一種高壓交流電纜負荷循環加熱方法與流程

本發明涉及一種電纜試驗方法，尤其指一種高壓交流電纜負荷循環加熱方法。

背景技術：

交流電纜在進行負荷循環時，無法直接測得試驗回路的導體溫度，需要設置模擬回路實時監測導體溫度，從而控制試驗回路的導體溫度。因此試驗回路施加了交流試驗電壓和加熱電流，模擬回路僅施加加熱電流。當電壓等級在220kv甚至500kv以上時，試驗電壓較高，因交流高壓引起的介質損耗對試驗回路的溫升的影響將不可忽略。現有針對低電壓等級的交流電纜負荷循環的加熱方法，試驗回路施加加熱電流與模擬回路相同，而針對高電壓等級的交流電纜來說，這種加熱方法忽略了介質損耗引起的對試驗回路溫升的影響。當模擬回路達到電纜最高運行溫度時的電流值加在試驗回路上，可能會使試驗回路的電纜溫度高于最高運行溫度，導致試驗條件過于苛刻，甚至會造成試驗回路電纜過早發生擊穿，影響電纜試樣電氣性能驗證的準確性。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題和提出的技術任務是對現有技術方案進行完善與改進，提供一種高壓交流電纜負荷循環加熱方法，以達到試驗回路與模擬回路導體溫度控制同步目的。為此，本發明采取以下技術方案。

一種高壓交流電纜負荷循環加熱方法，其特征在于包括如下步驟：

1)獲得電纜結構參數和材料參數；

2)建立試驗回路和模擬回路等效熱路模型；

3)計算導體最高溫度時的模擬回路穩態電流；

4)構造損耗等效模型；根據試驗回路和模擬回路等效熱路模型、導體損耗、介質損耗獲得對應的模擬回路和試驗回路損耗等效模型；

5)計算穩態時的等效介質損耗電流，以確定試驗回路和模擬回路的加熱電流差值；等效介質損耗電流根據模擬回路穩態電流及損耗等效模型計算獲得；

6)確定試驗回路加熱電流，試驗回路加熱電流為模擬回路的加熱電流與等效介質損耗電流的差值；

7)在計算得到試驗回路加熱電流和等效介質損耗電流后，開展負荷循環時，試驗回路的加熱電流應為模擬回路的加熱電流減去等效介質損耗電流，并且在試驗回路和模擬回路相同工況的電纜表皮設置多個測溫點進行對比。

作為對上述技術方案的進一步完善和補充，本發明還包括以下附加技術特征。

進一步的，在步驟2)中，建立試驗回路和模擬回路等效熱路模型為：

式中：t1為絕緣熱阻，包括內外屏蔽及阻水層熱阻；t2為外護層熱阻；t3為外部熱阻；q1～q3為電纜各層熱容；wd為介質損耗；w(t)為導體損耗；ws為金屬套損耗；θ1(t)為導體溫度；θ2(t)為金屬套溫度；θ3(t)為電纜表面溫度；θa(t)為環境溫度；

對于模擬回路，式(1)變為

進一步的，步驟3)中，獲取導體最高溫度、環境溫度、電纜各層熱阻信息，根據標準載流量計算公式，進行仿真計算，將模擬回路電流從0開始逐漸上升，最終計算出導體最高溫度時模擬回路穩態電流。

進一步的，步驟4)中，導體損耗為：

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

式中：r0為20℃時導體單位長度的直流電阻，a20為20℃時材料恒定質量溫度系數，ys為鄰近效應因素，yp為集膚效應因素；

介質損耗為：

式中：ω＝2πf；u0為對地電壓；tgδ為介質損耗因數；c為單位長度電纜電容。

進一步的，步驟4)中，損耗等效模型為：

it+id＝is

w(t)+wd＝w'(t)

式中：is為模擬回路加熱電流，it為試驗回路加熱電流，id為等效介質損耗電流，w'(t)為模擬回路導體損耗，w(t)為試驗回路導體損耗。

進一步的，在步驟5)，當電纜導體溫度接近最高運行溫度時，等效介質損耗電流計算公式為：

試驗回路加熱電流計算公式為：

式中：r＝r0[1+a20(θ1(t)-20)(1+ys+yp)]為單位長度電纜的交流電阻。

有益效果：

(1)本發明充分考慮了高壓電纜的介質損耗對負荷循環試驗模擬回路溫度控制等效性的影響，防止試驗回路導體實際溫度高于模擬回路。

(2)本發明通過計算穩態時的等效介質損耗電流，確定試驗回路和模擬回路的加熱電流差值，不必實時進行計算，便于試驗操作。

附圖說明

圖1是本發明流程圖。

圖2是本發明電纜試驗回路等效熱路模型圖。

圖3是本發明電纜模擬回路等效熱路模型圖。

具體實施方式

以下結合說明書附圖對本發明的技術方案做進一步的詳細說明。

如圖1所示，本發明包括如下步驟：

1)獲得電纜結構參數和材料參數；包括電纜各層的內徑和外徑以及電纜各層所使用的材料的密度、電阻率、導熱系數、定壓熱容等參數。

2)建立試驗回路和模擬回路等效熱路模型；

3)計算導體最高溫度時(100％負荷因數)的模擬回路穩態電流；

4)構造損耗等效模型；根據試驗回路和模擬回路等效熱路模型、導體損耗、介質損耗獲得對應的模擬回路和試驗回路損耗等效模型；

5)計算穩態時的等效介質損耗電流，以確定試驗回路和模擬回路的加熱電流差值；等效介質損耗電流根據模擬回路穩態電流及損耗等效模型計算獲得。

6)確定試驗回路加熱電流，試驗回路加熱電流為模擬回路的加熱電流與等效介質損耗電流的差值。

7)在計算得到試驗回路加熱電流和等效介質損耗電流后，開展負荷循環時，試驗回路的加熱電流應為模擬回路的加熱電流減去等效介質損耗電流，并且在試驗回路和模擬回路相同工況的電纜表皮設置多個測溫點進行對比。

以下就部分步驟具體實施作進一步的說明：

一、建立試驗回路和模擬回路等效熱路模型，

電纜試驗回路等效熱路模型、電纜模擬回路等效熱路模型如圖2、3所示；根據上述等效熱路模型，可得電纜試驗回路暫態條件下的熱流微分方程如下：

式中：t1為絕緣(含內外屏蔽及阻水層)熱阻；t2為外護層熱阻；t3為外部熱阻；q1～q3為電纜各層熱容；wd為介質損耗；w(t)為導體損耗；ws為金屬套損耗；θ1(t)為導體溫度；θ2(t)為金屬套溫度；θ3(t)為電纜表面溫度；θa(t)為環境溫度。

對于模擬回路，式(1)變為

二、計算損耗；

根據iec60287系列標準，導體損耗為

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

式中：r0為20℃時導體單位長度的直流電阻，a20為20℃時材料恒定質量溫度系數，ys為鄰近效應因素，yp為集膚效應因素。

介質損耗為

式中：ω＝2πf；u0為對地電壓；tgδ為介質損耗因數；c為單位長度電纜電容。由于試驗時試驗回路的金屬套單點接地，金屬套的環流損耗為零，而金屬套的渦流損耗可忽略不計，因此金屬套損耗ws≈0。

三、計算導體最高溫度時(100％負荷因數)模擬回路穩態電流；

確定導體最高溫度，環境溫度，電纜各層熱阻，結合上述步驟(2)中求得的損耗表達式，根據iec60287系列標準載流量計算公式進行推導可得：

式中：i為模擬回路導體中通過的電流，r為最高工作溫度下導體單位長度的交流電阻，θ為導體溫度，θ0為環境溫度，t1，t2,t3分別為單位長度絕緣熱阻，單位長度外護層熱阻和電纜表面與周圍介質單位長度熱阻，λ1，λ2分別為金屬套損耗系數和鎧裝損耗系數，對于沒有鎧裝的交聯聚乙烯電纜來說，λ2＝0。

通過仿真計算，將模擬回路電流從0開始逐漸上升，最終計算出導體最高溫度時(100％負荷因數)模擬回路穩態電流ismax。

四、構造模擬回路和試驗回路損耗等效模型；

如圖2和圖3所示，在金屬套損耗忽略不計的情況下，模擬回路和試驗回路僅相差了介質損耗引起的溫度變化，故構造如下等式

it+id＝is(8)

而為了使模擬回路的溫度能夠等效試驗回路，應有

w(t)+wd＝w'(t)(11)

式中：is為模擬回路加熱電流，it為試驗回路加熱電流，id為等效介質損耗電流，w'(t)為模擬回路導體損耗，w(t)為試驗回路導體損耗。

當電纜導體溫度接近最高運行溫度時，is即為上述步驟(4)仿真計算得到的ismax。

五、計算等效介質損耗電流；

當電纜導體溫度接近最高運行溫度時，結合式(9)代入模擬回路加熱電流is可得

式中：r＝r0[1+a20(θ1(t)-20)(1+ys+yp)]即單位長度電纜的交流電阻。以上圖1所示的一種高壓交流電纜負荷循環加熱方法是本發明的具體實施例，已經體現出本發明實質性特點和進步，可根據實際的使用需要，在本發明的啟示下，對其進行形狀、結構等方面的等同修改，均在本方案的保護范圍之列。