Page 29 - 电力与能源2022年第五期
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赵莹莹, 等: 基于热路模型的电力电缆温升计算方法综述 3 1
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差驱动, 转移过程中会受到热阻的阻碍 [ 5 ] 。热路 针对电缆群温升的工程化快速计算需求, 提出了
模型一般用来计算稳态温度场下的载流量, 最早 一种基于转移矩阵来实时估算电缆缆芯温升的方
是由 Kennel y 提出, 之后 Neher和 McGrath 进行 法, 可以用于直埋和排管电缆群的稳态温升计算。
了完善。国际电工委员会( IEC ) 在此基础上制定 该模型基于热场叠加原理, 将多回电缆的共同作
了电缆额定载流量计算标准IEC60287 和暂态载 用离散为多根电缆单独作用的组合。通过有限元
流量计算标准IEC60853 。 仿真计算结果, 获得电缆本体缆芯温升与发热样
IEC60287 中 典 型 的 电 缆 等 效 热 路 模 型 如 本数据组, 以及相邻电缆间的发热与温升样本数
图 1 所示。 据组, 再利用数据拟合, 获得缆芯温升与缆芯损
耗、 介质损耗、 金属套损耗, 以及相邻电缆损耗之
间的关系, 获得自热导系数和互热导系数, 从而求
解电缆群缆芯温升的转移矩阵。该矩阵系数与负
载、 温度等因素无关, 仅与周围介质的热特性参数
相关。并且通过对 12 根两层三芯电缆群的有限
元计算结果与转移矩阵计算结果的对比, 验证了
该方法具有较高的准确性, 并且计算速度较快, 便
图 1 电缆稳态热路模型 于现场工程人员使用。该方法建立在假设正常运
根据节点法, 可以得到电缆稳态时导体温升 行温度下, 转移矩阵的参数不随温度的变化而发
公式 [ 2 ] : 生变 化。 文 献 [ 14-15 ] 针 对 隧 道 敷 设 方 式 下 的
(
θ C - θ amb = W +0.5 W d T 1 + 500kV 超高压大截面电缆, 分析了“ 品” 字接触排
)
( nW +nW d +W2 T 2 + 布和水平排布不同安装方式下, 表面间距和分组
)
)( ) ( 5 ) 位置对电缆间互热和相互间散热效果。同时提出
( nW +nW d +W2 +W3 T 3 +T 4
国内外学者在基于热路模型计算导体温升方 了接触和分离两种情况下水平排列电缆总散热系
面开展了大量研究, 主要包括以下方向: 围绕电缆 数的计算公式, 用于快速求解导体温度, 并通过有
本体进行热路模型改进以及热阻等参数计算; 对 限元数值模拟, 验证了模型的准确性, 获得了总散
地埋电缆群的稳态温升建模研究, 包括不同敷设 热系数计算公式的适用范围。
方式下的电缆群和电缆间排布位置的影响研究; 在外部环境方面, IEC60287 中假设电缆周
对电缆敷设的外部环境如土壤热阻等开展研究。 围的介质为单一均匀的介质, 这对于长电缆线路,
电缆本体模型方面, 文献[ 6 ] 采用调和平均法 在实际环境下不易实现, 环境参数难以单一确定。
对电缆的各个薄层进行处理, 并将其等效为同一 针对土壤介质, 文献[ 16 ] 对外部热阻模型进行了
个导热系数和厚度的护套层, 电缆模型仅有两层, 改进, 依据实际敷设环境, 将土壤细分为原始土
同时不影响计算结果的精度; 文献[ 7 ] 讨论了三芯 壤、 回填、 上层回填、 表层土壤等, 利用数值仿真方
电缆的“ 品” 字形结构导致各径向传热特性不同, 法得到大量的不同外部环境下的电缆载流量, 然
构建了三芯电缆的热路模型; 文献[ 8-11 ] 基于排 后以仿真得到的载流量数据, 利用粒子群等优化
管、 隧道等不同敷设条件下电缆传热方式不同, 分 算法对载流量公式中的参数进行辨识, 得到通用
别构建了导热散热热阻、 对流散热热阻和辐射散 的载流量、 温升计算公式。文献[ 17 ] 对电缆敷设
热热阻, 并提出了相对应的散热方式和热阻的量 周围有水管等其他因素进行了细化研究。
化规律, 构建了不同敷设方式下的基本热路模型。 4 基于热路模型的电缆暂态温升计算
在热阻和损耗参数计算方面, 虽然 IEC60287 给
出了热路模型及参数计算公式, 但是计算结果相 运行负载的阶跃性变化会打破电缆发热散热
对保守。国内外大量学者采用有限元仿真和试验 平衡, 电缆导体温度随之发生变化。由于电缆各
方法, 进行了参数求解和优化, 以确定给定电缆的 层及外部电容的存在, 导体温度随时间缓慢变化,
导热系数和各层材料的热阻系数。 最终达到稳定状态。暂态过程即是求解负载改变
在电缆群的稳态温升计算方面, 文献[ 10-13 ] 时电缆温度变化过程。 IEC60853 给出了电缆暂
