其附近的温度场。

发明内容

本发明提供了一种计算海底电缆载流量和温度场的数值计算方法，将有限元的思想应用于电缆载流量和温度场的计算中，能够灵活地模拟复杂的边界条件和环境参数，相比现有技术更接近电缆实际运行状况，能够得到更准确的结果，可以使电缆运行部门不必为载流量留出过多的裕量。该方法对于海床中、滩涂中以及海底电缆登陆段的载流量计算具有通用性。

一种海底电缆载流量和温度场的确定方法，包括如下步骤：

（1）确定电缆截面所在二维平面中的土壤感温区域；

（2）对所述的土壤感温区域进行有限元网格剖分得到有限元三角形网络，进而对有限元三角形网络中各结点进行编号；

（3）根据电缆电流以及各结点的坐标计算有限元三角形网络中每个三角单元的刚度系数和内热系数；

（4）根据每个三角单元的刚度系数和内热系数，通过有限元总体合成建立有限元三角形网络的温度场模型如下：

KT＝P

其中：K、T和P分别为有限元三角形网络的刚度系数矩阵、温度场和内热系数向量；

求解所述的温度场模型得到温度场T，即有限元三角形网络中各结点的温度；

（5）根据电缆线芯导体的最高工作温度确定温度场T_max并代入温度场模型中作为目标向量，根据该目标向量通过迭代法求解温度场模型中的内热系数向量，则求得的内热系数向量对应的电缆电流即为电缆的载流量。

所述的步骤（1）中，确定土壤感温区域的标准为：使电缆所敷设的土壤层表面为土壤感温区域的上边界，土壤感温区域的下边界、左边界或右边界分别与最近电缆中心相距L，L=20R，R为电缆直径。

所述的步骤（2）中，对土壤感温区域进行有限元网格剖分的具体方法如下：

首先，将电缆从内而外分割成n层同心圆，并确定每层同心圆上的结点：对于第i层同心圆，该同心圆上具有4i个结点，其中第m个结点的方向为度；i为自然数且1≤i≤n，m为自然数且1≤m≤4i，n为偶数；

对于第一层同心圆，使该同心圆上的4个结点均与电缆圆心连线，从而使该同心圆被分割成四个三角单元；

对于第i层同心圆与第i+1层同心圆之间的区域，使第i+1层同心圆上方向为0°、90°、180°和270°的四个结点分别与第i层同心圆上对应方向的四个结点连线；对于第i+1层同心圆上其他方向的任一结点，使该结点与第i层同心圆上相邻方向的两个结点进行连线；通过上述连线，使得第i层同心圆与第i+1层同心圆之间的区域被分割成8(i+1)-4个三角单元；

然后，以电缆圆心为中心在土壤感温区域内建立一正方形边框，且使电缆包含在该边框内；在该正方形边框上确定4(n+1)个结点，其中第k个结点的方向为度，k为自然数且1≤k≤4(n+1)；