1、2019/5/22,1,第八章 电力电缆载流量计算（二）,2019/5/22,2,电力电缆载流量计算,2019/5/22,3,载流量计算原理,2019/5/22,4,目标,学习,理解, 电-热模拟 为什么绝缘层和电缆其他层的处理方式不一样 为什么稳态和暂态计算的处理方式完全不同, 怎样计算载流量 梯形网络是什么 标准的计算做了什么假设,2019/5/22,5,如何计算电缆载流量,电缆载流量是由它的各个组成部分的温度所控制的。 下面的方程描述了温度随时间和空间的变化规则 这个方程采用数值解法（比如有限元法）求解，或者在进行简化处理后采用解析法求解。,2019/5/22,6,标准载流量技术, 计算
2、标准载流量的解析方法 Neher-McGrath载流量计算的过程可以追溯到1957年：J.H. Neher, M.H. McGrath, “The Calculation of Temperature Rise and Load Capability of Cable Systems“. AIEE Transactions on Power Apparatus and Systems, Vol. 76, October 1957.IEC-60287过程基于N-M法，然而将其纳入了IEC开发的多级标准中 Calculation of the Continuous Current Rating o
3、f Cables (100% Load Factor)“. International Electrotechnical Commission Publication 60287, 1994(以及最新的增补文件).两种方法的主要区别是: 在N-M法中采用负荷系数或损耗系数计算日负荷波 动，而IEC采用周期负荷系数。 对大部分负荷条件，两种计算方法给出的结果相近。 有限元或者有限差分法 对于实际敷设环境允许二维和三维计算； 可以解决非常规载流量计算问题。,2019/5/22,7,解析法举例,有限元和有限差分直接求解传导方程； 有限元程序演示。,2019/5/22,8,电热类比,由导体和周围媒质间
4、温度差引起的热流与由电位差引起的电流之间有着基本的类似性。 在热路中，电荷对应于热量；因此，欧姆定律与傅立叶定律存在类比关系。热路分析中热阻和热容采用的公式和电路中的电阻和电容具有相同形式。,2019/5/22,9,等值热路的应用,将“欧姆定律”类比延伸到模拟热流从电缆导体流向周围土壤。对于管道（conduit）中的单芯电缆可以表示为,2019/5/22,10,对热路的考虑,交流损耗与介质损耗和热阻可用下面讨论的方法之一计算 这些计算不是太困难； 一个主要的挑战是确定在方程中采用哪些参数。 同一个电缆沟里的多条电缆互相加热被归纳到土壤的热阻部分。 由其他平行或者交叉的电缆、外部热源如蒸汽主管道
5、等产生的互相加热效应等，也应被考虑。 载流量计算是对基于热传导链中最薄弱环节进行分析。非常重要的是找到线路上工作温度最高的位置，并按此位置限定载流量的额定值。,2019/5/22,11,对热路的考虑,如后面将会讨论到，热回路中的大地部分是非常重要的，因为计算得它的热阻超过导体和周围环境之间总热阻的一半。 热回路中变化最多的参数还有时间和水分含量，包括电缆发热引起的烘干效应。 为了对沿线的当地土壤以及电缆沟和保护套中的特殊回填土的热阻进行评价，需要进行实地和实验室测量。在热学测量过程中，或者通过热电偶测量得到环境温度。,2019/5/22,12,由导体和绝缘热容组成的热路,2019/5/22,1
6、3,Van Wormer 系数,绝缘的热容用一个叫做Van Wormer系数的因子与导体和金属套分开,2019/5/22,14,短时暂态,短时暂态通常历时10分钟至1小时。正式的表述是，这段时间小于电缆时间常数的千分之一,2019/5/22,15,集中参数的热路,2019/5/22,16,稳态载流量方程,2019/5/22,17,计算下面电缆的稳态载流量,2019/5/22,18,载流量计算公式,2019/5/22,19,稳态持续载流量表,2019/5/22,20,稳态载流量表 制造商表格,2019/5/22,21,稳态载流量计算方程干燥土壤,2019/5/22,22,土壤干燥,考虑和前面电缆
7、相同（载流量655A），并且添加以下参数,2019/5/22,23,计算,2019/5/22,24,稳态载流量计算方程对流边界,在电缆敷设深度浅的情况下，CYMCAP可以描述对流边界。需要的参数是周围空气温度。,2019/5/22,25,稳态载流量计算方程 空气中电缆,当电缆安装在自由空气中，使用与上面讨论的相同梯形网络。 不过，外部热阻计算主要是对辐射和对流热损耗 。 如果电缆曝露在阳光辐射下，电缆外层的热吸收会引起额外的温度上升。,2019/5/22,26,空气中电缆,各个参数取值如下,对于有遮挡的电缆 I=869 A,2019/5/22,27,同一沟槽中不同类型电缆的载流量,任务：找出任
8、何电缆系统中的最大电流负荷，或者载流量 在任何一根电缆都不过热的情况下，找出它们的总体电流的最大值。,现有的办法： 使用文献中给出的公式。 开发实现这些公式的商业程序。,2019/5/22,28,载流量计算方程中的参数,2019/5/22,29,目标,学习,理解,电缆各层的材料和结构对载流量的影响。 外部热阻对电缆载流量的影响。, 热阻和热容是如何计算的？ 如何计算损耗系数？,2019/5/22,30,绝缘热阻,这里t1和dc分别是绝缘厚度和导体直径， 是材料的热阻； 类似的公式适用于所有的同心层； G是几何因子，其值取决于绝缘厚度。,三芯电缆,2019/5/22,31,绝缘热阻,2019/5
9、/22,32,绝缘类型对载流量的影响,假设采用了相同的空心导体来保持相同的交流电阻，这样只显示出绝缘的影响。,2019/5/22,33,带有填充物的三芯电缆,2019/5/22,34,外部热阻,G (被称作几何因子)取决于电缆的直径和导体之间的距离,对三芯电缆：,对单芯电缆：,2019/5/22,35,管道中电缆和直埋电缆,对于管道中的电缆，T4包含了管道内的媒质、管道覆盖层、以及管道外部土壤的热阻。,对于最好的敷设方案ABCABC，载流量从997A降低到918A,2019/5/22,36,外部热阻,埋设深度的影响（其他因素保持不变）,2019/5/22,37,一些材料的热阻,石英 0.11
10、花岗岩 0.250.58 石灰岩 0.45 砂岩 0.58 水 1.65 有机材料 47 空气 37,2019/5/22,38,水分对土壤热阻的影响,2019/5/22,39,水分迁移以及非等温地表面的影响,三根单芯电缆土壤热阻0.8Km/W 标准分析 414A 水分迁移的影响 (干燥态热阻2) 404A 非等温地表 405A,2019/5/22,40,埋在回填土中的电缆,首先忽略回填物，而把整个区域的热阻认为具有其周围热阻然后加入一个修正通常,2019/5/22,41,其中u=LG/rb, 这里rb是由x和y标识的边界长度的函数。 这个近似适用的条件是 1/3 x/y 3 如果这个假设不成立
11、，就采用扩展表中的数值。,埋在回填土中的电缆,2019/5/22,42,埋在回填土中的电缆,土壤和回填土热阻系数之间的关系对计算结果的影响。,2019/5/22,43,环境的影响,2019/5/22,44,管式电缆的特殊考虑,每根电缆芯的导体和屏蔽之间的绝缘热阻和单芯电缆的计算方法一样。 热阻T2由两部分组成：(a) 每根电缆芯的屏蔽或金属套外面所有覆盖层的热阻。载流量计算方程中的热阻值用每根电缆的值所取代，即三芯电缆的热阻值是单根电缆芯热阻的三分之一。(b) 电缆芯和管道内壁之间填充的液体或者气体的热阻。该热阻的计算采用计算一根电缆与管道内壁之间的热阻相同的方法。得到的计算值是每根电缆的，在
12、代入载流量方程前，应当和上述(a)中得到的热阻数值相加。 管道外部所有覆盖层的热阻和同心层的处理方法一样。金属管道本身的热阻可以被忽略。,2019/5/22,45,空气中电缆,CYMCAP中嵌入了两种方法 IEC 60287 IEEE IEC的方法更加复杂,2019/5/22,46,敷设方式的影响,三角形直埋敷设319A 三角形空气中远离墙面敷设，=289A 三角形空气中远离墙面敷设，有遮挡=311A 三角形空气中敷设靠近墙体，无遮挡263A,电缆线路的载流量总是基于受到约束最多的路段计算的。,2019/5/22,47,空气中的成组电缆,2019/5/22,48,热容,典型的同心层热容计算公式
13、：通过估算，电缆的热容在以下情况下可以忽略： 任何形式的周期负荷，标称电压小于36kV的所有导体截面的所有形式电缆。 满足以下所有条件的电缆负荷损耗系数不小于0.65，坐标Y0,Y1 和Y2的平均值不小于0.9，坐标Y3,Y4 和Y5的平均值不小于0.7。 满足以下所有条件的自容式电缆负荷损耗系数不小于0.4，Y1到Y5满足上面的条件。,2019/5/22,49,深埋电缆,对于深埋电缆，我们也可以考虑周周期和年周期的负荷变化。,标准计算结果=258A 考虑深度结果=311A 电流容量增加了 21%,2019/5/22,50,实时载流量,2019/5/22,51,目标,学习,理解, 实时载流量计
14、算和离线载流量计算的区别。, 实时监测是什么意思？ 这种情况的计算如何进行？,2019/5/22,52,电缆实时载流量 电缆载流容量,资本收益最大化 增加电流运载能力 消除过热的危险 储存历史信息。 提供实时信息,2019/5/22,53,电缆实时载流量系统构成,被测量电缆 负载电流 电缆表面和周围温度 电缆以及系统的热学模型 实时载流量数据的获取 历史数据的显示 已获第三方证明部分。,2019/5/22,54,电缆实时载流量测量电缆,沿着线路找到热点。 得到电缆表面和周围温度热电偶，分布式测温DTS 获得负荷电流 SCADA(系统监视控制及数据采集), split-core CT电流互感器,
15、 测量传感器,2019/5/22,55,识别监测位置,2019/5/22,56,电缆实时载流量 隧道中SCFF电缆上的热电偶,2019/5/22,57,电缆实时载流量 附在HPFF电缆上的热电偶,2019/5/22,58,电缆实时载流量 测量隧道环境温度的热电偶,2019/5/22,59,电缆实时载流量 安装在电缆线路上的杆上数据采集系统,2019/5/22,60,电缆实时载流量 Split core CT的负载电流,2019/5/22,61,电缆实时载流量 热模型和载流量,电缆（热点）的二维连接模型 周围环境特征（土壤，空气） 线路的客户确认和批准。 计算频繁更新。 载流量 特定的时间(接着
16、的 x 分钟、小时) 稳态 到达过热的时间 导体温度随着时间的变化 剩余寿命(纸绝缘电缆) 从导体温度判断,2019/5/22,62,变电站安装的专用CPU,2019/5/22,63,用户规定的载流量,2019/5/22,64,载流量的访问方式,专用CPU 电话，无线连接 到 远程终端设备（） 载流量: 拨号，局域网LAN 连续更新 历史数据存档 系统状态，错误检查,2019/5/22,65,综合显示屏 显示最差状态的位置(浅绿色),2019/5/22,66,历史输入和载流量数据的典型曲线图,2019/5/22,67,系统状态显示 出错地点显示(红色),2019/5/22,68,DFR可能的应用,直埋，管道，隧道，海底 额定电压5kV到500kV电缆 HPFF，SCFF，XLPE，EPR，压缩气体 单回路，多回路,2019/5/22,69,只测量电流的实时载流量,2019/5/22,70,本章结束,
