姜小兵

(1.長沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長沙 410004;2.湖南華電長沙發(fā)電有限公司，湖南 長沙 410203)

XLPE電纜線芯溫度計算方法研究

姜小兵1，2

(1.長沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長沙 410004;2.湖南華電長沙發(fā)電有限公司，湖南 長沙 410203)

為實時掌握交聯(lián)聚乙烯 (XLPE)配電電纜的運行狀態(tài)及其載流量，對電纜線芯溫度的計算方法進行了研究。針對配電電纜敷設(shè)距離較短的特點建立了單芯電纜集中參數(shù)穩(wěn)態(tài)等效熱路模型，并推導(dǎo)出線芯溫度計算公式，通過實驗驗證了計算方法的有效性，同時對考慮暫態(tài)過程的電纜線芯溫度計算方法進行了討論，為電纜運行狀態(tài)的在線監(jiān)測提供參考。

XLPE電纜;線芯溫度;熱路模型;暫態(tài)線芯溫度

隨著交聯(lián)聚乙烯 (XLPE)電力電纜在配電網(wǎng)中使用量的逐年增加，相應(yīng)的診斷維護工作也越來越重要。線芯溫度作為XLPE電纜的一個重要運行參數(shù)，是判斷電纜運行狀態(tài)及其實際載流量的重要依據(jù)［1-2］;正常運行時，電纜的線芯溫度不超過交聯(lián)聚乙烯的最高工作溫度 (≤90℃);一旦過負荷，電纜線芯溫度將急劇上升，從而加速絕緣老化甚至引發(fā)火災(zāi)事故;要準(zhǔn)確掌握電纜的真實載流量需要先計算電纜的線芯溫度，從而間接判斷負載電流是否超過最大允許載流量。因此，從安全運行和電力系統(tǒng)調(diào)度的角度出發(fā)，都需要實時監(jiān)測XLPE電纜的線芯溫度。

實際工程中直接測量XLPE電纜的線芯溫度難以實現(xiàn)，需要建立合適的電纜熱路模型并由外部溫度推算求得線芯溫度［3］。隨著分布式光纖測溫技術(shù) (DTS)的發(fā)展與推廣，已有在高壓XLPE電纜線路上應(yīng)用光纖測溫系統(tǒng)監(jiān)測電纜護套溫度的實例［4-5］，這無疑為計算電纜線芯溫度、掌握電纜運行狀態(tài)及其真實載流量創(chuàng)造了有利條件。

以單芯XLPE電纜為研究對象，根據(jù)配電電纜敷設(shè)距離短的特點，采用集中參數(shù)法建立其穩(wěn)態(tài)等效熱路模型，并推導(dǎo)出線芯溫度計算公式。同時對考慮暫態(tài)過程的電纜線芯溫度計算方法進行討論，為電纜運行狀態(tài)的在線監(jiān)測提供參考。

1 電纜穩(wěn)態(tài)線芯溫度計算方法

所謂電纜穩(wěn)態(tài)線芯溫度即引起電纜溫度變化的各種因素都已達到穩(wěn)定狀態(tài)且不會隨時間發(fā)生變化時的電纜導(dǎo)體溫度，此時不需考慮引起電纜各部分材料溫度變化時產(chǎn)生的放、吸熱過程。

1.1 線芯溫度計算模型及方法

單芯XLPE電纜的一般結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 單芯XLPE電纜典型結(jié)構(gòu)

由圖1可知，單芯XLPE電纜可分為導(dǎo)體、絕緣及內(nèi)外屏蔽層、墊層、氣隙層、金屬護套層、外護層6層結(jié)構(gòu)。建立電纜熱路模型時，一般將各層熱阻作分布式參數(shù)考慮，然后根據(jù)電纜熱流場的歐姆定律來求解線芯溫度［6］，這樣便會給線芯溫度的分析和計算帶來較大困難。由于城市配電電纜的敷設(shè)距離較短，一般不超過3 km，因此可以運用集中參數(shù)法來表征XLPE電纜的熱路模型，即將電纜以其幾何中心為圓心，把絕緣及內(nèi)外屏蔽層、墊層和氣隙層、金屬護套層和外護層分別用集中參數(shù)表示，這樣便簡化了電纜熱路模型。集中參數(shù)法［7］的應(yīng)用范圍廣泛，可以很好地描述配電電纜的結(jié)構(gòu)參數(shù)、敷設(shè)條件、表面溫度與線芯溫度之間的換算關(guān)系。單芯XLPE電纜的集中參數(shù)等效熱路模型如圖2所示。

圖2 單芯XLPE電纜等效熱路模型

圖2中，Tc為XLPE電纜線芯溫度;Te為環(huán)境溫度;T0為外護套溫度;T1、T2、T3、T4分別為絕緣層 (含內(nèi)外屏蔽層)、內(nèi)墊層 (含氣隙)、外護層 (含金屬護套)、外界媒介 (外部熱源至電纜表面)熱阻;Wd和Wc分別為電纜單位長度的介質(zhì)損耗和線芯損耗;λ1、λ2分別為金屬護套和線芯損耗之比、鎧裝損耗與線芯損耗之比。

在已知XLPE電纜外護套溫度與負載電流的情況下，根據(jù)集中參數(shù)熱路等效模型可以推得線芯溫度的計算公式為

式中:線芯損耗Wc和電纜導(dǎo)體交流電阻R相關(guān)，而R與線芯溫度Tc有關(guān)，因此須由式 (1)解出Tc來進行計算。

在已知線芯最高工作溫度 Tcmax的情況下［8］，可由式 (1)推導(dǎo)出電纜的長期運行載流量Ia:

利用式 (2)即可完成電纜載流能力的計算與預(yù)測。

1.2 誤差分析

在影響電纜溫度變化因素不發(fā)生改變的情況下，上述計算方法計算出的電纜線芯溫度與載流量誤差主要取決于式 (1)中各參數(shù)的精度。

式 (1)中電纜外護套溫度T0由測溫裝置測得，測量結(jié)果易受外界環(huán)境影響;各集中參數(shù)等效層熱阻T與電纜各層熱阻系數(shù)聯(lián)系緊密，特別是墊層的厚度，需要充分考慮并選取合適的數(shù)值;導(dǎo)體損耗Wc=I2R，其中I為電纜負載電流，可準(zhǔn)確測得，導(dǎo)體交流電阻R會隨溫度發(fā)生變化，應(yīng)注意鄰近效應(yīng)和集膚效應(yīng)的影響;介質(zhì)損耗Wd相比于Wc相差3個數(shù)量級以上，因此其取值對計算結(jié)果影響較小;金屬護套和鎧裝損耗因數(shù)λ1、λ2與敷設(shè)方式有關(guān)，常采用IEC60287標(biāo)準(zhǔn)［9］中的相應(yīng)公式進行計算。

由上述分析可知，XLPE電纜的結(jié)構(gòu)、敷設(shè)參數(shù)及實時監(jiān)測量 (負載電流、外護套溫度)對結(jié)果均有較大影響，設(shè)值時應(yīng)盡量接近實際值。

2 試驗分析

為驗證該計算模型與方法的有效性，應(yīng)用C#程序編寫了相應(yīng)的計算程序，并通過試驗對一條長為400 m的110 kV XLPE電纜進行模擬試驗運行。表1為電纜處于穩(wěn)態(tài)時線芯溫度與計算溫度對比試驗結(jié)果，表2為載流量計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)對比。

從表1和表2可以看出，運用此種線芯溫度計算方法時，線芯溫度計算值與實測值在90℃以下時最大誤差不超過±3℃，電纜載流量計算值與實測值之間誤差最大不超過3%，因此具有較高的精度。

表1 線芯溫度計算值與實測值對比

表2 載流量計算值與實測值對比

3 考慮暫態(tài)過程的電纜線芯溫度計算

雖然上述計算方法精度較高，但只能用于計算穩(wěn)態(tài)下的電纜線芯溫度與載流量，實際中電纜負載會隨時間變化，特別是城市配電網(wǎng)的電纜線路，日負荷的變化很大，因而電纜外部熱源的溫度變化也很大［10］，大多數(shù)情況下需要考慮電纜線芯溫度的暫態(tài)變化過程。

考慮暫態(tài)過程的電纜線芯溫度計算非常復(fù)雜，電纜的等效熱路模型中必須考慮電纜結(jié)構(gòu)材料中熱容的影響，式 (1)中的介質(zhì)損耗Wd和線芯損耗Wc也將變?yōu)闀r間函數(shù)，從而給計算帶來很大困難。文獻［10］根據(jù)電纜等效熱路與電路在數(shù)學(xué)上的相似性，運用節(jié)點電壓法先求解電纜穩(wěn)態(tài)線芯溫度，并在此基礎(chǔ)上提出了電纜暫態(tài)線芯溫度計算公式:

式中:A、B、T、Q都是影響電纜線芯溫度變化的外部因素的矩陣形式，而且它們都是隨時間變化的函數(shù)。文獻 ［11］在得到電纜外皮溫度的基礎(chǔ)上，以“只考慮負載電流變化和只考慮表皮溫度變化”兩種情況進行電纜線芯暫態(tài)溫度的公式遞推，進而推導(dǎo)出XLPE電纜線芯暫態(tài)溫度的完整疊加式:

式中，θcx為運行x個小時后的電纜線芯溫度;θw0為初始測量時刻的電纜表皮溫度;Δθc1n為電纜運行n小時后 (n≤x)的線芯溫升;Δθc2n為電纜運行n小時后 (n≤x)的外護套溫升;θcd為絕緣損耗引起的導(dǎo)體溫升，可以看出電纜的暫態(tài)線芯溫度為各個溫升的疊加。文獻 ［12］在完整演算電纜暫態(tài)熱路模型的基礎(chǔ)上，以“電纜表皮為等溫面、絕緣層與導(dǎo)體具有相同熱阻系數(shù)、僅考慮導(dǎo)體損耗和絕緣層損耗”3個假設(shè)條件對熱路模型進行簡化，并通過實驗和誤差分析驗證了簡化模型的有效性，簡化后的模型將大大減少計算量。文獻 ［13］則提出了基于電纜實際負載電流和表面溫度的拉普拉斯動態(tài)熱路模型，并通過試驗研究和誤差分析驗證了該模型可滿足電纜線芯溫度的實時監(jiān)測。從文獻［10～13］可以看出，計算電纜暫態(tài)線芯溫度是一個非常復(fù)雜的過程，不管應(yīng)用何種方法，都必須在得到電纜材料參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)以及電纜外護套溫度或者電纜的穩(wěn)態(tài)線芯溫度的情況下，通過不同理論和方法進行電纜暫態(tài)線芯溫度計算公式的遞推和推導(dǎo)。

4 結(jié)論

為掌握XLPE電纜的運行狀態(tài)及其真實載流量，根據(jù)配電電纜的敷設(shè)特點分析了暫態(tài)線芯溫度計算公式，驗證了計算方法的有效性，并對考慮暫態(tài)過程的電纜線芯溫度計算方法進行了討論，得到如下結(jié)論。

a. 運用集中參數(shù)法表征配電電纜的穩(wěn)態(tài)熱路模型貼合實際，推導(dǎo)出的計算公式只需在監(jiān)測到電纜表面溫度的情況下就可反推求得電纜線芯溫度。試驗數(shù)據(jù)表明此種計算方法具有較高的精度。

b. 電纜暫態(tài)線芯溫度的計算非常復(fù)雜，且必須在得到電纜材料參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)以及電纜外護套溫度或者電纜穩(wěn)態(tài)線芯溫度的情況下，通過不同理論方法進行暫態(tài)線芯溫度計算公式的分析。

值得一提的是，XLPE電纜發(fā)生絕緣故障后通常會在故障部位伴隨有溫度異常升高的現(xiàn)象發(fā)生，因此已有相關(guān)學(xué)者［14］將電纜溫度在線監(jiān)測與絕緣監(jiān)測聯(lián)系起來，并試圖通過試驗說明兩者之間的關(guān)系。這表明隨著電纜測溫技術(shù)的發(fā)展，也將為電纜絕緣在線監(jiān)測提供了一種新的思路和方法。

［1］ 凌偉平，徐蘊鋒.電力電纜溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用［J］.東北電力技術(shù)，2012，33(3):41-43.

［2］ 于立友，戚作秋，郝 嵐.電纜火災(zāi)風(fēng)險控制 ［J］.東北電力技術(shù)，2010，31(9):50-52.

［3］ 羅俊華，周作春，李華春，等.電力電纜線路運行溫度在線檢測技術(shù)應(yīng)用研究 ［J］.高電壓技術(shù)，2006，32(8):43-45.

［4］ 李紅雷，張 麗，李莉華.交聯(lián)聚乙烯電纜在線監(jiān)測與檢測 ［J］.絕緣材料，2010，43(12):31-34.

［5］ 王 立，李華春，薛 強，等.220 kV電纜分布式光纖測溫系統(tǒng)運行情況分析 ［J］.電力設(shè)備，2007，8(6):36-41.

［6］ 馮海濤.電力電纜線芯溫度估算方法研究［D］.大連:大連理工大學(xué)，2013.

［7］ 薛 強，李華春，王 立，等.電纜導(dǎo)體溫度的推算方法及應(yīng)用［J］.電線電纜，2009(2):23-25.

［8］ 馬國棟.電力電纜載流量 ［M］.北京:中國電力出版社，2003.

［9］ IEC 60287-3-1:1995 Calculation of the current rating of electric cables，part 3:sections on operating condition，section 1:reference operating condition and selection of cable type［S］，1995.

［10］ 劉毅剛，羅俊華.電纜導(dǎo)體溫度實時計算的數(shù)學(xué)方法 ［J］.高電壓技術(shù)，2005，31(5):52-54.

［11］ 牛海清，周 鑫，王曉兵，等.外皮溫度監(jiān)測的單芯電纜暫態(tài)溫度計算與試驗 ［J］.高電壓技術(shù)，2009，35(9):2138-2143.

［12］ 劉 剛，雷成華，劉毅剛.根據(jù)電纜表明溫度推算導(dǎo)體溫度的熱路簡化模型暫態(tài)誤差分析 ［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2011，35(4):212-217.

［13］ 雷 鳴，劉 剛，賴育庭，等.采用Laplace方法的單芯電纜線芯溫度動態(tài)計算 ［J］.高電壓技術(shù)，2010，36(5):1150-1154.

［14］ 彭 超，趙健康，苗付貴，等.分布式光纖測溫技術(shù)在線監(jiān)測電纜溫度［J］.高電壓技術(shù)，2006，32(8):43-45.

The Method for Calculation of XLPE Cable Conductor Temperature

JIANG Xiao-bing1，2
(1.College of Electrical Engineering，Changsha University of Science and Technology，Changsha，Hunan 410004，China;2.Hunan Huadian Changsha Power Co.，Ltd.，Changsha，Hunan 410203，China)

To monitoring the running state and carrying capacity of XLPE cable，the method for calculation of XLPE cable conductor temperature is studied in this paper.The lumped parameter steady-state thermal circuit model is established according to the characteristic of short laying distance of the power distribution cable and the formula of conductor temperature is derived，the effectiveness of the method is verified by experimental analysis.In the meantime，the method for calculation of conductor temperature considering the transient process is discussed，which can provide reference of on-line monitoring of running status of the cable.

XLPE cable;Cable conductor temperature;Thermal circuit model;Transient conductor temperature

TM751;TM247

A

1004-7913(2014)03-0001-03

湖南省自然科學(xué)基金項目 (2011JJ5027)

姜小兵 (1983—)，男，碩士，助理工程師，研究方向為電力電纜溫度在線監(jiān)測。

2014-01-08)