一种高压交流电缆负荷循环加热方法与流程

本发明涉及一种电缆试验方法，尤其指一种高压交流电缆负荷循环加热方法。

背景技术：

交流电缆在进行负荷循环时，无法直接测得试验回路的导体温度，需要设置模拟回路实时监测导体温度，从而控制试验回路的导体温度。因此试验回路施加了交流试验电压和加热电流，模拟回路仅施加加热电流。当电压等级在220kv甚至500kv以上时，试验电压较高，因交流高压引起的介质损耗对试验回路的温升的影响将不可忽略。现有针对低电压等级的交流电缆负荷循环的加热方法，试验回路施加加热电流与模拟回路相同，而针对高电压等级的交流电缆来说，这种加热方法忽略了介质损耗引起的对试验回路温升的影响。当模拟回路达到电缆最高运行温度时的电流值加在试验回路上，可能会使试验回路的电缆温度高于最高运行温度，导致试验条件过于苛刻，甚至会造成试验回路电缆过早发生击穿，影响电缆试样电气性能验证的准确性。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术方案进行完善与改进，提供一种高压交流电缆负荷循环加热方法，以达到试验回路与模拟回路导体温度控制同步目的。为此，本发明采取以下技术方案。

一种高压交流电缆负荷循环加热方法，其特征在于包括如下步骤：

1)获得电缆结构参数和材料参数；

2)建立试验回路和模拟回路等效热路模型；

3)计算导体最高温度时的模拟回路稳态电流；

4)构造损耗等效模型；根据试验回路和模拟回路等效热路模型、导体损耗、介质损耗获得对应的模拟回路和试验回路损耗等效模型；

5)计算稳态时的等效介质损耗电流，以确定试验回路和模拟回路的加热电流差值；等效介质损耗电流根据模拟回路稳态电流及损耗等效模型计算获得；

6)确定试验回路加热电流，试验回路加热电流为模拟回路的加热电流与等效介质损耗电流的差值；

7)在计算得到试验回路加热电流和等效介质损耗电流后，开展负荷循环时，试验回路的加热电流应为模拟回路的加热电流减去等效介质损耗电流，并且在试验回路和模拟回路相同工况的电缆表皮设置多个测温点进行对比。

作为对上述技术方案的进一步完善和补充，本发明还包括以下附加技术特征。

进一步的，在步骤2)中，建立试验回路和模拟回路等效热路模型为：

式中：t1为绝缘热阻，包括内外屏蔽及阻水层热阻；t2为外护层热阻；t3为外部热阻；q1～q3为电缆各层热容；wd为介质损耗；w(t)为导体损耗；ws为金属套损耗；θ1(t)为导体温度；θ2(t)为金属套温度；θ3(t)为电缆表面温度；θa(t)为环境温度；

对于模拟回路，式(1)变为

进一步的，步骤3)中，获取导体最高温度、环境温度、电缆各层热阻信息，根据标准载流量计算公式，进行仿真计算，将模拟回路电流从0开始逐渐上升，最终计算出导体最高温度时模拟回路稳态电流。

进一步的，步骤4)中，导体损耗为：

w(t)＝{r0[1+a20(θ1(t)-20)](1+ys+yp)}·i²(5)

式中：r0为20℃时导体单位长度的直流电阻，a20为20℃时材料恒定质量温度系数，ys为邻近效应因素，yp为集肤效应因素；

介质损耗为：

式中：ω＝2πf；u0为对地电压；tgδ为介质损耗因数；c为单位长度电缆电容。

进一步的，步骤4)中，损耗等效模型为：

it+id＝is

w(t)+wd＝w'(t)

式中：is为模拟回路加热电流，it为试验回路加热电流，id为等效介质损耗电流，w'(t)为模拟回路导体损耗，w(t)为试验回路导体损耗。

进一步的，在步骤5)，当电缆导体温度接近最高运行温度时，等效介质损耗电流计算公式为：

试验回路加热电流计算公式为：

式中：r＝r0[1+a20(θ1(t)-20)(1+ys+yp)]为单位长度电缆的交流电阻。

有益效果：

(1)本发明充分考虑了高压电缆的介质损耗对负荷循环试验模拟回路温度控制等效性的影响，防止试验回路导体实际温度高于模拟回路。

(2)本发明通过计算稳态时的等效介质损耗电流，确定试验回路和模拟回路的加热电流差值，不必实时进行计算，便于试验操作。

附图说明

图1是本发明流程图。

图2是本发明电缆试验回路等效热路模型图。

图3是本发明电缆模拟回路等效热路模型图。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

如图1所示，本发明包括如下步骤：

1)获得电缆结构参数和材料参数；包括电缆各层的内径和外径以及电缆各层所使用的材料的密度、电阻率、导热系数、定压热容等参数。

2)建立试验回路和模拟回路等效热路模型；

3)计算导体最高温度时(100％负荷因数)的模拟回路稳态电流；

4)构造损耗等效模型；根据试验回路和模拟回路等效热路模型、导体损耗、介质损耗获得对应的模拟回路和试验回路损耗等效模型；

5)计算稳态时的等效介质损耗电流，以确定试验回路和模拟回路的加热电流差值；等效介质损耗电流根据模拟回路稳态电流及损耗等效模型计算获得。

6)确定试验回路加热电流，试验回路加热电流为模拟回路的加热电流与等效介质损耗电流的差值。

7)在计算得到试验回路加热电流和等效介质损耗电流后，开展负荷循环时，试验回路的加热电流应为模拟回路的加热电流减去等效介质损耗电流，并且在试验回路和模拟回路相同工况的电缆表皮设置多个测温点进行对比。

以下就部分步骤具体实施作进一步的说明：

一、建立试验回路和模拟回路等效热路模型，

电缆试验回路等效热路模型、电缆模拟回路等效热路模型如图2、3所示；根据上述等效热路模型，可得电缆试验回路暂态条件下的热流微分方程如下：

式中：t1为绝缘(含内外屏蔽及阻水层)热阻；t2为外护层热阻；t3为外部热阻；q1～q3为电缆各层热容；wd为介质损耗；w(t)为导体损耗；ws为金属套损耗；θ1(t)为导体温度；θ2(t)为金属套温度；θ3(t)为电缆表面温度；θa(t)为环境温度。

对于模拟回路，式(1)变为

二、计算损耗；

根据iec60287系列标准，导体损耗为

w(t)＝{r0[1+a20(θ1(t)-20)](1+ys+yp)}·i²(5)

式中：r0为20℃时导体单位长度的直流电阻，a20为20℃时材料恒定质量温度系数，ys为邻近效应因素，yp为集肤效应因素。

介质损耗为

式中：ω＝2πf；u0为对地电压；tgδ为介质损耗因数；c为单位长度电缆电容。由于试验时试验回路的金属套单点接地，金属套的环流损耗为零，而金属套的涡流损耗可忽略不计，因此金属套损耗ws≈0。

三、计算导体最高温度时(100％负荷因数)模拟回路稳态电流；

确定导体最高温度，环境温度，电缆各层热阻，结合上述步骤(2)中求得的损耗表达式，根据iec60287系列标准载流量计算公式进行推导可得：

式中：i为模拟回路导体中通过的电流，r为最高工作温度下导体单位长度的交流电阻，θ为导体温度，θ0为环境温度，t1，t2,t3分别为单位长度绝缘热阻，单位长度外护层热阻和电缆表面与周围介质单位长度热阻，λ1，λ2分别为金属套损耗系数和铠装损耗系数，对于没有铠装的交联聚乙烯电缆来说，λ2＝0。

通过仿真计算，将模拟回路电流从0开始逐渐上升，最终计算出导体最高温度时(100％负荷因数)模拟回路稳态电流ismax。

四、构造模拟回路和试验回路损耗等效模型；

如图2和图3所示，在金属套损耗忽略不计的情况下，模拟回路和试验回路仅相差了介质损耗引起的温度变化，故构造如下等式

it+id＝is(8)

而为了使模拟回路的温度能够等效试验回路，应有

w(t)+wd＝w'(t)(11)

式中：is为模拟回路加热电流，it为试验回路加热电流，id为等效介质损耗电流，w'(t)为模拟回路导体损耗，w(t)为试验回路导体损耗。

当电缆导体温度接近最高运行温度时，is即为上述步骤(4)仿真计算得到的ismax。

五、计算等效介质损耗电流；

当电缆导体温度接近最高运行温度时，结合式(9)代入模拟回路加热电流is可得

式中：r＝r0[1+a20(θ1(t)-20)(1+ys+yp)]即单位长度电缆的交流电阻。以上图1所示的一种高压交流电缆负荷循环加热方法是本发明的具体实施例，已经体现出本发明实质性特点和进步，可根据实际的使用需要，在本发明的启示下，对其进行形状、结构等方面的等同修改，均在本方案的保护范围之列。