一种皱纹铝护套电缆二维热模型的修正方法与流程

1.本发明涉及高压电缆温度场计算领域，具体是一种皱纹铝护套电缆二维热模型的修正方法。


背景技术：

2.皱纹铝护套电缆广泛应用于城市电能输送,其安全经济运行对城市建设有重要意义。电缆内部的最热点温度决定了电缆载流能力的大小，快速、准确地计算最热点温度成为现阶段主要目标。电缆本体温度模型主要有iec60287标准提供一维热路模型、以皱纹铝护套平均半径等效的二维截面模型以及三维模型。而现有的一维、二维模型只适用于直铝护套电缆，对与皱纹铝护套电缆仅采用平均值等效的方法将其视作直铝护套电缆，不能保证整体等效热阻的准确性。而在电缆排管敷设、隧道敷设等复杂环境下的温度模型中，需要将三维的电缆本体模型降至二维，以在保证精度的前提下大大降低计算时间。
3.在中国实用新型专利说明书cn105928969a中介绍了一种高压单芯电缆皱纹铝护套处导热热阻的计算方法，该方法将空气间隙视作纯导热来计算其等效热阻。然而由于空气的流体与透体特性，使得空气与电缆绕包带、皱纹铝护套之间的对流换热以及电缆绕包带和皱纹铝护套间的辐射换热不能忽略。为保证温度计算的精确性，需要对电缆进行三维建模，考虑各种传热方式的作用，再对二维截面模型进行修正。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术的不足，本发明提出一种皱纹铝护套电缆二维热模型的修正方法，以修正现有以皱纹铝护套半径平均值作为等效半径的二维电缆截面模型，从而提高电缆温度、载流量计算的准确性。
5.一种皱纹铝护套电缆二维热模型的修正方法，包括如下步骤：
6.步骤1、收集皱纹铝护套电缆的结构参数及其热物理参数；
7.步骤2、基于步骤1收集的结构参数及其热物理参数建立皱纹铝护套电缆三维comsol有限元模型；
8.步骤3、基于步骤1收集的结构参数及其热物理参数计算皱纹铝护套电缆等效二维模型的结构参数；
9.步骤4、计算三维模型总等效热阻r
all
；
10.步骤5、根据步骤3计算的皱纹铝护套电缆等效二维模型的结构参数、步骤4计算的三维模型总等效热阻r
all
，计算二维等效模型的空气等效导热系数λ
air1
；
11.步骤6、根据步骤5计算的三维模型总等效热阻r
all
和步骤3得到的皱纹铝护套电缆等效二维模型的结构参数建立电缆二维有限元模型。
12.进一步的，所述皱纹铝护套电缆的结构参数包括各层绝缘材料外径d1～d8、皱纹铝护套节距l以及厚度d，所述热物理参数包括各层绝缘介质的导热系数λ1～λ8。
13.进一步的，所述步骤2具体包括：基于步骤1收集的参数，使用comsol有限元仿真软
件建立电皱纹铝护套电缆三维comsol有限元模型，其中，设电缆外表面边界条件为第一类边界，温度恒定为tw；设内部铜芯导体为发热源，其功率为p；皱纹铝护套与电缆绕包带边界设置为表面对表面辐射，将空气域设为透体；考虑空气与壁面之间的对流换热，设空气流动状态为层流，可压缩，考虑空气重力。
14.进一步的，所述步骤3具体包括：利用步骤1收集的参数，使用平均值等效的方法得到皱纹铝护套电缆等效二维模型的结构参数，即二维截面等效直径d
1*
～d
8*
，其中d
1*
～d
5*
、d
8*
与d1～d5、d8分别相等，d
6*
、d
7*
为：
[0015][0016][0017]
进一步的，所述步骤4具体包括：利用步骤2建立的皱纹铝护套电缆三维comsol有限元模型，计算电缆线芯温度tn，则总等效热阻r
all
计算公式如式(3)所示：
[0018][0019]
进一步的，所述步骤5具体包括：
[0020]
同轴圆柱体结构的物体总等效热阻为：
[0021][0022]
由式(4)即可计算出二维截面模型中空气的等效导热系数λ
air1
。
[0023]
本发明考虑了皱纹铝护套电缆绕包带与金属护套间空气间隙对流换热与空气间隙两侧壁面热辐射对等效热阻的影响，以此为基础对以皱纹铝护套平均值等效的二维模型中的空气导热系数进行了修正，使得该二维模型计算得到的缆芯温度更精确。
附图说明
[0024]
图1是本发明皱纹铝护套电缆二维热模型的修正方法的流程示意图；
[0025]
图2是纹铝护套电缆的结构示意图；
[0026]
图3是纹铝护套电缆的等效二维截面结构图；
[0027]
图4是纹铝护套电缆的comsol模型图。
具体实施方式
[0028]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0029]
请参阅图1，本发明实施例提供一种皱纹铝护套电缆二维热模型的修正方法，包括如下步骤：
[0030]
步骤1、收集皱纹铝护套电缆的结构参数及其热物理参数；所述皱纹铝护套电缆的结构参数包括各层绝缘材料外径d1～d8、皱纹铝护套节距l以及厚度d，所述热物理参数包括
各层绝缘介质的导热系数λ1～λ8。
[0031]
步骤2、基于步骤1收集的结构参数及其热物理参数建立皱纹铝护套电缆三维comsol有限元模型；具体的，基于步骤1收集的参数，使用comsol有限元仿真软件建立电皱纹铝护套电缆三维comsol有限元模型，其中，设电缆外表面边界条件为第一类边界，温度恒定为tw；设内部铜芯导体为发热源，其功率为p；皱纹铝护套与电缆绕包带边界设置为表面对表面辐射，将空气域设为透体；考虑空气与壁面之间的对流换热，设空气流动状态为层流，可压缩，考虑空气重力。
[0032]
步骤3、基于步骤1收集的结构参数及其热物理参数计算皱纹铝护套电缆等效二维模型的结构参数；具体的，利用步骤1收集的参数，使用平均值等效的方法得到皱纹铝护套电缆等效二维模型的结构参数，即二维截面等效直径d
1*
～d
8*
，等效得到的二维截面如图3所示。其中d
1*
～d
5*
、d
8*
与图2中d1～d5、d8分别相等，d
6*
、d
7*
为
[0033][0034][0035]
步骤4、计算三维模型总等效热阻r
all
；具体的，利用步骤2建立的皱纹铝护套电缆三维comsol有限元模型，计算电缆线芯温度tn，则总等效热阻r
all
计算公式如式(3)所示：
[0036][0037]
步骤5、根据步骤3计算的皱纹铝护套电缆等效二维模型的结构参数、步骤4计算的三维模型总等效热阻r
all
，计算二维等效模型的空气等效导热系数λ
air1
。
[0038]
由于同轴圆柱体结构的物体总等效热阻为
[0039][0040]
由式(4)即可计算出二维截面模型中空气的等效导热系数λ
air1
。
[0041]
步骤6、根据步骤5计算的三维模型总等效热阻r
all
和步骤3得到的皱纹铝护套电缆等效二维模型的结构参数建立电缆二维有限元模型。具体的，可在comsol软件建立相应的电缆二维截面模型。
[0042]
下面以一个具体实例对本发明进进行详细说明：
[0043]
步骤1：取110kv输电线路中导体截面积为630mm2的xlpe电缆，型号为yjw03。电缆本体缆芯结构和相关材料的热物性参数如表1所示。
[0044]
表1电缆结构、热物性参数
[0045][0046]
另外，皱纹铝护套节距l为20mm，厚度d为2mm。
[0047]
步骤2：基于步骤1收集的结构参数及其热物理参数建立皱纹铝护套电缆三维comsol有限元模型，具体模型如图4所示。
[0048]
步骤3：基于步骤1收集的结构参数及其热物理参数计算皱纹铝护套电缆等效二维模型的结构参数，其中二维截面等效直径d
1*
～d
5*
、d
8*
与图2中d1～d5、d8分别相等，二维截面等效直径d
6*
、d
7*
为
[0049][0050][0051]
可得到d
6*
＝79.5mm；d
7*
＝83.5mm
[0052]
步骤4：利用步骤2建立的有限元模型，计算电缆线芯温度tn，则总等效热阻如式3所示。
[0053][0054]
计算得r
all
＝0.948k/w。
[0055]
步骤5：基于步骤4得出的总等效热阻r
all
和步骤3得到的结构参数，计算等效后的空气等效导热系数λ
air1
。
[0056]
由于同轴圆柱体结构的物体总等效热阻为
[0057][0058]
由式4即可计算出二维截面模型中空气的等效导热系数λ
air1
。经计算，λ
air1
＝0.074w/(m
·
k)。
[0059]
步骤6：基于步骤5得出空气等效导热系数λ
air1
和步骤3得到的结构参数，在comsol软件建立相应的电缆二维有限元模型。
[0060]
利用该修正空气导热系数后的有限元模型，当外部环境温度为20℃，电缆发热功率为20w时，计算得到的缆芯温度为312.1k；若使用未修正的二维截面模型，计算得到的缆芯温度为315.6k。
[0061]
作为对比，使用三维模型得到的缆芯温度为312.1k，与修正后的二维模型一致，而
和未修正的二维模型摄氏度误差达9％，说明修正后的模型准确性更高。
[0062]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。