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依据表皮温度准确计算单芯高压电缆线芯温度的理论及实验研究

雷鸣  
【摘要】:电缆的输电容量主要受到其绝缘热稳定水平的限制,要保障电缆的安全运行,需要实时监测电缆导体的温度。影响电缆温度的动态因素很多,为了分析各种非理想因素的变化对电缆温度的影响,本文运用节点法建立单芯电缆导体温度的等效热路,分析电缆导体温度与电缆各层材料导热系数的关系,并采用灵敏度分析法,研究每个参数变化对电缆线芯温度影响。通过理论推导和分析实验数据得到,电缆导体温度对材料导热系数的灵敏度与对应材料的导热系数成反比;电缆导体温度受电缆气隙层的导热系数影响较大,气隙层导热系数的微小变化会导致导体温度计算值的很大波动。基于热路模型的灵敏度分析法能够定量给出各参数变动对导体温度影响量,为电缆导体温度和载流量的准确计算指导选取电缆材料合理热性参数值提供理论依据。 在此基础上,进一步研究电缆材料热性参数对温度的非线性,建立电缆非线性有限元模型,并与热性参数为常数的有限元模型所计算的导体温度进行比较。结合实验证明非线性有限元法能够提高电缆导体温度计算精度,能够弥补热性参数的非线性所引起计算误差。同时结合传热学原理,研究电缆热性参数随温度变化对电缆导体温度的影响,建立电缆导体温度计算三维非线性有限元模型,并通过实验数据对非线性有限元模型进行验证和修正。针对电缆的瓶颈过热点而导致明显轴向传热,如忽略热量沿着线芯轴向传输,便会造成较大的线芯温度计算误差,本文通过实验研究电缆导体径向、轴向温度梯度以及热量扩散规律,分析运行电流、外界环境温度等因素对电缆线芯轴向、径向温度分布的影响。建立中间接头有限元仿真模型,比较了考虑轴向传热模型与仅考虑径向向传热所计算导体温度差别,从而证明轴向传热研究的意思。 实验数据和有限元仿真的结果对比表明:忽略电缆热量沿着轴向传输以及热性参数的改变会造成线芯温度计算误差;非线性有限元法可以提高线芯温度计算精度。结果验证所提出的电缆导体温度实时计算非线性有限元模型的有效性,为高温下运行电缆导体温度监测与负荷预测奠定了基础;同时也证实,对于存在较为明显轴向传热体,如只考虑电缆热量传输沿着径向散热的热路模型会造成线芯温度计算误差,考虑轴向传热模型能提高计算精度。本文采用热路模型与数值分析相结合的方法,既可以减少计算量,加快运算速度,同时又能满足各种不规则电缆的温度场计算,提高计算精度,为电缆导体温度监测及载流量计算提供了可靠的保证。


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