（电力电子与电力传动专业论文）电力电缆温度在线监测系统的研究.pdf

a b s t r a c t p u r p o s eo fo n l i n em o n i t o r i n gs y s t e mf o rp o w e rc a b l ei st oe n s u r et h a tt h e c a b l e sa r eo p e r a t e da ta t e m p e r a t u r er a n g ew i t h i nt h e i rs p e c i f i e dp a r a m e t e r sa n d t h a n t h e yd on o tu n d e r g oe x c e s s i v eh e a t i n ga n dp r e m a t u r ea g i n g t h es y s t e mp e r f o r m s r e a l t i m ec a l c u l a t i o n so fc o n d u c t o rt e m p e r a t u r eb a s e do nc a b l ei n s t a l l a t i o n , c a b l e s u r f a c et e m p e r a t u r e s ，l o a dc u r r e n tm e a s u r e m e m sa n dar e a l i s t i ck n o w l e d g eo ft h e t h e r m a le n v i r o n m e n to fac a b l e t h er e a l - t i m em o n i t o r i n gw i l le n a b l es y s t e m o p e r a t o r st oh a n d l ee m e r g e n c ys i t u a t i o n sm u c hm o r ee f f e c t i v e l y , t or e d u c et h e m i s o p e r a t i o no fl o c a ls w i t c h e sa n d t oa d j u s ta r n p a c i t yo fc a b l et oa l l o w a b l ea r n p a c i t y r a t i n gu n d e rr e a s o n a b l ea l l o w e ds a f e t ym a r g i n s f i r s t l y , t h es t r u c t u r eo fx l p ec a b l ei s s t u d i e dt od e v e l o pt h ef o r m u l ao f e f f e c t i v er e s i s t a n c e ，d i e l e c t r i cl o s s ，m e t a ls h e a t h i n gl o s s ，s h i e l dl o s sa n dt h et h e r m a l r e s i s t a n c eo fc a b l e a n dt h e nt h e p a p e ra n a l y s e s t h ec a l c u l a t i o no ft h e c u r r e n t c a r r y i n gc a p a b i l i t y , o ra m p a c i t y , o f e l e c t r i cp o w e rc a b l e sa n dt h ec a l c u l a t i o n s o f c o n d u c t o rt e m p e r a t u r ei nr e a l t i m eo fs t e a d ys t a t ea n dt r a n s i e n t sb a s e do nal a d d e r t h e r m a ln e t w o r ko fc a b l e s e c o n d l y , a c c o r d i n gt oa c t u a lc o n d i t i o ni nt u n n e l ，s c h e m e o fu s i n gw i r e l e s sd a t ac o m m u n i c a t i o ns y s t e mf o rt h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mo ft h e m e a s u r e ds h e a t ho rs u r f a c et e m p e r a t u r eo fac a b l ei sa d o p t e da n dt e m p e r a t u r e s e n s i n ge q u i p m e n ti sd e s i g n e d f i n a l l y , s o f t w a r ed e s i g no fo n l i n et e m p e r a t u r e m o n i t o r i n ga n dp r e d i c t i n gs y s t e mf o rp o w e rc a b l eb a s e do nt h er e a l - t i m ea l g o r i t h m i sd e v e l o p e da n ds y s t e ms i m u l a t i o ni so p e r a t e d a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to ft h ef u n c t i o no fo n - l i n et e m p e r a t u r em o n i t o r i n g s y s t e mf o rp o w e rc a b l e ，t h ew h o l es y s t e md e s i g ni sd i v i d e di n t ot w of u n c t i o n m o d u l e sa n dm o d u l e sa r ed e s i g n e ds e p a r a t e l y f i n a l l y , e a c hf u n c t i o nm o d u l ei s i n t e g r a t e di n t ot h ew h o l es y s t e m a tt h ee n do ft h i s t h e s i s ，t h er e s u l t so fs y s t e ms i m u l a t i o ns h o wt h a tt h e p e r c e n t a g ee r r o ro ft h i sd e v i c ei sl e s st h a n5 f u n c t i o n sf o rr e a lt i m em o n i t o r i n g ， a m p a c i t yr a t i n g ，t e m p e r a t u r ep r e d i c t i n g i s i m p l e m e n t e da n d t h e e x p e c t e d i i r e q u i r e m e n to ft h ep r o j e c ti ss a t i s f i e d k e y w o r d s ：p o w e rc a b l e ；t e m p e r a t u r em o n i t o r i n g ；r e a l t i m ec a l c u l a t i o n - i i l 论文原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。 文中依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法 律意义上己属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申 请的论文或成果。 本人如违反上述声明，愿意承担以下责任和后果： 1 交回学校授予的学位证书； 2 学校可在相关媒体上对作者本人的行为进行通报； 3 本人按照学校规定的方式，对因不当取得学位给学校造成的名誉损害， 进行公开道歉； 4 本人负责因论文成果不实产生的法律纠纷。 论文作者签名：蕉丕乏墓日期：2 丝篁年立月丝日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属东北电 力大学。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 署名单位仍然为东北电力大学。 论文作者签名： 导师签名： 中国优秀博硕士学位论文全文数据库 和中国学位论文全文数据库投稿声明 研究生部： 本人同意中国优秀博硕士学位论文全文数据库和中国学位论文全文 数据库出版章程的内容，愿意将本人的学位论文委托研究生部向中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社的中国优秀博硕士学位论文全文数据库和中国科 技信息研究所的中国学位论文全文数据库投稿，希望中国优秀博硕士学 位论文全文数据库和中国学位论文全文数据库给予出版，并同意在中 国优秀博硕士学位论文全文数据库和c n k i 系列数据库以及中国学位论文全 文数据库中使用，同意按章程规定享受相关权益。 论文级别：d 缸士口博士 作者签名： 劫之。5 芝 指导教师签名： 作者联系地址( 邮编) ： 作者联系电话： 第1 章绪论 第1 章绪 论 1 1课题研究背景、目的及意义 伴随我国国民经济的迅猛发展，城市建设和企业现代化程度提高，作为国 民经济命脉的电力遇到了前所未有的挑战。为了满足供电需求，城市电网中电 力电缆所占的比重越来越大，从而导致对电力电缆的运行管理、检测维护工作 量越来越多。特别是经济发展快的城市如北京、上海的城区电网呈现出高负荷 密度和高负荷增长的特点 ，这就要求采用新高电压、大容量输变电设备深入中 心城区的负荷中心就近供电。采用高电压、大截面电缆可以满足大输送容量的 要求，但城市管制以及线路密集使得增加新的电力输送设施异常困难。由于铺 设新的电力设施面临诸多压力，这样在现存电力线路上安全提升电缆传送容量 变得相当重要。为了安全提升电力电缆的输送能力，保障电力电缆设施的运行 环境以及电力电缆设施的本体安全，必须对现存的电缆监控系统做出改进以监 督电力电缆新的运行状态。因此，最大化利用电力电缆的传输容量，是满足中 心城区高负荷密度和电缆化的供电要求，也是创建节约型社会的有效措施。而 城区中心变电站的线路密集、工程复杂，且地下电缆一般分布广、距离长，一 旦发生事故必定造成严重的损失，为有效保障电力通道的输送容量和提高通道 资源利用率，所以电缆的安全运行以及维护更值得进一步的研究。 然而对电力电缆而言，它有两种运行方式：一种是正常带负荷的运行，另 一种是过负荷运行方式。在这两种运行方式下，电力电缆的绝缘将始终承受系 统的工作电压。而电力电缆的使用寿命主要取决于电力电缆绝缘的寿命。在正 常运行状态下对于x l p e 电缆，其绝缘的寿命基本上决定于电力电缆运行期间的 水树、电树的产生和发展，而电缆的运行温度或者电缆的负荷大小并不是决定 性因素1 2 4 1 。但是，并不是说可以对电缆的负荷不加限制。电力电缆的绝缘老化 程度与绝缘的温度有关。虽然正常运行状态下温度的影响不大，但在非正常的 过热状态下，电力电缆绝缘老化的速度非常快。因为实际输配电负荷并不恒定， 负荷会不断调整变化，而电力电缆在过负荷非正常运行方式下，一旦电缆过负 荷运行，导体温度就会急剧上升，加速绝缘老化，甚至发生热击穿。研究发现， 东北电力大学硕- j ：学术论文 皇曼曼曼曼曼鼍曼曼曼舅舅曼曼曼曼曼曼曼曼曼蔓曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼鼍曼 一一i i 一一一一 一i i m 当x l p e 电缆的工作温度超过允许值的8 时，其寿命将线芯减半；如果超过1 5 ，电缆寿命将只剩下1 4 【5 1 。为了安全提升电缆传送容量的情况下，过热电缆 的传输容量必须通过各种变量因数来监控。 此外电缆运行环境也是制约影响导体实际运行温度的一个因素。在直埋埋 地电缆的周围，湿度的迁移与蒸发与电缆的温度变化有着密切联系。在隧道安 装的电缆，空气的对流、电缆本身和隧道墙壁的热辐射、热对流也都对导体温 度有影响。当电缆直埋时，如果环境的热特性是稳定的，基于环境的电缆温升 可以通过线性叠加法解决，但环境是一个非线性的热特性时，线性叠加法并不 适用 6 1 。由此可见如果能够根据电缆的实际运行状态和运行环境，模拟出电缆 的安装环境及电缆的运行状态，使得导体温度的计算更加精确。这样就能够对 电缆运行负荷进行实时监控和调整，不仅使电缆本身的带负荷能力得到充分地 发挥，而且能够及时发现电缆运行中不正常的状态，对解决电力调度中紧急状 况下的电力供应问题起到积极的作用。 所以，无论是从电力电缆自身安全运行角度，还是从电力系统调度需要的 角度出发，都需要对电力电缆的运行状况进行实时监测。为了保障电缆在无故 障风险下的运行下提高电缆利用率，对电缆的实时监测越来越重要，因此实时 导体温度信息的获取就有其更积极的作用了。为此本文根据电缆本身的发热特 性并综合影响电缆温升的环境因素，对电缆导体实时温度计算方法进行了分析。 本课题的目的就是对电缆的运行温度实时监测计算，使得高压电缆在不超 过温度极限的情况下承载更多的负荷，并能够预测电流增加引起的温升以防电 缆运行中紧急负载引起的温度超限，以及对电力电缆运行环境进行动态检测， 从而提升电力电缆在实际运行状态下的带负荷能力。同时，对电缆异常运行状 况做出警报及切断动作，并将这些信息传递给电力调度人员作为他们进行检修 和调度的一个依据。 1 2 电缆在线监测的研究现状 电力电缆线路在线监测技术为当前及时发现电力电缆线路的局部过热点位 置、检测运行线路绝缘状态、计算导体载流量的首选技术措施。其中有电缆故 障检测、电缆绝缘检测、电流检测及温度监测。而导体的温度最能直接反应出 第1 章绪论i i i i i i i 皇曼曼曼曼曼皇曼曼皇皇曼曼曼曼皇蔓 电缆是否正常运行。因为电缆在运行时，导体并不具有理想的导电性能，电阻 引起的损耗与流过导体的电流平方成正比，这个损耗会通过热量表现出来。而 电缆的绝缘允许温度决定通过导体的最大电流，导体运行温度只能从护套温度 或表面温度来估计。如果电缆安装在地下，那么电缆周围的土壤和回填土就会 对电缆的散热造成障碍，影响电缆的绝缘。除了导体的功率损耗外，还有电缆 护套和铠装引起的环流损耗和涡流损耗，以及加在高压电缆上的交替电压还会 引起介质损耗，这些损耗都会对导体的温升有影响。所以导体的实时温度计算 是本论文的一个研究重点。 目前国内外对电缆的导体温升分析都是基于电缆的等效热路( 这也是i e c 6 0 2 8 7 和i e c 6 0 8 5 3 标准) ，本文也采用电缆等效热路来分析整个电缆安装情况以 及周围环境。 国内关于导体温升计算主要集中在线性热环境下对稳态运行时电缆特性的 分析，电缆的在线监测也仅限于电缆电流和电缆表面温度或绝缘层温度的测量， 没有再深入的分析电缆导体的温升情况。这样监测电缆运行时，导体的实际温 度概念比较模糊，那么根据测得电缆表面或绝缘温度来粗糙的评估电缆运行电 流是否正常，这样在电缆的使用方面会造成浪费。一方面电缆造价高所以要充 分利用电缆的传输能力，另一方面也要保障电缆的安全运行。所以要预防载流 越限，温度超标，绝缘击穿，及火灾事故发生，有必要对导体温度进行精确的 实时计算。而国外的电缆监测系统更偏重安全提升电缆的载流能力，所以在导 体实时温度监测方面比较有经验，2 0 0 3 年a n d e r 和2 0 0 4 年d ew i l d 提出动态反馈 仿真模型【7 1 。 ， 叠加原理是目前一些线性热路的导体温度算法的基础，因为要体现非线性 的环境因素影响( 湿度迁移、季节变化等环境参数) ，所以当热路方程是非线性 时，叠加原理并不能很好的解决这些问题。因为电缆敷设环境有地下、管道还 有空气，所以导体的温度变化的环境参数的计算也是必须考虑的。而环境中的 湿度迁移和涉及湿度的变化都是不稳定的热环境因素【明，所以本文根据实际情况 的要求，采用了非线性热环境下导体温度实时算法。总之，根据电缆热环境是 否是线性的来决定所采用的导体温升计算方法，所以如果测量得到的电缆表面 温度和电流值可靠的话，通过导体温度算法程序就能实现对导体实时温度的计 算与预测，这就是引入实时计算的目的。 此外，对于目前国内外的温度采集技术主要有如下几种： 1 点式温度传感技术 点式温度传感技术是在测温的现场根据需要设置多个点式传感器( 如热偶、 热阻和热继电器等) 以测得空间特定点的温度并通过相应的缆线将温度模拟量 或越限信号上传至主机进行处理的技术。主要采用的是基于温度传感器或者热 电偶测量技术，将温度传感器或热电偶置于线路中易发生故障的地方，如电缆 终端和中间接头，或电缆有局部热源处，来监测这些部位的温度。这种方法投 资少，操作简单，并且只能获得线路的局部温度p j 。 2 基于热效应的电力电缆在线监测技术 目前的研究主要是利用红外技术，如红外热像仪。对电缆表面温度进行测 量，对线芯温度进行反演计算，实现对电缆线芯温度非接触式、实时可见的在 线诊断。这种方法虽然能够弥补电缆局部测温的不足，但基于热效应的红外技 术在测温时要受物体发射率、环境和气雾的影响较大【l 仉1 1 j 。 3 线式温度传感技术 主要是在测温现场根据需要敷设一根或多根由特殊温度导电性能材料制成 的感温电缆，将感温电缆沿电缆平行安放，或将其绑扎在电缆外护套上以测得 一定区段内空间温度。当电缆温度超过固定温度值时，感测电缆被短路，发出 报警信号。缺点是破坏性报警、报警温度固定、故障信号不全。且不能测出电 缆的实际温度值；由于电缆数量多，系统安装及维护工作不够方便，设备易损 坏；不能进行早期故障预测，不能实时显示测量值，无温度趋势分析【1 2 】。 4 光纤传感器技术 光纤传感器是近年发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器。光纤传感 器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质。因此具有光学 测量的特点：电绝缘性能好、抗电磁干扰能力强、高灵敏度、容易实现对被测 信号的远距离监控。光纤传感器的原理是把测量的状态转变为可测的光信号的 装置。它利用入射光和后向散射光之间的时间差和光纤内的光传播速度，可以 计算不同散射点的位置距入射端的距离，所以可得到光纤沿程几乎连续的温度 第1 章绪论 分布 1 3 - 1 5 】。 基于以上几种传感技术的数据采集主要的功能不尽相同，点式温度传感器 经常沿电缆安装在一些关键部位监测，与线时温度传感一起构成监控系统的采 集部分。电力电缆在线监测系统多数是对电缆运行的温度进行监控及曲线分析、 报警的功能，对于导体实时运行温度的计算也需要更多的关注，目前国外的一 些监测软件相对比较丰富，有温度预报、实时温度计算、区域监控等。本文将 根据实际运行环境，布置合适的温度采集终端，并设计一个具有实时监控与预 测功能的电力电缆在线监测系统。 1 3 本课题内容 本文以最大化载流量以及电缆绝缘监测为背景研究、比较和分析目前国内 外的电缆运行监测技术，利用电缆温度与电缆载流量和电缆绝缘之间的直接联 系，并根据导体实时温度分析电缆的敷设环境及电缆参数的变化对导体温度的 影响，利用测得的动态数据( 电缆运行电流，电缆的表面温度及环境温度) 计 算电缆的实际运行温度以及电缆载流量，比较测得的数据与计算数据的差别对 运行电缆的载流量进行调整，从而实现对电力电缆的实时监测。此外根据实际 工程需要制作了温度采集终端，对线式测温中的关键点进一步监控，使得电缆 运行中的关键部位能得到多层监控。 通过对整个系统的研究分析，本论文进行了如下几方面的工作： 1 从电缆本体出发，分析电缆的结构特性以及等效热路，剖析了电缆线路实 时导体温度的计算方法，以及电缆周围环境和外部热源对电缆温升的作用。建 立电缆导体温升计算模型，通过实时测量的电流数据，护套表面温度或绝缘表 面温度与电缆导体温度之间的函数关系运用软件计算程序来得到导体的运行温 度。 2 根据工程需要，制作低成本的温度数据采集传输终端，能采集电缆运行中 电缆和环境中关键部位的温度。为电缆运行情况和电缆的运行环境的动态变化 提供所需的温度数据。 3 根据系统对实时性能和预测功能的要求，设计电力电缆在线温度监测系统 各个运行软件，并验证其对电缆温度监控的有效性。 东北电力人学硕卜学术论文 第2 章电力电缆实时温度计算方法 2 1引言 根据电力电缆知识可知，电缆运行时，线芯、绝缘层、护层等组成部分产 生损耗并发出热量，使各部分工作温度升高，绝缘材料的绝缘性能规定了电缆 长、短期允许的最高工作温度，而长期最高工作温度决定了电缆的载流量。 电缆的输送容量理论上是以温度为自变量的函数，在i e c6 0 2 8 7 中所提出的 10 0 负荷下电缆( 载流量) 输送容量的计算方法是目前标准的计算方法，其主要 思想是根据电缆所适用的电网系统、敷设方式、环境温度和湿度、周围热源及 热介质、电缆及环境热阻等因素建立电缆稳定运行时的热物理场微分方程以求 解电缆导体温升和载流量1 1 6 1 。 对于电缆实时温度监测最重要的任务是利用测量电流和环境数据计算导体 温度，或者是给出导体温度计算所允许的传输电流。但更应该注重实际运行中 温度与载流量的关系，后者更能在不稳定的电网负荷和环境因素中确定电缆的 运行情况，具体情况和假设条件也相距甚远，导致计算结果与实际情况的较大 误差。要解决这个问题，首先要明确电缆的热量是通过电缆和其周围的环境以 多种途径传递的，所以在给定导体材料和负载时，电缆内部发热特性和散热率 必须计算出来。而在这些决定性的因素中，周围媒质的散热能力发挥主要的作 用，随着多种因素的不同而变化，比如：土壤组成、湿度含量、环境温度、风 速等。因此为了确定电缆系统最佳和最安全的运行载流量，有必要对电缆及环 境进行实时、精确的温度监测。 所以电力电缆在线温度检测和载流负荷的预测不仅要计算电缆交流电阻、 介质损耗、金属护套损耗、铠装损耗及电缆本体的热阻等，而且还要分析暂态 电缆的温度与载流和环境因素的关系。 本文主要是研究交联聚乙烯绝缘电力电缆，所以下面先讨论交联聚乙烯绝 缘电力电缆的主要特征参数及计算。 第2 章电力电缆实时温度计算方法 2 2 电力电缆结构分析及参数计算 交联聚乙烯绝缘电力电缆两种典型的结构：单芯电缆和三芯电缆如图2 1 图所示。 单芯电缆结构图三芯电缆结构图 l ：导电线芯2 ：内屏蔽3 ：绝缘层4 ：外屏蔽5 ：金属屏蔽 6 ：包带及填充7 ：内衬8 ：铠装层9 ：外护套 图2 一l 电缆结构图 2 2 1交流电阻 由电缆发热特性可知：交流电阻增大，电缆线芯发热增强，电缆线芯损耗 增大，进而载流能力减少；反之，载流能力增大。 1 线芯直流电阻 单位长度电缆线芯直流电阻置一般由式( 2 1 ) 计算 置= r 2 0 1 + o e ( t 一2 0 ) ( f 2 m )( 2 1 ) r ：。：2 0 。c 时单位长度电缆线芯最大直流电阻( q 垅) ；口：导体的电阻温度系 数( 1 ) ；对于标准软铜：口= 0 0 0 3 9 3 ，对于标准硬铝及硬铝制品：口= 0 0 0 4 0 3 。 2 线芯交流电阻 在交流电流作用下，线芯电阻由于集肤效应和邻近效应而增大，交流电阻r 可由式( 2 2 ) 计算 r = r t ( 1 + i + 匕) ( q 聊)( 2 - 2 ) 东北电力大学硕士学术论文 r ：最高工作温度下导体的交流电阻：r ：集肤效应因数；匕：邻近效应因数。 在i e c 2 8 7 1 1 中： x s f 3 时，不满足x 。2 8 条件，e 的计算不适 用，故采用g o l d e n b e r y 提出比较适用的表达式【1 7 】： 2 8 置3 8 时，r = 0 0 5 6 3 ) ( , 2 - 0 0 1 7 7 x , - 0 1 3 6 ( 2 - 4 ) 3 8 鼍时，r = 0 3 5 4 x 。- 0 7 8 3 3( 2 5 ) 2 2 2 介质损耗 电缆介质损耗与电压有关，对于非屏蔽多芯电缆或直流电缆不需要计算介 质损耗，所以以下计算介质损耗只对单芯电缆和三芯屏蔽电缆而言。 由电缆发热特性知：电缆介质损耗增大，电缆介质损耗主要由电缆电容、 额定电压、介质损耗因数、电源频率决定，而电缆电容由介质的相对介电常数 和电缆结构尺寸决定。 根据电磁学知电缆单位长度的绝缘层电容为： 如羞励) ( 2 - 6 ) d c 皿为电缆屏蔽外径，母为绝缘层外径，介质相对介电常数为占。见图2 - - 2 所示。 对于n 芯圆形芯电缆，n 芯联在一起对金属护套对电容为： 。著旷伽) ( 2 - 7 ) d c 式中= 8 8 6 x1 0 。1 2f m ；占= 2 5 ( 交联聚乙烯绝缘) 单位长度介质损耗可由下式计算 第2 章电力电缆实时温度计算方法 1 ；= = = = = = = = = ；= = = = = ；鬲一一 ； _l u i i 舅量曼曼曼皇曼曼曼蔓曼曼皇曼曼 = u 孑c o c t g s ( s m ) ( 2 8 ) u o 为电缆额定电压( v ) ；0 9 为电源频率( h z ) ；t 9 8 为介质损耗因数。 2 2 r 3 金属护套损耗 图2 - 2 单芯电缆的剖面图 电缆对金属护套可以看作一个薄壁圆柱体，同心对套在线芯周围。线芯回 路产生的一部分磁通不仅与线芯回路相链，同时也与金属护套相链，这部分磁 通使金属护套具有电感，在金属护套中产生感应电动势。 从消除感应电势对电缆安全运行造成危害对角度出发，在大多数情况下， 电缆金属护套两端都牢固接地，这样便构成电流回路，产生损耗。金属护套中 的损耗主要包括环流损耗、邻近效应损耗，即： 丑= 五+ z( 2 9 ) 其中：五：护套总损耗与线芯损耗之比；名：护套环流损耗与线芯损耗之 比：彳：护套邻近损耗与线芯损耗之比。 对于金属套或屏蔽损耗的计算公式是以金属套或屏蔽损耗与导体的总功率 损耗之比率表示，对每个特定情况应指出必须考虑的损耗类型。详细的计算公 式参考【1 8 】。 东北电力人学硕士学术论文 皇曼曼曼曼量! 量曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼i i i i i 一 一一一i 曼i 2 2 4 铠装损耗 若电缆具有铠装，铠装将在不同程度上改变护套电流，因此损耗也随着改 变。同时，当铠装接成通路时，铠装中也会产生损耗。计算铠装损耗公式的推 导过程比较繁琐，这里只介绍i e c 推荐的计算公式。 对于钢带铠装电缆，铠装中损耗与线芯损耗之比 如= 疋+ 疋 ( 2 1 0 ) 乞：铠装中磁滞损耗与线芯损耗之比；疋：铠装中涡流损耗与线芯损耗之 比。 五= 1 s 2 1 0 7 1l 见 肚彳 r d a a 4 ( 2 - 1 1 ) 2 2 5 ( 壶心1 0 “ 正：绘l 一 ( 2 1 2 )2 尺见 、 s ：线芯中心轴间距离( c m ) ；a 4 ：铠装等效厚度( c m ) ；见：铠装平均 直径( c m ) ：钢带有效磁导系数( 一般取3 0 0 ) 。 对于非磁性材料铠装损耗：以护套和铠装并联电阻代替风，护套直径和铠 装直径的均方根值代替护套平均直径( o s ：掣) ，用相应单一护套公 二 式计算护套和铠装中的总损耗。 单芯电缆不允许采用钢带铠装，那样会增大护套及铠装中的损耗，但可以 采用钢丝铠装，单芯钢丝铠装电力电缆采取措施，如在钢丝中夹以非磁性材料 以减少它的磁效应，这种情况下，仍可以把其当作非磁性材料处理。但有一点 第2 章电力电缆实时温度计算方法 需要指出：单芯钢丝铠装电缆由于铠装损耗因数增大，载流能力小于同截面的 单芯非铠装电缆，千万不可按后者选择载流能力。 2 2 5 热阻 因为电缆导体的温升与绝缘层热阻、内衬层热阻、外被层热阻有关，要计 算电缆的温升，还必须先对电缆热阻进行计算。 1 、绝缘层热阻：导体和金属套之间的热阻。 参考图2 2 ，厚度为出同心圆柱体对热阻为 妇：璺d x ( 2 1 3 ) 积分得到 娶 互= j 挚= 鲁，n 爰 了 所1 ：绝缘层热阻系数( t f 2 m ) 。 对于三芯分相铅包型电缆，其绝缘层热阻也可由( 2 1 4 ) 计算。 2 、内衬层热阻：金属套和铠装之间热阻。 除了分相铅包电缆外，一般电缆具有同心圆的结构，在计算内衬层热阻时， 可以假设金属护套为等温面。对于同心圆结构内衬层，其热阻为： 互：磐l n 譬 ( 2 1 5 ) 2 刀d 式中p r ：内衬层热阻系数( m m ) ；砭、见：内衬层的内、外直径 ( c m ) 。 对于分相铅包铠装电缆，它的金属护套与电缆铠装不是同心圆结构，三根 铅包线芯绞合在一起包以内衬层后铠装。在这种情况下，内衬层的热阻可用下 式计算。 设：x 为金属护套和铠装之间材料厚度表示为与金属护套外径的相对值。 对于金属护套之间和金属护套与铠装材料厚度相等而言由下式计算： 0 x 0 0 3 五= 2 刀( o 0 0 0 2 0 2 3 8 + 2 0 3 2 1 4 x 一2 1 6 6 6 7 x 3 ) ( 2 1 6 ) 0 0 3 x 0 1 5 疋= 2 ，r ( 0 0 1 2 6 5 2 9 + 1 1 0 1 x - 4 5 6 1 0 4 x 2 + 11 5 0 9 3 x 3 ) ( 2 1 7 ) 对于彼此相互接触的金属护套由下式计算： 0 n 时转发地址为 a + i ；若d s ，m n 时转发地址为a + i 。转发前，当前工作点也需向中继工作 点返回a c k 。转发的数据包中，用当前工作点地址m 代替原来的中继点地址n 。 2 子站发送数据流程 发射模式中，p t r 8 0 0 0 的内部可完成无线系统自动上电、数据打包和数据包 发送( g f s k ，曼彻斯特编码) 。在设计过程中要注意t xa d d r e s s 设置的地址一定 要同接收芯片的地址相同，否则接收芯片识别不出数据是发给它的：如果配置时 将a u t or e t r a n ( 自动重发) 设为高，那么p t r 8 0 0 0 将连续的发送数据包，直至u t r x c e 设置为低。 无线发射程序流程大致可分为以下几个步骤： 1 在掉电或待机模式下配置p t r 8 0 0 0 模块； 2 通过协议或m c u 设置接口速度： 3 通过将t r xc e 和t x e n 置1 来启动发送； 4 在t r xc e 为低电平时结束发送，p t r 8 0 0 0 处于待机模式 东北电力大学硕十学术论文 子站发送中断程序 t xe n 2 1 ，p e r _ u p = 1 ，t r x _ c e = o 0 l s p i 编程，m c u 装载发送地址， l 并将发送缓冲区的数据作为 t xp a y l o a d 写进p t r 8 0 0 0 郊多一n 一0 y 及舸俣瓦眉明，王 成c r c 和打包发射 令川 t k x c e 2 u ， 讲入待棚檬式 工作子站接收 工作予站发送 数据流程 数据流程 图3 1 0 工作子站数据处理流程图 3 4 3 上位机主程序流程 3 4 3 1上位机通信处理数据子程序流程 由于系统数据接收功能的代码量较多，及帧定界，信息类型判断、数据接 收、超限判断、数据库操作等。其中软件接收数据流程图如图3 1 2 所示： 首先开启一个v b 项目，并在窗体上安排一个m s c o m m 通信控件作为串行通 讯的信道。m s c o m m 控件支持以文本和二进制格式传输数据，由于下位机是单片 机，处理二进制数据较为方便。因此本程序中以二进制格式发送和接受数据， v b 支持字节变量类型来存储二进制数据，从串口读入的字节被保存在字节数组 变量中，因此定义两个b y t e 类型的动态数组来存放和接受数据，在接受数据时 采用事件驱动法，当接受缓冲区有r t h r e s h o l d 数据时，引起0 n c 0 删事件。 当数据进入p c 机的输入缓冲区后，程序会不断读取输入缓冲区的数据，并将这 些读入的数据收在数据库。 ， 串口初始化i 1 查询串口中断 ， 甲n石蕊 - l 帧听端口 l 有数据到达 ， y 判断燃n 士、溅* 一士 分析、处理、计算、赋值执行不同信息种类操作 + 存入数据库监测数据组卜 、1 驾妻巍n 限l i 7 。一 审 一 l 1 弹出报警窗口监测数据实时显示卜 图3 - 1 2 上位机通信流程 3 5 4 3 电力电缆运行电流下的温度计算 根据实时导体温度的计算方法，先模拟电缆和电缆环境，计算节点处的参 数，结合非线性环境下季节和外部热源对温升的因数，基于测得的实时电流， 计算出暂态下导体的实时温度。该方法不仅实现对电缆导体的实时监测还可计 算该条件下增加单位电流引起的温升，对电缆温升起到预测作用。在保证电缆 的安全运行下最大化电力电缆的输送容量。见图3 - 1 3 。 3 4 3 1 载流量计算： 根据电缆导体温度与载流的函数关系通过计算得到的导体温度能使得电缆 载流量的计算更加精确。使用迭代法计算相同电缆组成的多回路不等负荷时所 东北电力大学硕士学术论文 有电缆的载流量的框图见图3 1 4 。 图3 1 3 导体实时温度计算 图3 一1 4 多回路电缆载流量计算流程 4 4 第3 章电力电缆在线温度监测系统研究 i l i | 1 , , 1 3 5 电力电缆在线监控系统设计 本文主要是针对交联聚乙烯绝缘电力电缆而设计，所以电力电缆载流能力 额定计算以及电缆参数也要在软件中有具体体现，窗体主要作用是可以实现电 缆温度在线监测曲线显示、导体实时温度计算显示，温升报警功能及电力电缆 敷设环境、型号选择、参数计算等等。在监控软件中可以执行一个实时稳态和 紧急评定的程序，并能够显示计算的导体温度。其中稳态计算根据i e c 6 0 2 8 7 标准来执行，时变计算基于实时导体温度计算方法实现。能够通过实时计算线 路周围的热环境参数，更准确地计算线路的操作状态和改善电力传输的安全性。 3 5 1 开发工具与运行环境 v i s u a lb a s i c 的主要特点体现在以下几方面： 1 事件驱动的编程机制，是一种方便、易学、可视的设计工具。充分利用 w i n d o w s 图形环境的优点，使开发人员能快速地构造功能强大的应用系统。 2 用一种巧妙的方法将w i n d o w s 的编程难度封装起来。 3 数据存取功能使用户能够访问任何o d b c 或o l ed b 数据源的图形化、 集成化数据，并提供了基于o r a c l e 和微软s q ls e r v e r 数据库的一些数据库工具。 使用了最新的数据访问技术m i c r o s o ra c t i v e xd a t ao b j e c t sc a d o ) 作为新 的数据访问标准。 为了缩短开发周期，同时考虑到v i s u a lb a s i c 开发工具完全能满足本系统的 要求，所以软件决定采用v i s u a lb a s i c 进行开发。利用v b 的多文档界面功能， 进行多个文档操作的界而，用户可以在应用程序中同时打开多个文档，分别以 小同的窗体显示在程序画而中，让用户随意在各个文档间来回切换进行数据处 理及连接工作。 4 3 5 2 软件功能 通过比较基于电缆表面的导体温升和基于环境温度变化的导体温升反应可 以看出，环境因素对导体温升的有不可低估的作用。电力电缆在线监测系统软 件的设计目的是通过一个模拟算法对导体温度和周围环境进行预测和实时评 估。 1 基于测量电流和电缆表面温度的实时导体温度计算与预测 东北电力大学硕士学术论文 1 曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量曼葛皇曼皇曼曼! 曼皇曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼皇曼皇曼! ! ! 皇曼曼曼曼鼍曼! 皇曼曼曼曼量寰皇曼曼曼曼曼皇曼曼舅曼曼曼 如果所测的电缆护套或表面温度可用，那么使用该算法能够精确预测导体 温度，比仅仅使用测量电流来计算导体温度的精度高。所以该算法对最大化电 缆使用率非常有效。在紧急状态下，导体温度可超出表面温度约3 0 。c 。所以计 算导体温度时如果只在测量温度的基础上简单的增加一个常量是危险的。因此 精确温度增量，这就是实时计算方法的目的所在。通过电缆表面或护套表面温 度的检测、导体电流等信息来实现高精度的导体温度预测，使得在正常运行时 电缆温度的余留度比较合理，利于调整导体传输容量，提高电缆利用率；而当 电缆运行中出现紧急负荷时，预测电缆维持的时间及决定什么时候切电源，减 少开关的误动作，保证供电系统的健康运行。 2 对环境变化的预测功能 利用电缆表面温度监测可以对环境变化进行推测。如果有同类的电缆安装 在相似的环境中，那么已有的数据就可以提供关键参数。环境参数主要有环境 温度，埋在地下的还有电缆最近区域的湿度含量，即湿度迁移引起的环境温升 等等，对于环境的评定可以解释因环境因素的改变引起的测量偏差。 3 实时评估能力 基于测量的电流的实时算法也可用于实时评估系统。首先是对负荷的增加 计算导体的温升，对于不同接线的负载曲线图必须按比例与实时测得的电流相 匹配做成比例图。当并联电缆由于某种原因出现温升，这时实时算法不需要负 荷曲线，通过比例图即可解决，因为一天或者一周中出现的紧急电流时的反应 记录有效。此外这个评估子程序可以随时触发，比如监测某个时间负载的允许 增量以免超过规定的导体运行最高温度，这样有利于工作人员的操作。具体的 实时评估框图如图3 1 5 所示。 总之，结合实时测量的流通电流和电缆表面温度，使得预测和评估能力在 调整因季节和负载引起的环境因素方面更有保障。 4 提供整个传输系统电缆的动态温度信息确保电缆载流量的最大化以及实 现安全运行，这是数据采集系统的功能体现， 保障实时计算所需要的测量电流 与表面温度的数据以及相关的环境参数的及时更新。 5 提供电缆隧道和管道早期火灾监测及辨别小发热点的位置及温度。 6 标准电缆参数计算：不同敷设方式下电缆的额定载流量计算、外部热阻 第3 章电力电缆在线温度监测系统研究 计算、暂态载流量计算。 图3 - 1 5 软件实时预测功能 3 5 3 参数输入 电缆电力在线监测系统也包括电缆基本参数计算，这样对监测电缆有更全 面的了解。 1 电缆型号、电压等级、标准 2 电缆结构参数：导体结构( 圆绞线、紧压、非紧压、扇形、分割导体、 空心螺旋结构、是否浸渍等) 3 电缆材料 4 材料参数：电阻率、电阻温度系数、热阻、热阻温度系数、热容、磁导 率、介损，介电常数等 5 敷设方式：排管、回填土、直埋、空气、穿管等。 6 每种敷设方式下相应的对象尺寸及特性：如排管尺寸、回填土、直埋深 度、空气( 表面辐射系数等) 7 敷设形式：三角形敷设、平行敷设互相接触，平行敷设不接触等 8 接地方式：一端接地、两端接地、交叉互联、电缆换位，互联、互换段 东北电力大学硕十学术论文 的长度 9 电缆组敷设时，电缆组之间的敷设尺寸 1 0 电缆导体最高允许温度、环境温度、电缆组其它电缆的电流 1 1 功能选择：1 0 0 负荷率时的载流量、紧急负载下载流量、周期性负载下 载流量分析、根据现场测温计算导体温度、根据现场测温计算紧急负载下的载 流量。 1 2 、通用分析计算时：输入电缆周期性负载曲线、紧急负载下紧急负载电 流、时间、紧急负载前的电流( 可选实际电流与输入电流) 。 1 3 、现场敷设位置确定 软件界面如下图3 1 6 ，3 1 7 所示： 髓登耍匿墨墨匿霸暖物豳搦戮獭翳缀獭瀚戮戮黝缀缀豢鍪缓霪鬻缓鬻荔謦鼍一一- j 篓 _ 电缆在线温度监测系统| | j ji i l 八 瓜 二式 ，：、- 产、 l 7 一、一 、op 叭、 ”、夕7 r 登蛩1 2 0 2 0 0 条当前为第l 条一 i 盐缆显示控制 | 隧遘温度 数曼三：自j i 缩放倍数：r r | ；表面温度 2 5 i 占：壅l ； i 二一j 导体温度 3 0 j ： 下一盔l v 轴自自蟾数：| 1 l 懒晾部一型邑垡嗍显示h 图3 1 6 软件界面图 通道艚：! 工作站编号：r ； 翌 | 睁 i _ 置度度度帮 馘谶蕊黼雠 聋隧表导隧 第3 章电力电缆在线温度监测系统研究 蜀墨盈蕊毯翟匠翻翻翰鹚嬲搦缀缀瀚缀缀戮戮缀缓纛戮獭豢jj ，。趔 墒 参数 电线类型i 单芯电襞 ，_ _ 。_ _ _ - _ _ “_ _ _ 一 宅嬲1 1 绝缘热懒i 2 l 导体童径i l o 嚣罄瑟f 扩一i j _ 之擒自嗡潭度r + 。二0 几俺嗽il 屏蔽因数 衬垫 广无衬垫 窀黼因稻麟：i 暮羁鳓滗黼 内褪鼹 内衬屡外径西一 衬垫热阻勰芦= j 3 6 本章小结 帽邻电巍中心距i中嚼宅绕盒属夸损耗蒹数ii 电缓中心戮嗣距衷l 锄曝撮耗篡嚣p 一：_ = ：黑 表醚收日光暮璇i壤臻飓_ 蒹数i 基光辐射2 厦