[发明专利]基于数值仿真和无源无线测温的电缆载流极限确定方法

说明书

技术领域

本发明涉及电力电缆技术领域，尤其是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。

背景技术

电力线路载流量计算的研究历史几乎是与电缆的发明同步产生的。流经线缆导 体的电流会因损耗而发热，在已知绝缘材料所能承受的极限温度条件下，技术人员 需要知道线缆所能承受的最大电流值，以提高电缆设备的利用率。早期载流量的计 算受限于当时的计算能力，主要基于工程中的横向对比方法或者是对经验数据的拟 合。1957年Neher和McGrath采用热阻、热容参数模型成功的对电缆热回路进行 了分层建模，简化后的双口网络易于手算，并且已达到了相当高的精度。该类方法 统称为电缆载流量计算的解析方法。该方法也是目前在设备制造、标准制定方面的 依据。国际电工委员会(IEC)根据国际大电网会议1964年的报告与1982年所制定 的电缆额定载流量计算标准。随后对该标准经过20多年的修改和增补，形成了现 在电缆载流量计算该领域中最权威的标准文件IEC60287标准，确定了100％负荷 因素条件下的载流量公式、热阻计算公式及有关运行条件。我国于2000年时公布 了与其对应的机械部标准JB/T10181，是目前该领域国内最权威的规范性文件。

但上述标准支持的电缆载流量计算解析法无法应对多回路集群敷设，电缆跨越 不均衡土壤、隧道和桥梁等复杂环境，以及线路通道内的不同干扰因素，使得运行 部门在选择校正系数时面临困难。

二十世纪中后期，随着计算机技术的普及和数值计算能力的不断提高，研究人 员尝试应用数值传热学，使用更为复杂的模型对电缆及电缆周边热场进行建模、仿 真，并且通过有限元、有限差分等一批数值算法求解最终的温度值。与解析方法不 同，数值模型中可以针对多回路电缆、复杂土壤环境、其他管道热源等情况进行建 模，大大扩展了算法的实用性，提高了计算精确度。该类方法统称为电缆载流量计 算的数值方法，其中，在这些数值方法中，应用较多的有，有限差分法、有限元法、 边界元法，有限容积法等。

然而，实际敷设的电缆周围环境复杂，对电缆周边热场及载流能力的影响因素 众多，如环境温度、土壤温度、电缆周围物质的热阻系数、土壤热阻系数、水分迁 移等等，这使得使用数值法时对电缆及周边热场建模存在理论上的简化和带来误 差，因此，不管是解析法还是数值法均需要配合一定的试验验证才能对计算的准确 性进行把握。

目前，电缆载流量的试验验证通常采用热电偶测量电缆各层的温度来实现。根 据IEC60287系列标准规定，电缆导体温度达90℃(交联聚乙烯主绝缘电缆)时 对应的导体电流为电缆的载流量。由于电缆载流量受敷设条件的影响较大，而外部 环境参数(如地温、土壤热阻系数等)是动态变化的，因而载流量试验并没必要令 导体温度恰好达到90℃，只需要给电缆通以某一恒定电流，测量电缆各层温度， 然后进行层间温升分析即可验证理论计算。故试验中对电缆持续施加固定电流至稳 态，通过安装在导体、金属屏蔽、铠装及电缆表皮上的热电偶记录电缆各层温度并 计算各层温差，通过比较各层温差的试验值与计算值，从而验证解析法的电缆热路 模型的各热阻及损耗的正确性以及数值法的准确性。

目前，极少数供电公司和高校联合进行了电力电缆解析法载流量计算结果基于 热电偶的验证试验，发现相对于实际运行情况，理论计算值与试验测量值均存在误 差。首先，采用解析法从理论上即存在误差，因为解析法无法模拟复杂敷设情况。 其次，测量系统本身是引起误差的一个原因，特别是试验中的温度是通过热电偶测 量的，本身存在一定的误差。这是因为电缆本身较长，测量点到记录点具有较远的 距离，使得热电偶的误差较大；热电偶的介入导致电缆本体温度场的改变也是造成 误差的一个原因；另外热电偶与被测材料接触不良，将会产生接触热阻，带来误差。

发明内容

本发明的目的就是针对电力电缆特别是电缆群在复杂敷设方式下其载流极限 (长期允许载流量)采用基于IEC60287标准的解析法难于确定，且针对具体敷设 方式的电缆和电缆群试验验证的热电偶方法存在较大误差，致使电缆载流极限存在 理论计算值和试验测量值都存在准确性较差的问题，而提供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，有效减小理论计算误差和实验测量误差。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

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：