（高电压与绝缘技术专业论文）电力电缆在线载流能力预测系统的研究.pdf

电力电缆在线载流能力预测系统的研究 摘要 本文以电力电缆在线载流能力预测系统为工程背景开展研究。对x l p e 电 缆稳态运行下发热特性、载流能力预测硬件系统及软件系统设计等问题进行了 研究。重点研究了电缆的发热方程和等值热路，推导出载流能力与外护套温度 的关系，从而实现对载流能力在线预测的目的。本课题的研究为电力调度提供 了准确依据，对保证电力系统的安全运行具有重要意义。 首先，对x l p e 电缆结构进行分析，给出了交流电阻、介质损耗、金属护 套损耗、铠装损耗及电缆本体热阻的计算公式，进而推导出载流能力与外护套 温度的关系，分析了载流能力的影响因素。其次，研究了外护套温度信号的提 取方式并设计制作了3 2 路同步数据采集系统。最后，根据理论研究结果开发 了载流能力预测系统软件并进行了实验模拟研究。 针对电缆在线载流能力预测系统的功能要求，采用模块化设计方法，把整 个系统的设计任务划分为若干功能模块，分别对这些模块进行设计，最后把各 个功能模块进行综合，完成整体设计，从而形成一套完整的载流能力预测装 置。预测结果表明，该装置预测的载流能力和载流能力经验值误差在5 以 内，满足工程的要求。 关键词电力电缆；等值热路；载流能力预测 堕玺堡堡三盔堂三兰竺主兰篁笙兰 s t u d yo nf o r e c a s t i n gs y s t e mo f c u r r e n tc a r r y i n gc a p a b i l i t yf o r p o w e rc a b l ei nd u t y a b s t r a c t t h ep u r p o s eo ft h i sp a p e rl i e si ns t u d y i n go no n - l i n ef o r e c a s t i n gs y s t e mf o r p o w e rc a b l ec u r r e n tc a r r y i n gc a p a b i l i t yb a s e do nt h ee l e c t r i c a lp o w e re n g i n e e r i n g b a c k g r o u n d t h es t e a d yh e a tc h a r a c t e r i s t i co fx l p ec a b l e ，t h eh a r d w a r ec i r c u i t d e s i g no fc u r r e n tc a r r y i n gc a p a b i l i t ya n ds y s t e ms o f t w a r ed e s i g na r es t u d i e d t h e p a p e rf o c u s e so nr e s e a r c h i n gt h eh e a te q u a t i o na n de q u i v a l e n tc i r c u i to f p o w e rc a b l e ， d e d u c i n gt h ef u n c t i o no fc u r r e n tc a r r y i n gc a p a b i l i t ya n dt h eo u t e rs h e a t h i n go f p o w e rc a b l ea n dr e a l i z i n gc u r r e n tc a r r y i n gc a p a b i l i t yf o r e c a s t i n g t h e r e s e a r c h o f f e r se l e c t r i cp o w e ra t t e m p e rt h en i c e t yf o u n d a t i o na n de n s u r e ss a f eo p e r a t i o no f e l e c t r i cp o w e rs y s t e m f i r s t l y , t h e s t r u c t u r eo fx l p ec a b l ei ss 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 l e r m a l r e s i s t a n c eo fc a b l em a i nb o d y , d e d u c et h ef u n c t i o no f c u r r e n tc a r r y i n gc a p a b i l i t ya n d t h eo u t e rs h e a t h i n go fp o w e rc a b l ea n da n a l y s et h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so fc u r r e n t c a r r y i n gc a p a b i l i t y s e c o n d l y , e x t r a c t i o nm e t h o do fo u t e rs h e a t h i n gt e m p e r a t u r e s i g n a li ss t u d i e da n dt h et h i r t yt w oc h a n n e l ss y n c h r o n o u sd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi s d e s i g n e d f i n a l l y ，a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so ft h e o r e t i c a ls t u d y , ac u r r e n tc a r r y i n g c a p a b i l i t y - f o r e c a s t i n gs o f t w a r ei sd e v e l o p e da n d t h es i m u l a t i v ee x p e r i m e n ti sc a r r i e d o u t 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 ef o r e c a s t i n gs y s t e mf o r p o w e rc a b l ec u r r e n tc a r r y i n gc a p a b i l i t y ，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 o s o m ef u n c t i o nm 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 n m o d u l ei si n t e g r a t e di n t ot h ew h o l es y s t e md e s i g n i ti sd i s c o v e r e dt h r o u 曲 f o r e c a s t i n gt h a tt h ep e r c e n t a g ee r r o ro ft h i sd e v i c ei s l e s st h a n5 b e t w e e nt h e i i 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 r e s u l to ff o r e c a s t i n gc u r r e n tc a r r y i n gc a p a b i l i t ya n dt h ee m p e r i c i a lv a l u eo fc u r r e n t c a r r y i n gc a p a b i l i t ya n ds a t i s f i e dw i t l lt h er e q u i r e m e n to f t h ec o m y n o np r o j e c t k e y w o r d s ：p o w e rc a b l e ；e q u i v a l e n tc i r c u i t ；c u r r e n tc a r r y i n gc a p a b i l i t yf o r e c a s t i n g r 一 第1 章绪论 1 1 课题研究背景、目的及意义 随着城网和农网改造的实施，电力系统中电力电缆的敷设量越来越多，特 别是随着城市改造和建设的不断深入，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。这已经成为 现代化城市电网的特点之一。 对于一条电力电缆线路而言，除了由于故障而将它从系统解列外，它有两 种运行方式：一种是正常带负荷的运行方式，另一种是预充电运行方式。在这 两种运行方式下，电力电缆的绝缘将始终承受着系统工作电压。 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，对于现在大量使用的x l p e 电力电缆，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说电缆的负荷 大小并不是决定性因素。”1 。这样，对于x l p e 电力电缆，既便是一条电缆线 路一直处于预充电运行方式不变，它的寿命和处于正常运行方式下的电缆线路 的寿命没有根本性区别。水树的产生与土壤、环境条件、电缆的电压等级有 关，电树是由于电场的集中使绝缘层中薄弱环节局部放电，它们是导致电缆绝 缘击穿的主要因素”5 ”“。 但是，这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与绝 缘的温度有关，虽然在正常运行状态下温度的影响并不大，但是在非正常的过 热状态，绝缘老化速度非常快。所以，必须对电缆的运行温度或者说电缆的负 荷进行控制。这就要求电力运行部门必须对电力电缆的实际负荷进行合理调 度。 此外，电力电缆运行环境温度是制约其载流能力非常重要的一个因素。在 电力电缆的选型和敷设阶段，基本上都是根据标准环境温度去选择电缆，这样 选择的电缆由于不可能对电缆的实际运行环境和环境温度进行全面的考虑，将 会导致电缆在环境温度高时运行于过热状态，可能减少电缆的运行寿命，实际 工作时为了避免出现这种情况，都是通过适当保留负载能力裕度的办法解决。 同时，对于负荷的选择一般是非常粗略的，主要表现在对电缆安装和运行环境 的变化不能够在设计之初就考虑周全，往往设计时所考虑的安装、运行环境与 坠玺鎏墨工盔兰王兰堡主兰垡丝苎 实际施工后的环境不同。特别是对于年环境温度变化可高达7 0 。c 左右的北方地 区，过大的环境温度变化使电缆型号选择更加困难，而决定电缆载流能力的主 要因素是电缆的运行温度。由此可见，如果能够根据电缆的实际运行状态和运 行环境，实时地对电缆的负荷进行调度和调整，不仅能够使电力电缆本身的带 负荷能力得到充分地发挥，而且在有些情况下可以解决电力调度中紧急状况下 的电力供应问题。 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负荷能力进行实时监测。 本项目的目的就是研制一套检测、预测系统，用于对电站所有电力电缆的 运行环境和负载状态进行动态检测，从而预测电力电缆在实际运行状态下的带 负荷能力，同时，对电缆的异常运行状态作出警报，并将这些信息传递给电力 调度人员，作为他们进行电力调度决策的一个依据。实现对整个电站电力电 缆、架空线路等电力传输回路电能传输的最优化选择。 本项目是根据电力调度部门在实际工作中遇到的问题而提出的，因此其实 际应用价值是显而易见的。该项目的推广应用主要是在电力系统和比较大的电 力用户的变电站、配电站内。随着电力用户对电能供应质量要求的不断提高， 越来越要求电力调度的科学化、实时化和自动化。因此，本项目的研究成果有 很好的应用前景，具有广泛的社会经济效益。 1 2 载流能力计算的研究现状 为了解决城市建设与电力建设的矛盾， 由于地下成本高、投资大，而且维修不便， 缆载流能力具有重要的意义。 电缆敷设方式大多采用地下形式。 为了确保其安全工作，精确确定电 当前解决这一问题的数值解法有：有限元法、边界元法、有限差分法。有 限元法可以具有任意布置的节点和网络，从而对复杂区域和复杂边界问题的求 解带来极大的适应性和灵活性，但是对不太复杂和较规则的计算区域，如果采 用此方法则简单问题复杂化。边界元法的优点在于使计算量从三维简化为二 维，计算量明显低于区域型的计算方法，但是当处理一个具有多层土壤的实际 电缆沟问题或具有多根电缆铺设的问题时，边界元法的边界太多太复杂，计算 量变得特别大。3 。有限差分法能很好的确定地下电缆的散热和周围土壤的温度 分布。热网络分析法便是有限差分法的延伸。 目前工程上计算电缆载流能力已经广泛运用热网络分析法。热网络分析法 - 2 - 堕玺鎏墨三查兰三兰至土芏堡兰苎 的原理是：把电流作用于电缆的热平衡，视为一维形式的热流场，借助电路中 的欧姆定律、基尔霍夫定律相似的热欧姆定律等法则来解决问题。 一般条件下等效热路模型如图1 1 所示。 图1 - 1 电缆等效热路模型 f i g 1 1t h ee q u i v a l e n tc i r c u i t o f p o w e r c a b l e 图1 1 中： 正、正、瓦、五分别为绝缘层热阻、内衬层热阻、外被层热阻、外界 媒质热阻( t q m ) ； 丑、九分别为金属护套损耗、铠装损耗与线芯损耗之比： 彬，、睨分别为电缆单位长度介质损耗、线芯损耗( j m ) ： 鼠环境温度( ) ； 只电缆允许长期额定工作温度( ) 。 等效绝缘层包括内屏蔽、绝缘层和外屏蔽，等效内衬层为金属屏蔽至铠装 之间的部分。由电缆等值热路和热路方程可知：电缆线芯高于周围媒质的温度 口应等于与电缆电流损耗有关的温升幺和与介质损耗有关的温升以之 和，即 a o = 包+ a o d ( 1 - 1 ) 显然 a 0 = 包一吼 ( 1 - 2 ) 式中只线芯温度( ) ； 鼠外界媒质温度( ) 。 借助于电路中相似的热欧姆定律得：对于敷设在土地中或空气中单芯或三 芯电缆有 包= 睨【正十( 1 + ) 疋+ ( 1 + 五l + 如) ( 瓦+ 瓦) ( 1 - 3 ) 岛= ( 0 5 互+ 五+ 正+ 五) ( 1 - 4 ) 式中= o ) c u ：l g d 。对于1 1 芯电缆，巩= n 1 2 r ，为线芯电流，c 为电缆电 容，u 0 为电缆绝缘层承受额定电压，n 为芯数，r 为单位长度线芯在温度见下 的电阻，为电源频率。于是电缆载流能力计算公式为 i =( 1 5 ) 式中，电缆恒定负载连续额定载流能力( a ) ； 上述的电缆载流能力计算公式是根据电缆稳态运行形成的热物理温度场微 分方程的求解而得。根据电缆用于交流系统还是直流系统以及敷设方式的不 同，载流能力的计算公式也有所不同。此外，空气中敷设时又有直接阳光照射 和不受阳光照射之分。土壤中敷设时当电缆表面温度超过5 0 时，周围土壤发 生水分迁移而引起土壤局部干燥，其载流能力计算公式也不尽相同。 从载流能力计算公式中不难看出：载流能力计算的精确与否主要取决于电 缆的交流电阻、绝缘层热阻、内衬层热阻、外被层热阻、土壤热阻、金属护套 损耗、铠装损耗、介质损耗和环境温度。除环境温度和土壤热阻外，其它参量 可精确计算求得，故环境温度和土壤热阻是影响载流能力精确性的重要因素。 环境温度的确定：环境温度以电缆敷设所在地代表性多年平均气象温度为 基础，当电缆附近有热源或强迫冷却引起环境温度改变时，响应温度的增减就 需要记入。 气象温度择取：电缆敷设环境不同，其温度的选取也不同。当电缆敷设于 空气中时，统计显示我国大部分地区最热月的同最高温度平均值，与其极端最 高温度相差( 5 1 0 ) ，但后者持续仅( 6 8 ) h ，占全年比例很小，实际影 响极微，故从宏观经济性考虑，宜取最热月的日最高温度平均值。当电缆埋地 敷设时，地表下约0 5 m 或更深处，因土壤具有热容性，不同于空气温度变化 大，呈现地中曰温改变较平缓特点，故取最热月平均地温即可。 土壤热阻系数：土地的热阻系数不仅与土地的组成成份有关，而且与它的 物理状态有关。例如松散、多孔、干燥的土壤热阻系数就比较高，而电缆与土 地紧密接触、土地潮湿热阻系数就比较低。电缆运行经验表明，许多电缆故障 是由于电缆发热使土地水分向低温区扩散，致使周围土地热阻系数增高，电缆 过热造成。水分扩散速度与土地的温度和温度梯度有关，温度愈高、梯度愈 大，水分扩散速度愈大。经验表明，当土地温度低于5 0 时，水分扩散速度极 慢，土地热阻变化不显著，但电缆发热使土地温度高于5 0 时，往往会使土地 热阻系数大大提高。许多国家在计算载流能力时，采取各自认定的土地热阻系 数，例如法国采用p ，。= o 8 5 热欧米，意大利采用p ，。= o 8 0 热欧米，我国以 及美国、英国一般采用p ，。= 1 2 热欧米。应当指出，土壤热阻系数是影响埋 地电缆载流能力的主要因素之一，当土壤热阻系数为1 热欧米时孤立敷设的 埋地电缆的外部热阻要占电缆全部热阻的( 6 0 7 0 ) ，土壤热阻系数大于( 或 小于) 该值时，电缆外部热阻将相应的增加( 或减少) 。大多数国家以土壤热 阻系数取1 作为基准参数，一般情况下土壤含水量对土壤热阻系数大小起主要 作用“：当然降低土地热阻系数，可以大大提高电缆载流能力。 目前选择电缆型号除了考虑满足要求以外，还要考虑安装环境、土壤热阻 系数和水分迁移对载流能力的影响，这无形中增加了电缆型号选择的难度，另 一方面，若载流能力偏大，造成缆芯工作温度超过容许值，电缆绝缘寿命就比 期望值缩短，如表1 1 。若载流能力偏小，则缆芯铜材或铝材就未获充分利 用，导致投资增加，如表1 - 2 “”“。一般说来，电缆长期和短期工作温度不能 超过规定值，温度越高，所允许的时间越短，可能损坏电缆“。 表1 - 1 电缆载流量与使用寿命的关系 t a b l e l 1t h er e l a t i o ns h i po f c a b l ec u r r e n tc a r r y i n gc a p a b i l i t ya n do p e r a t i n gl i f e 电缆绝缘类型聚氯乙烯交联聚乙烯 载流能力偏大值 1 21 86 5 1 2 超过容许工作温度值 5 5 9 8 1 5 电缆寿命减少程度减半减为1 4减半减为1 4 表卜2 电缆载流量与投资的关系 t a b l e l 一2t h er e l a t i o no f c a b l ec u r r e n tc a r r y i n gc a p a b i l i t ya n di n v e s t m e n t 电缆和绝缘类型1 k v p v c6 k v x l p e 较载流能力偏低程度 1 71 2 6 电缆投资增大程度 2 4 51 7 2 上述计算电缆载流能力的方法有两点缺陷：环境温度的不确定性和土壤热 阻系数的不确定性，特别对于环境温差比较大的北方地区，这种计算载流能力 的方法具有很大的局限性。 总之，关于电力电缆的实际带负荷能力问题，几乎每年的电力电缆运行经 验交流学术会议上都有人提及。但是，通过对国内外相关资料的查阅，到目前 为止，还没有任何相关报道表明这个问题已经得到解决，而运行部门一直在面 临相关问题。因此，这个问题的解决至少在国内是处于领先技术水平。 5 1 3 课题来源及主要研究内容 本课题来源于黑龙江省电力工业局。 本课题既不是对国外、国内研究的重复，也不是对国内外目前开展研究工 作的简单改进，而是首次利用现场实际测量电缆外护套温度的办法消除影响电 缆载流能力预测的所有不确定因素，进而利用这种实际测量数据和电缆内部物 理过程的准确计算去预测电缆的带负荷能力，从而不仅实现了检测的实时性， 而且对电缆带负荷能力的预测既科学又准确。本课题主要研究内容如下： 1 研究电缆负荷能力和外护套温度的关系，获取带负荷能力预测的计算方 法利用电力电缆的相关知识和电缆的等效热路模型，推导出电缆的带负荷能 力与外护套温度的关系。其中涉及到电缆的交流电阻、介质损耗、金属屏蔽损 耗、铠装损耗和电缆本体热阻( 绝缘层热阻、内衬层热阻、外被层热阻) 的计 算。 2 开发实时温度监测与信息传送系统为了实时预测电力电缆载流能力， 必须对电缆外护套温度进行实时采集，采集的温度信号须传送到上位机进行处 理以完成载流能力的预测。 通过试验和理论分析计算，本文研制开发了一套电力电缆在线载流能力预 测装置。论文的主要工作在于电缆载流能力与外护套温度关系的推导及相关参 数( 交流电阻、介质损耗、金属屏蔽损耗、铠装损耗、绝缘层热阻、内衬层热 阻、外被层热阻) 的计算、实时温度采集板的设计和调试、载流能力预测软件 的设计和开发，最后形成一套完整的电力电缆在线载流能力预测系统。 堕竺篓翌三生兰三兰耍占兰垡丝兰 2 1 引言 第2 章载流能力预测基本原理 根据电力电缆相关知识可知，电力电缆的额定载流能力是由电缆绝缘的最 高允许工作温度决定，即电缆线芯外表面的最高允许温度决定。电缆工作时其 导电线芯外表面的温度不仅与电缆所带负荷电流的大小密切相关，而且还与电 缆的交流电阻、介质损耗、金属护套损耗、铠装损耗及各部分的热阻有关。所 以，要完成载流能力预测就必须计算电缆交流电阻、介质损耗、金属护套损 耗、铠装损耗及电缆本体的热阻。 2 2 载流能力预测参数计算 载流能力预测参数主要包括电缆的交流电阻、介质损耗、金属护套损耗、 铠装损耗及电缆本体热阻，它们由电缆各组成部分材料性能和电缆的结构尺寸 所决定，一旦确定了参数，载流能力的计算便可迎刃而解。 在计算参数之前，应先了解电缆的结构，由于本文主要是针对交联聚乙烯 绝缘电力电缆载流能力的计算，而交联聚乙烯绝缘电力电缆两种典型的结构如 图2 1 、2 2 所示。 图2 - 1 单芯电缆结构图 f i g 2 1t h es t r u c t u r es k e t c ho f t h es i n g l e - c o r ep o w e rc a b l e 7 图2 - 2 三芯电缆结构图 f i g 2 - 2t h es t r u c t u r es k e t c ho f t h et h r e e - c o l e p o w e rc a b l e 一 堕尘鎏竺三查兰三兰竺圭兰竺笙兰 注：l 。导电线芯2 内屏蔽3 绝缘层4 _ 步p 屏蔽5 金属屏蔽6 包带及添充7 内衬 8 一铠装层9 - 岁 护套 2 2 1 线芯交流电阻 线芯交流电阻是载流能力预测参数之一。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，进而载流能力减小；反之，载 流能力增大。 线芯直流电阻：单位长度电缆线芯直流电阻r ，一般可由下式进行计算 r ，= r 2 0 【1 + 口( f 一2 0 ) 】( q ，m ) ( 2 1 ) 式中r ，2 0 时单位长度电缆线芯最大直流电阻( f 2 m ) ； 口导体的电阻温度系数( 1 ) ：对于标准软铜：口= o 0 0 3 9 3 ，对于标 准硬铝及硬铝制品：口= o 0 0 4 0 3 。 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领近效应而 增大，交流电阻r 可由下式计算 r = r t ( 1 + k + l ) ( 倒m ) ( 2 2 ) 式中集肤效应因数； l 邻近效应因数。 当x 。、，不大于2 8 的情况下，乓和耳分别可用下式求得 e = 丢 ( 2 3 ) 匕2 南c 扣3 1 2 c 争五1 1 8 _ 4 ) 1 9 2 + 0 8 x ： 式中，线路频率( h z ) x _ 堕1 0 一，t 。 5 r 5 x ；：堕1 0 一，七。 。 r ” 8 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 兄单位长度电缆线芯直流电阻( d m ) 见线芯外径( m ) ： s 线芯中心轴问距离( m ) ： k 。、。常数，不同结构的线芯有不同的数值，如表2 - 1 所示。 表2 - 1 不同结构线芯的 。和t 。值 t a b l e 2 - 1t h en u m e r i c a lv a l u ek 。a n d k po f d i f f e r e n ts t r u c t u r ec o r e 线芯结构干燥浸渍否 k f k p 圆形、扭绞是1o 8 圆形、扭绞否1l 圆形、紧压是10 8 圆形、紧压 否11 扇形是 l0 8 扇形 否l1 2 2 2 介质损耗 电缆介质损耗是载流能力预测参数之一。由电缆发热特性可知：电缆绝缘 层介质损耗增大，势必造成载流能力的减小，不难看出介质损耗的计算对预测 载流能力起到非常重要的作用。 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。 如图2 - 3 所示，) r 为电缆屏蔽外径，d i 为绝缘层外径。介质相对介电常 数为占，根据电磁学知识得电缆单位长度的绝缘层电容为 c ：2 7 r i 裙o ( f m ) ( 2 7 ) i n 兰 d c 对于厅芯圆形芯电缆，n 个芯联在一起对金属护套的电容为 c ：2 n 1 t r e - 6 0 ( f m ) ( 2 8 ) 一n ， i n 竺 砬 式中晶= 8 8 6 x 1 0 。1 2 f m ； s = 2 5 ( 交联聚乙烯绝缘) 。 一9 - 图2 - 3 计算电缆电容说明 f i g 2 3t h ei l l u m i n a t i o no f p o w e rc a b l ec a p a c i t a n c e 单位长度介质损耗可由下式计算 = w 僻j ( j m ) ( 2 9 ) 式中仉电缆额定电压( v ) ； 国电源频率( h z ) ； 坦占介质损耗因数。 2 2 3 金属护套损耗 金属护套损耗是载流能力预测参数之一，金属护套损耗增大，势必造成载 流能力的减小，可见金属护套损耗的计算对预测载流能力起到非常重要的作 用。 电缆的金属护套可以看成一薄壁圆柱体，同心的套在线芯周围。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的角度出发，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： = 五+ 正 ( 2 - 1 0 ) 式中 护套总损耗与线芯损耗之比； z 护套环流损耗与线芯损耗之比； z 护套邻近损耗与线芯损耗之比。 - 1 0 - 金属护套损耗计算公式繁多，考虑到本文主要针对于交联聚乙烯绝缘电力 电缆载流能力的计算，再结合其电缆结构特点，主要分以下两种情况加以讨 论： 1 单芯电缆组成的三相回路根据护套是否接地，此种情况又分两种：护套 两端接地方式、护套单点接地及交叉接地”“。 对护套两端接地等边三角形敷设的电缆，如图2 - 4 。电缆中心轴间距离为 s ，电缆金属护套平均直径为d 。，单位长度金属护套中的感应电势分别为 图2 4 等边三角形敷设电缆结构图 f i g 2 4t h ec a b l i n gs t r u c t u r a lp a t t e mo f e q u i l a t e r a lt r i a n g e l u = 一j l l 置= rs l ( r 。+ j x ，) ( v m ) u ，2 = 一j 12 x 。= ，2 ( r ，+ 弘，) ( v m ) u 3 = 一，1 3 x 。= i s 3 ( r 。+ j 肖，) ( v m ) 式中，m ，2 、，n 电缆a 、b 、c 护套中的电流； r 。、x ，单位长度电缆护套的电阻和电抗。 其中 弘2 彩( i n 1 旷( ) 于是 ij ll xs r s 七j xs ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 一1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 j 。二丛墨 r s + j x ； ( 2 1 6 ) ，二生墨( 2 1 7 ) r s 七j x 。 而单位长度三电缆护套总损耗 吸州j + 7 三+ 7 挑2 南( 私7 ：2 + 哟( 2 - 1 8 ) 或 疋：堕：堕羔( 2 - 1 9 ) w c rr ：+ x ： 此时邻近效应损耗可以忽略不计，即 名= 0( 2 2 0 ) 对护套两端接地平行并列敷设且电缆换位的电缆，推导方法与等边三角形 敷设类似，直接给出公式 4 = 薏= 鲁鑫 协z 式中 x , = 2 0 9 ( 1 n 1 0 - 7 ( ) s = v 2 s s x s = 2 s 此时邻近效应损耗可以忽略不计，即 爿= 0 对护套两端接地平行并列敷设不换位的电缆( 见图2 - 5 ) ， 轴间距离为s ，令其两端间电压为u 。，则有 r s 1 , 1 + u e = 一j ( l + i n ) x 。+ j ( 1 3 + i t 3 ) x m r 。1 , 2 + u e = 一_ ，( ，i + ，s i ) x 。+ j ( 1 3 + s 3 ) x ， r ，1 , 3 + u 。= 一j ( 1 3 + ，) x 。+ j ( 1 l + i s l ) x 。 其中 x ，= 2 ( 1 n u 2 - i f 一- s ) 1 0 一7 ( q m ) 1 2 ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) 相邻两电缆中心 ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) 图2 - 5 平行并列敷设电缆结构图 f i g 2 5t h ec a b l i n gs t r u c t u r a lp a u e mo f e q u i l a t e r a lp a r a l l e l 。= 2 c o l n 2 1 0 7 ( q m ) ( 2 2 9 ) 三式相加得 然后令 ue2 ；朋i + s i + b ) l ，l _ 1 2 2 1 2 0 x 。七x 。= p 13 = 1 2 一1 2 0 x ，一1 x 。：q d = ( r ，+ j p ) ( r ，+ 砌 ( 2 3 0 ) ( 2 3 1 ) ( 2 3 2 ) ( 2 3 3 ) 再将式( 2 3 1 ) 、( 2 3 2 ) 、( 2 3 3 ) 代入( 2 - 2 5 ) 、( 2 2 6 ) 、( 2 - 2 7 ) 简化得 l ：五2 瞅争一三q ) 也( 扣如】( 2 - 3 4 ) l = 五2h c 争+ 扮似扣铷( 2 - 3 5 ) 1 3 - 喻尔滨理工大学工学硕士学位论文 s 2 - = - - 一，舻i - 而j 1 2 q 于是各相单位长度电缆护套中损耗分别为 ( 2 3 6 ) 吁内，每+ 嘉一丽z 铘， w , 2 = 1 2 r 。q + 2 矿 2 3 8 ) 3 n 2 1 n 2 耻m ，c 寿+ 矗+ 丽，沼s ” ：鲁c 誊+ 嚣一磊鬻南 屯= ，2 月，r ；+ q 2 3p 21 p 2 屯= 等t 寿+ 磊+ 丽， 此时邻近效应损耗可以忽略不计，即 硝= 0 和t 鲁端o s 2 ( 2 4 0 ) ( 2 4 1 ) ( 2 4 2 ) ( 2 4 3 ) i e c 给出经 当电缆等边三角形敷设时，i 玻a i = 3 0a 2 = 0 4 1 7 。 当电缆等距平行并列敷设时，对两侧电缆，取a 1 = 1 5a z = 0 2 7 。 当电缆等距平行并列敷设时，对中间电缆，取爿。= 6a ：= 0 0 8 3 。 此时环流损耗可以忽略，即 ( 2 4 4 ) 哈尔滨埋工大学工学硕士学位论文 = 0 2 三芯电缆对于x l p e 三芯电力电缆 出其计算公式 ( 2 4 5 ) 一般采取分相屏蔽型结构，i e c 给 。r ，1 7 x ； 2 i 丽 此时邻近效应损耗可以忽略，即 石= 0 2 2 4 铠装损耗 ( 2 4 6 ) ( 2 4 7 ) 如电缆具有铠装，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= 屯+ 正 ( 2 4 8 ) 式中屯铠装中磁滞损耗与线芯损耗之比； 石铠装中涡流损耗与线芯损耗之比。 1 s 2 ( 二i 一) 2 1 0 。 】+ 兰 z 2 = 肚j r d a a “ ( 2 4 9 ) 2 2 5 酽壶1 必1 0 。 j _ 二生 疋：j 竺生一 ( 2 5 0 ) r d 式中s 线芯中心轴间距离( c m ) ； 。铠装等效厚度( c m ) ； d 。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r 。，护套直径和铠 装直径的均方根值代替护套平均直径( d s ：d 刍+ 瑶必) ，用相应单一护 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 套公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 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 电缆温升等于各区温升之和。实践证明，对敷设在土地中的电缆，温升主 要与绝缘层热阻、内衬层热阻、外被层热阻有关。 2 2 5 1 绝缘层热阻 单芯电缆绝缘层热阻与单芯电缆绝缘电阻的计算公式相似。 计算公式中采用热阻系数，而在电阻计算公式中采用电阻系数， 但同是材料本身物理性质的常数。 参见图2 3 ，厚度为出同心圆柱体的热阻应为 搬：旦堕疵 z 刃c 积分得 只不过在热阻 数值虽不同， ( 2 5 1 ) , 0 7 1 i n 旦 ( 2 5 2 ) 2 万d o 式中p ，。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 5 2 ) 计算。 2 2 5 2 内衬层热阻 除了分相铅包电缆外，一般电缆具有同心圆的结构， 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 l ：鱼i n 肇 2 万 d ， 式中p ，内衬层热阻系数( t o m ) ； d ：、见内衬层的内、外直径( e r a ) 。 - 1 6 在计算内衬层热阻 ( 2 5 3 ) 旦t | | 正 哈尔滨理工大学工学硕上学位论文 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，用计算机计算编程 时，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 y 0 0 3 兀= 2 ，r ( 0 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 - 5 4 ) o 0 3 x 0 1 5 l = 2 r r ( 0 0 1 2 6 5 2 9 + 1 1 0 1 x 一4 5 6 1 0 4 x 2 + 1 1 5 0 9 3 x 3 ) ( 2 5 5 ) 对于彼此相互接触的金属护套而言由下式计算： 0 o o l o ，g o i i r ，所以只要保证每1 就可以a 一2 2 堕堑鎏翌三尘兰三兰竺主兰堡丝兰 2 4 本章小结 本章从载流能力预测的角度出发，详细叙述了载流能力各参数的计算及载 流能力预测原理，并介绍了影响载流能力或传输能力的因素。 一2 3 堕玺鎏墨三盔兰三兰堡主兰堡鎏兰 3 1 引言 第3 章硬件电路设计 硬件电路是整个载流能力预测系统的关键部分，因为载流能力预测必须以 正确的硬件电路为前提；模拟信号提取又是硬件电路的关键部分，因为不论是 信号采集系统还是最终进行载流能力预测并显示的人机交互界面，都是以正确 的信号提取为基础。 硬件电路的设计思想：利用3 路温度传感器采集平均电流信号，之后经取 样电阻转化为电压信号。将提取的电压信号经模数转换器转化为数字信号， 处理后存入单片机内部的数字存储器，当信号采集完毕，通过串口通信传至上 位机。数据采集硬件电路原理框图如3 1 所示。其中，单片机为系统核一i i , ，主 要完成对温度信号的采集和处理、控制系统的工作、协调串行通信向上位机发 送数据信息。 1 看门 _ 一狗电 鎏多a d 茧f 路 上 篓81t 路 转 片 。 位 开换 机机 关器 一器 图3 - i 数据采集硬件电路原理框图 f i g 3 - 1t h ep r i n c i p l eb l o c kd i a g r a mo f t h eh a r d w a r ec i r c u i tf o rd a t aa c q u i s i t i o n 3 2 温度传感器及其选择 对被测对象状态的提取，一般都离不开传感器或敏感器件，这是因为被测 对象的状态参数往往是种非电物理量，而计算机只是一个能识别和处理电信 号的数字系统，因此利用传感器将非电物理量转换为电信号才能完成测量和控 制任务。 广义来讲，一切随温度变化而物体性质亦发生变化的物质均可作为温度传 感器，例如，我们平常使用的各种材料、元件，其性质或多或少的都会随其所 处的环境温度变化而变化，因而它们几乎都能作为温度传感器使用。但是，一 般真正作为可使用的温度传感器的物体应具备下述条件： 1 物体的特性随温度的变化有较大的变化，且该变化易于测量； 2 对温度的变化有较好的一一对应关系； 3 性能误差及老化小、重复性好，尺寸小； 4 有较强的耐机械、化学及热作用等特点； 5 与被检测的温度范围和精度适应； 6 价格便宜，适合于批量生产。 目前，广泛使用的温度传感器有四类：热电阻、热电偶、热敏电阻和集成 电路温度传感器”，下面分别介绍。 3 2 1 热电偶 热电偶是温度测量中使用最广泛的传感器之一，它的测量温区宽，一般 在1 8 0 也8 0 0 的温度范围内均可使用；测量的准确度和灵敏度较高，特别在 高温范围内，有较高的精度。因此，国际实用温标规定，在6 3 0 7 4 1 0 6 4 4 3 的温区范围内，用热电偶作为复现热力学的基准仪器。热电偶在一般的测量和 控制系统中，常用于中高温的温度检测。 1 热电偶的测量原理热电效应：在两种不同导体或半导体构成的闭合回 路中，当两结点温度不同时，回路中就会出现电动势，并产生电流，该电流的 大小与两结点的温度差成正比。 在图3 2 表示的热电偶回路中，温度不同的两结点上，分别存在两个不同 的接触电势e 州。1 和e 删“) ，回路总电势为 e ( “。) = e 4 日( ) 一日口( b ) ( 3 1 ) a b 图3 2 熟电偶原理 f i g 3 - 2t h es c h e m a t i cd i a g r a mo f t h e r m o j u n c t i o n 2 5 哈尔滨理工大学t 学颁士学位论文 一般情况下，以t 。点的温度为参考，此时e 。“) 为定值，于是建立了温度 和电势的关系，根据测量的电势，查相应的电势温度分度表即可确定测量点的 温度。 2 热电偶的测量误差 ( 1 ) 互换性差：因为热电偶测量温度是根据其输出的热电势与温度的关 系查得，不同热电偶即使型号相同也会有差异。 ( 2 ) 参考端温度误差引起的误差：由于所测电势为相对电势，故参考端 温度的精确与否直接关系到测量的准确度。 ( 3 ) 补偿导线引入的误差：进行冷端补偿时，导线电势引入的误差。 3 2 2 热电阻 热电阻传感器主要是利用导体或半导体的电阻率随温度变化而变化的原理 测量温度，这种温度传感器在常温和较低温区范围内有比热电偶更高的灵敏 度，因此常用于( 一2 0 0 6 5 0 。c ) 温区内的温度测量。 热电阻按其制作的材料来分，主要有铂电阻、铜电阻等几种。目前被广泛 采用的是铂电阻，故只对铂电阻做一介绍。 由于铂在氧化性介质或高温中有较好的物理和