一种单根隧道电缆稳态温升预测方法与流程

本发明涉及电缆稳态温升预测领域，尤其是涉及一种单根隧道电缆稳态温升预测方法。

背景技术：

1、随着国家用电量的增大，如何充分利用电力电缆的输送容量，提升电力系统输电可靠性，一直是电力行业关注的重点问题。地下电缆的敷设方式主要有四种：直埋式敷设、排管敷设、电缆沟敷设以及电缆隧道敷设。与其他敷设方式相比，电缆隧道能够更好地保护电缆免受外界环境的侵蚀，其较大的空间可以容纳的电缆回路数多，输送容量大，具备较好的通风散热条件，同时也方便运维检修人员的巡查和检修。

2、对于电力电缆而言，缆芯工作温度是决定其容量利用率的关键因素，它不仅代表了电缆的负载能力，而且关乎电缆输电系统的运行安全性和经济性。在输电过程中，若缆芯温度超过绝缘层材料能允许长期运行的最高温度，将加速绝缘的老化，甚至造成热击穿等严重危害，危及电力系统的安全；而传输电流过低，电缆处于轻载状态，长时间运行在此状态下将导致电缆容量利用率较低，不满足经济性要求。由此可见，对在运电缆缆芯温度的准确预测至关重要。目前对电缆温升的预测主要有三种方法：有限元法、机器学习算法和热路法。有限元法适用范围广，计算精度高，但计算耗时较长，限制了其在工程中的应用。神经网络等算法需要建立在大量实验或仿真数据基础上，数据的获取过程通常也较为耗时。热路法是基于n-m理论建立电缆传热过程的热路模型，通过求解热路获得电缆缆芯的温度。该方法物理意义明确，计算速度快，能较好适用于直埋电缆。对于隧道电缆，电缆与隧道间的介质为空气，涉及电缆表面与空气间的对流传热，以及电缆表面与隧道内壁面间的辐射传热，相对应的热路中包含空气部分对流热阻和辐射热阻。其中辐射热阻可根据传热学理论直接计算，而对流热阻的求解则较为困难，这是因为目前计算自然对流传热系数的实验关联式多针对大空间自然对流，对于有限空间内的自然对流传热，成熟的实验关联式多针对夹层情形，对于电缆敷设于矩形隧道中的情形，如何求解不同隧道尺寸、不同电流下电缆表面对流传热系数，进而求解电缆表面自然对流热阻，仍是一大难点。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服热路模型中自然对流热阻构建困难的问题而提供一种单根隧道电缆稳态温升预测方法。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、一种单根隧道电缆稳态温升预测方法，步骤包括：

4、在确定的负载电流下，将电缆表面的对流传热系数拟合为隧道高度和宽度的二元函数；在确定的隧道尺寸高度和宽度下，将电缆表面的对流传热系数拟合为负载电流的单值函数；

5、给定一定范围内任意的隧道尺寸和任意的负载电流，利用所拟合的函数计算此时的电缆表面对流传热系数以及电缆表面对流热阻；

6、在不同隧道尺寸和负载电流下，利用计算所得的电缆表面对流传热系数以及电缆表面对流热阻，基于单根隧道电缆的稳态热路模型计算热路中的各热源、热阻值，完成对单根隧道电缆缆芯稳态温升的预测。

7、作为优选技术方案，所述流传热系数关于隧道高度和宽度的二元函数的拟合过程具体为：

8、固定负载电流i＝i0，利用有限元法计算不同隧道高度h和宽度l下电缆表面的对流传热系数h0，并将对流传热系数h0拟合为隧道高度h和宽度l的二元函数：

9、h0＝f(h,l)。

10、作为优选技术方案，所述流传热系数关于负载电流的单值函数的拟合过程具体为：

11、固定隧道高度h和宽度l，利用有限元法计算不同负载电流i下电缆表面的第流传热系数h1，并将对流传热系数h1拟合为负载电流i的单值函数

12、h1＝g(i)。

13、作为优选技术方案，确定一定范围内任意隧道尺寸和负载电流下电缆表面传热系数的具体步骤如下：

14、根据给定的隧道高度和宽度，确定i＝i0时电缆表面的第一对流传热系数h0：

15、h0＝f(h,l)

16、根据给定的负载电流i和计算的第一对流传热系数h0，计算高度为h，宽度为l的隧道电缆在负载为i时的电缆表面第二对流传热系数h：

17、h＝h0+k(i-i0)

18、式中，k为流传热系数关于负载电流的单值函数h1＝g(i)近似直线的斜率。

19、作为优选技术方案，所述单根隧道电缆的稳态热路模型中计算热路的热源包括电缆缆芯损耗qc和金属铝护套涡流损耗qj：

20、qc＝i2rcu(1+ys+yp)

21、qj＝λqc

22、式中，rcu为缆芯铜导体在工作温度下的直流电阻；rcu(1+ys+yp)为铜导体的交流电阻；ys和yp分别为趋肤效应因数和邻近效应因数；λ为损耗因数。

23、作为优选技术方案，所述单根隧道电缆的稳态热路模型中计算热路的热阻包括电缆本体热阻、空气层热阻、隧道层热阻以及土壤层热阻。

24、作为优选技术方案，所述的电缆本体热阻表示为：

25、

26、式中，rk为电缆本体第k层的热阻，λk为第k层材料的导热系数，l为电缆单位轴向长度，rk为第k层的外半径，rk-1为第k层的内半径。

27、作为优选技术方案，所述的空气层热阻视作对流热阻与辐射热阻并联后的总热阻，其中：

28、对流热阻rcov表示为：

29、

30、式中，h为电缆表面对流传热系数；a为电缆外表面积；

31、电缆表面与隧道内壁面间的辐射热阻rrad表示为：

32、

33、式中，ts为电缆表面平均温度，tt为隧道内壁面平均温度，d为电缆外径，ε为电缆表面发射率，σ为斯特藩-玻尔兹曼常数。

34、作为优选技术方案，所述的隧道层热阻采用平壁导热公式计算：

35、

36、式中，δ为隧道层厚度，at为单位轴向长度下隧道壁面的表面积，λt为隧道层材料的导热系数。

37、作为优选技术方案，其特征在于，所述的土壤层热阻表示为：

38、

39、式中，rs为土壤层的热阻，ts1、ts2为土壤层内、外两表面的平均温度，q为该土壤层两表面间的传热量。

40、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

41、本发明针对隧道电缆稳态温升预测，创新地提出了一种对流传热系数求解方法。

42、本发明构建了单根隧道电缆的稳态热路模型，在工程应用范围内任意矩形隧道尺寸和电缆负载电流下，根据少量的有限元仿真结果，即可实现在给定隧道尺寸和负载电流条件下对电缆表面自然对流热阻的快速求解，进而确定电缆稳态热路模型构建中难于求解的电缆表面对流热阻，实现了单根隧道电缆稳态温升的准确、快速预测。

技术特征：

1.一种单根隧道电缆稳态温升预测方法，其特征在于，步骤包括：

2.根据权利要求1所述的一种单根隧道电缆稳态温升预测方法，其特征在于，所述流传热系数关于隧道高度和宽度的二元函数的拟合过程具体为：

3.根据权利要求1所述的一种单根隧道电缆稳态温升预测方法，其特征在于，所述流传热系数关于负载电流的单值函数的拟合过程具体为：

4.根据权利要求1所述的一种单根隧道电缆稳态温升预测方法，其特征在于，确定一定范围内任意隧道尺寸和负载电流下电缆表面传热系数的具体步骤如下：

5.根据权利要求1所述的一种单根隧道电缆稳态温升预测方法，其特征在于，所述单根隧道电缆的稳态热路模型中计算热路的热源包括电缆缆芯损耗qc和金属铝护套涡流损耗qj：

6.根据权利要求1所述的一种单根隧道电缆稳态温升预测方法，其特征在于，所述单根隧道电缆的稳态热路模型中计算热路的热阻包括电缆本体热阻、空气层热阻、隧道层热阻以及土壤层热阻。

7.根据权利要求6所述的一种单根隧道电缆稳态温升预测方法，其特征在于，所述的电缆本体热阻表示为：

8.根据权利要求6所述的一种单根隧道电缆稳态温升预测方法，其特征在于，所述的空气层热阻视作对流热阻与辐射热阻并联后的总热阻，其中：

9.根据权利要求6所述的一种单根隧道电缆稳态温升预测方法，其特征在于，所述的隧道层热阻采用平壁导热公式计算：

10.根据权利要求6所述的一种单根隧道电缆稳态温升预测方法，其特征在于，所述的土壤层热阻表示为：

技术总结
本发明涉及一种单根隧道电缆稳态温升预测方法，建立单根隧道电缆物理模型，利用有限元法计算不同隧道尺寸和负载电流下电缆表面的自然对流传热系数，并将其拟合为隧道高度、宽度和电缆负载电流的函数，在给定隧道尺寸和负载电流条件下快速计算电缆表面对流传热系数，进而得到电缆表面的自然对流热阻。将计算得到的自然对流热阻代入单根隧道电缆的稳态热路模型中，实现在已知隧道尺寸和负载电流条件下对单根隧道电缆稳态温升的快速预测。与现有技术相比，本发明仅依赖少量的有限元计算，即可实现在给定隧道尺寸和负载电流条件下对电缆表面自然对流热阻的快速求解，进而完成单根隧道电缆稳态热路模型的建立与单根隧道电缆稳态温升的快速预测。

技术研发人员：傅晨钊,赵莹莹,司文荣,高凯,贺林,李海,王振兴
受保护的技术使用者：国网上海市电力公司
技术研发日：
技术公布日：2024/11/28