電纜載流量試驗(yàn)熱穩(wěn)定判據(jù)及試驗(yàn)誤差的研究

魯志偉，張 航，敖 明，于 海，李艷飛

(1.東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.吉林省電力有限公司 電力科學(xué)研究院，長(zhǎng)春 130021；3.國(guó)網(wǎng)淄博供電公司，淄博 255000；4.廣東電網(wǎng)公司廣州供電局，廣州 510620)

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電纜載流量試驗(yàn)熱穩(wěn)定判據(jù)及試驗(yàn)誤差的研究

魯志偉1，張 航1，敖 明2，于 海3，李艷飛4

(1.東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.吉林省電力有限公司 電力科學(xué)研究院，長(zhǎng)春 130021；3.國(guó)網(wǎng)淄博供電公司，淄博 255000；4.廣東電網(wǎng)公司廣州供電局，廣州 510620)

運(yùn)行中電力電纜線芯溫度隨負(fù)荷電流和電纜本體及周圍媒質(zhì)熱特性參數(shù)的變化而變化，準(zhǔn)確地確定電纜暫態(tài)溫度場(chǎng)和線芯溫度是提高電纜輸送能力的基礎(chǔ)。針對(duì)有限差分法計(jì)算電纜溫度場(chǎng)難以處理電纜圓形邊界和周圍土壤矩形邊界的問(wèn)題，采用階梯直線代替電纜圓形邊界，在直角坐標(biāo)系中直接求解電纜暫態(tài)溫度場(chǎng)?；谧鴺?biāo)組合的有限差分法和大電流模擬試驗(yàn)驗(yàn)證該方法的有效性和實(shí)用性。計(jì)算程序分析了恒定負(fù)荷電流下電纜線芯的溫升過(guò)程和載流量試驗(yàn)誤差。計(jì)算結(jié)果表明：電纜線芯溫升速度隨土壤熱阻系數(shù)的增加和電纜根數(shù)的增加而減慢，目前載流量試驗(yàn)中采用的熱穩(wěn)定判據(jù)可以使載流量試驗(yàn)值顯著高于載流量實(shí)際值。

電力電纜；暫態(tài)溫度場(chǎng)；有限差分法；載流量試驗(yàn)；熱穩(wěn)定判據(jù)；試驗(yàn)誤差

在人口稠密的大城市，電力通常通過(guò)電力電纜傳輸[1]。為確保電纜安全運(yùn)行和降低電纜使用成本，對(duì)電力電纜輸送能力進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)研究具有重要意義[2，3]。載流量試驗(yàn)研究時(shí)對(duì)電纜施加恒定電流，電纜線芯溫度逐漸上升并趨于穩(wěn)定，并規(guī)定當(dāng)線芯溫度在4 h內(nèi)變化≤1.0 ℃時(shí)，電纜線芯溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)[4，5]。電纜線芯溫升速度取決于系統(tǒng)熱時(shí)間常數(shù)，其值為電纜的狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障預(yù)警提供理論依據(jù)[6]。研究熱穩(wěn)定判據(jù)及可能帶來(lái)的載流量試驗(yàn)誤差，需對(duì)電纜暫態(tài)溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。國(guó)際電工委員會(huì)推薦的載流量計(jì)算方法(IEC-60287)使用方便，適用于均勻土壤[7-9]，對(duì)于有回填土的不均勻土壤，使用修正系數(shù)進(jìn)行修正，但其計(jì)算精度與回填土熱阻系數(shù)和電纜回路數(shù)密切相關(guān)[10]。與IEC計(jì)算方法比較，數(shù)值計(jì)算方法精度高，適用于各種復(fù)雜工況，但編程繁瑣且計(jì)算速度慢。電纜溫度場(chǎng)數(shù)值計(jì)算通常采用邊界元法[11]、有限元法[12-15]和有限差分法[16-21]。邊界元法處理多回路電纜敷設(shè)問(wèn)題時(shí)，邊界過(guò)多使得計(jì)算量變大。有限元法可以靈活布置網(wǎng)格和節(jié)點(diǎn)，對(duì)復(fù)雜區(qū)域和復(fù)雜邊界問(wèn)題具有很好的適應(yīng)性，在電纜溫度場(chǎng)的計(jì)算中得到了廣泛的應(yīng)用。使用有限差分法計(jì)算電纜溫度場(chǎng)時(shí)，一般同時(shí)采用極坐標(biāo)系和直角坐標(biāo)系，該方法被稱為坐標(biāo)組合法。極坐標(biāo)易于處理電纜圓形邊界，而直角坐標(biāo)易于處理土壤區(qū)域外邊界。坐標(biāo)組合法在迭代過(guò)程中通過(guò)插值將兩種坐標(biāo)相結(jié)合，因此編程復(fù)雜，計(jì)算速度低。本文使用直線階梯擬合曲線的方法對(duì)電纜圓形邊界進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將電纜影響區(qū)域全部劃分到直角網(wǎng)格內(nèi)，編程簡(jiǎn)單并且有較高的精度，便于大規(guī)模電纜集群敷設(shè)后的暫態(tài)溫度場(chǎng)的數(shù)值采集及計(jì)算。

1 電纜暫態(tài)溫度場(chǎng)計(jì)算模型

1.1 電纜暫態(tài)溫度場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型

由于電纜軸線方向溫度幾乎不變化，故可以采用二維計(jì)算模型，并采用有限差分法離散計(jì)算區(qū)域[22，23]。在圖1直角坐標(biāo)網(wǎng)格系統(tǒng)中，二維溫度場(chǎng)暫態(tài)導(dǎo)熱方程為：

圖1 直角坐標(biāo)的網(wǎng)格系統(tǒng)

(1)

式中：ρ、Cp、K分別為材料的密度、比熱及導(dǎo)熱系數(shù);T為電纜及土壤不同位置的溫度;Q為熱源。

傳熱學(xué)中邊界條件可歸納為三類：第一類為已知邊界溫度；第二類為已知邊界法向熱流密度；第三類為已知界面上的流體溫度和對(duì)流換熱系數(shù)。計(jì)算中足夠深度的土壤下邊界為第一類邊界，左右邊界兩條垂直線為第二類邊界條件，地面土壤和地表空氣層為第三類邊界。

應(yīng)用變步長(zhǎng)離散導(dǎo)熱方程為：

(2)

式中：i、j分別代表x、y坐標(biāo);T0代表上一時(shí)層的溫度;Δt為離散的時(shí)間步長(zhǎng)。式(2)可以進(jìn)一步寫成：

(3)

圖2 電纜溫度場(chǎng)不同區(qū)域網(wǎng)格劃分

圖3 電纜內(nèi)部區(qū)域網(wǎng)格劃分

1.2 電纜圓形邊界的處理

適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格劃分是計(jì)算電纜溫度場(chǎng)中一個(gè)重要的前處理過(guò)程。梯形網(wǎng)格和不均勻網(wǎng)格可以簡(jiǎn)化編程，提高計(jì)算速度。如圖2所示，整個(gè)計(jì)算區(qū)域分為加密區(qū)域和非加密區(qū)域，水平加密區(qū)域和豎直加密區(qū)域的交集為電纜所在區(qū)域。以電纜每一層作為劃分對(duì)象，加密區(qū)域網(wǎng)格間距為2 mm，最后一個(gè)網(wǎng)格可以不足2 mm。若電纜某層厚度小于2 mm，以該層厚度作為網(wǎng)格間隔進(jìn)行劃分。非加密區(qū)域網(wǎng)格離電纜越遠(yuǎn)間距越大，可采用等比遞加算法進(jìn)行劃分，間隔范圍最大至200 mm。電纜附近溫度梯度較大，采用加密網(wǎng)格提高了計(jì)算精度。離電纜較遠(yuǎn)的區(qū)域溫度梯度較小，采用稀疏網(wǎng)格提高了計(jì)算速度。

在對(duì)物理問(wèn)題作理論分析時(shí)，理想的坐標(biāo)系是坐標(biāo)軸與計(jì)算區(qū)域的邊界相符合，稱該坐標(biāo)系是所計(jì)算區(qū)域的適體坐標(biāo)系。矩形區(qū)域的適體坐標(biāo)系是直角坐標(biāo)系，圓形區(qū)域的適體坐標(biāo)系是極坐標(biāo)系。由于直角坐標(biāo)系簡(jiǎn)單方便，在直角坐標(biāo)系中進(jìn)行復(fù)雜問(wèn)題的數(shù)值計(jì)算較為容易便捷，電纜圓形邊界采用如圖3所示階梯型網(wǎng)格進(jìn)行劃分[24]。階梯型網(wǎng)格使圓形邊界變?yōu)閹е苯羌夥宓匿忼X狀粗糙邊界，通過(guò)細(xì)化網(wǎng)格能夠降低粗糙邊界的影響。

2 方法驗(yàn)證

2.1 電纜穩(wěn)態(tài)載流量計(jì)算結(jié)果比較

本文對(duì)單回和雙回110 kV直埋電纜載流量進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，驗(yàn)證了該方法在圓形邊界處理上的正確性。采用交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜，銅線芯截面積為800 mm2，線芯最高允許溫度為90 ℃。電纜平行敷設(shè)，其中雙回電纜采用一字型排列，埋深為0.7 m，相鄰相間的中心距離為0.2 m，鋁護(hù)套采用三段交叉互聯(lián)接地方式，每段為800 m。25 ℃時(shí)土壤熱阻系數(shù)為1 K·m/W，空氣和土壤的對(duì)流換熱系數(shù)為12.5 W/(m2·K)，空氣溫度為40 ℃，土壤溫度為25 ℃。在實(shí)際工程中，為了防止電纜敷設(shè)區(qū)域土壤發(fā)生形變而損壞電纜，在電纜周圍回填砂土，回填土熱阻系數(shù)為3 K·m/W。單回路時(shí)回填土區(qū)域橫向0.8 m，縱向1.2 m(從地面到地下1.2 m)；雙回路時(shí)回填土區(qū)域橫向1.4 m，縱向1.2 m。在橫向方向上，電纜位于回填土區(qū)域的中央。在相同的敷設(shè)條件下，分別采用文獻(xiàn)[18]的坐標(biāo)組合法與本文算法計(jì)算載流量，計(jì)算結(jié)果如表1所示。表1中I1為單回路載流量，I2為雙回路載流量，δ為以坐標(biāo)組合法為準(zhǔn)則的本文算法計(jì)算載流量的相對(duì)誤差。

從數(shù)學(xué)建模角度講，模型對(duì)所研究問(wèn)題的物理原型假設(shè)越少，模型誤差越小。坐標(biāo)組合法分別采用極坐標(biāo)和直角坐標(biāo)計(jì)算電纜內(nèi)部和電纜外部溫度場(chǎng)，避免了對(duì)電纜圓形邊界的等效，計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確。IEC方法假設(shè)電纜表面為等溫面、電纜周圍土壤溫度相等、電纜放置在無(wú)限大媒質(zhì)中以及土壤表面為等溫線。本文方法采用階梯形直線代替圓形曲線。所以，IEC和本文算法都會(huì)產(chǎn)生一定的模型誤差。由表1可見，本文方法與坐標(biāo)組合法的計(jì)算結(jié)果吻合。

表1 載流量計(jì)算結(jié)果比較

圖4 電纜溫升試驗(yàn)示意圖

2.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.2.1 恒定負(fù)荷電流溫升試驗(yàn)

大電流試驗(yàn)是驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算正確性最有效和最直接的方法。課題組在東北電力大學(xué)高電壓與絕緣技術(shù)實(shí)驗(yàn)室外進(jìn)行了66 kV直埋電纜大電流溫升試驗(yàn)，試驗(yàn)驗(yàn)證了單芯電纜暫態(tài)溫度場(chǎng)數(shù)值計(jì)算的正確性。

試驗(yàn)接線如圖4所示，試驗(yàn)方法與文獻(xiàn)[3]相似，通過(guò)電子測(cè)溫系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)量線芯、鋁護(hù)套、外護(hù)層表面和環(huán)境溫度。試驗(yàn)電纜采用YJLW03-48/66 1×240，埋深為0.8 m，土壤熱阻系數(shù)為2.44 K·m/W，密度為1 400 kg/m3，深層土壤溫度為15.5 ℃。土壤比熱容與導(dǎo)熱系數(shù)kt關(guān)系為[25]：

(4)

表2給出了66 kV電纜結(jié)構(gòu)和參數(shù)。圖5給出了電纜施加了168小時(shí)600 A的恒定電流的溫升曲線。由圖5中可見，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較為吻合，線芯計(jì)算溫度和試驗(yàn)溫度最大相差3.0 ℃，外護(hù)層表面計(jì)算溫度和試驗(yàn)溫度最大相差3.3 ℃。接近穩(wěn)態(tài)時(shí)，線芯計(jì)算溫度和試驗(yàn)溫度相差0.11 ℃。

表2 電力電纜參數(shù)

圖5 恒定負(fù)荷電纜溫升試驗(yàn)

2.2.2 變負(fù)荷電流溫升試驗(yàn)

圖6 變負(fù)荷電纜溫升試驗(yàn)

圖6給出了線芯電流階梯狀變化時(shí)，線芯和外護(hù)層表面溫升試驗(yàn)測(cè)量值和數(shù)值計(jì)算值，試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間為60 h。由圖6可見，數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)較為接近，線芯計(jì)算溫度和試驗(yàn)溫度最大相差3.5 ℃，外護(hù)層表面計(jì)算溫度和試驗(yàn)溫度最大相差2.5 ℃。所以，本文所述數(shù)值計(jì)算方法可以計(jì)算任意負(fù)荷下的電纜暫態(tài)溫升。

3 電纜載流量試驗(yàn)中熱穩(wěn)定判據(jù)及試驗(yàn)誤差的研究

3.1 文獻(xiàn)[3]單根電纜載流量試驗(yàn)結(jié)果分析

電纜載流量對(duì)電纜線路設(shè)計(jì)、敷設(shè)和運(yùn)行都具有重要意義，試驗(yàn)是確定其值最有效和最直接的方法。載流量實(shí)際測(cè)定時(shí)，在電纜中通過(guò)恒定負(fù)荷電流。由于電纜本體和周圍土壤熱阻及熱容的存在，電纜線芯溫度逐漸升高并無(wú)限趨近于理論穩(wěn)定狀態(tài)。文獻(xiàn)[3，4]在載流量試驗(yàn)研究中規(guī)定：當(dāng)電纜線芯溫度在4 h內(nèi)升高不超過(guò)1 ℃時(shí)，電纜溫升達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

文獻(xiàn)[3]載流量試驗(yàn)研究中110 kV單根電纜直埋敷設(shè)如圖7所示。電纜埋設(shè)深度1 m，回填土寬度0.8 m?；靥钔翢嶙柘禂?shù)0.819 K·m/W，母土熱阻系數(shù)0.545 K·m/W。電纜結(jié)構(gòu)參數(shù)見文獻(xiàn)[3]中的表1。該電纜施加的恒定負(fù)荷為1 330 A，104 h內(nèi)纜芯溫升試驗(yàn)曲線和本文計(jì)算曲線如圖8所示。由圖8可見，本文計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，溫升初始階段最大相差約為5.5 ℃，100 h后最大相差約為1.0 ℃。

圖7 電力電纜載流量試驗(yàn)布置圖

圖8 單根直埋電纜溫升曲線

圖9 電纜敷設(shè)示意圖

圖10 不同熱阻系數(shù)線芯溫升曲線

圖11 不同電纜布置方式下的電纜線芯溫升曲線

文獻(xiàn)[3]建議電纜線芯4 h內(nèi)溫升≤1.0 ℃作為熱穩(wěn)定狀態(tài)的判斷標(biāo)準(zhǔn)，并依據(jù)圖8的試驗(yàn)曲線認(rèn)為104 h達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)。針對(duì)該載流量試驗(yàn)，本文的數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明：(1)電纜計(jì)算載流量為1 253 A。電纜線芯在1 330 A電流下100 h-104 h中的4 h溫升僅為0.13 ℃，在104 h后的線芯溫升為92 ℃，其后線芯溫升十分緩慢，3 000 h后(視為最終穩(wěn)態(tài))溫度為99.5 ℃，即試驗(yàn)結(jié)束后線芯尚可有7.5 ℃的溫升。若1 330 A在104 h達(dá)到穩(wěn)態(tài)溫度92 ℃，則1 312 A在104 h達(dá)到90 ℃，此次載流量試驗(yàn)誤差4.7%；(2)在恒定負(fù)荷載流量1 253 A，以4 h溫升不大于1 ℃作為熱穩(wěn)定判據(jù)，熱穩(wěn)定時(shí)間為21 h，相應(yīng)線芯溫度為78 ℃，載流量試驗(yàn)誤差為8.9%。

3.2 恒定負(fù)荷下電纜溫升速度及影響因素的研究

采用熱路方法分析電纜暫態(tài)過(guò)程，其熱過(guò)程應(yīng)為一鏈形網(wǎng)絡(luò)，電纜及其周圍媒質(zhì)應(yīng)是一分布參數(shù)，電纜線芯溫升曲線并非單純指數(shù)函數(shù)，而是多個(gè)指數(shù)函數(shù)的疊加。

本文采用上述電纜暫態(tài)數(shù)值計(jì)算程序，分析了均勻土壤中電纜在恒定負(fù)荷電流下土壤熱阻系數(shù)和電纜根數(shù)對(duì)纜芯溫升速度的影響。以66 kV/240 mm2直埋單芯交聯(lián)聚乙烯電纜為例，土壤密度為1 400 kg/m3，深層土壤溫度為15 ℃。單根、單回路、三回路和七回路電纜敷設(shè)條件如圖9所示。計(jì)算時(shí)單根和單回路(橫向排列)電纜位于圖9中最上層，多回路電纜縱向排列，試驗(yàn)電纜間距均為0.2 m。

圖10給出了當(dāng)土壤熱阻系數(shù)ρe分別為2.0 k·m/W、1.0 k·m/W和0.5 k·m/W時(shí)，直埋單根電纜在相應(yīng)的載流量下2 400 h線芯暫態(tài)溫升曲線。2 400 h時(shí)熱穩(wěn)定溫度分別為88.8℃、89.6 ℃和89.9 ℃。圖11給出了單根、單回路、三回路和七回路電纜在土壤熱阻系數(shù)1.0 k·m/W的均勻土壤中，加載恒定負(fù)荷的載流量下2 400 h線芯暫態(tài)溫升曲線，其中多根電纜為最熱線芯溫度。2 400 h時(shí)單根、單回路、三回路和七回路電纜的最熱線芯溫度分別為89.6 ℃、89.1 ℃、88.0 ℃和86.8 ℃。繼續(xù)計(jì)算表明，三回路和七回路電纜在7 200 h時(shí)線芯的溫度分別達(dá)到89.85 ℃和89.68 ℃。

由圖10和圖11可見，電纜系統(tǒng)溫升速度隨土壤熱阻系數(shù)增大和電纜根數(shù)的增加而變慢。這是因?yàn)橥寥罒嶙柘禂?shù)增加，導(dǎo)致土壤熱阻增加和熱容略有減小，熱阻與熱容的乘積增大；電纜根數(shù)增加時(shí)，電纜的熱影響區(qū)域(即決定電纜系統(tǒng)溫升過(guò)程的有效土壤區(qū)域)增大，相應(yīng)的土壤熱阻和熱容增加，溫升更加緩慢。

3.3 載流量試驗(yàn)熱穩(wěn)定判據(jù)及試驗(yàn)誤差的研究

表3給出了本文試驗(yàn)所用電纜在不同敷設(shè)方式(ρe=1.0 k·m/W)和不同土壤熱阻系數(shù)下(單根電纜)，計(jì)算載流量I、熱時(shí)間常數(shù)τ和n小時(shí)線芯溫升Δθn≤1℃為熱穩(wěn)定判據(jù)時(shí)，計(jì)算載流量下的線芯熱穩(wěn)定溫度θc、試驗(yàn)載流量Is(視在熱穩(wěn)定點(diǎn)出現(xiàn)在90 ℃)及其試驗(yàn)誤差δ和試驗(yàn)載流量下電纜到達(dá)視在穩(wěn)態(tài)時(shí)間t。由表3可見:

表3 均勻土壤中熱穩(wěn)定判據(jù)與載流量的測(cè)量誤差

(1)熱時(shí)間常數(shù)越小，即電纜溫升速度越快，相同的熱穩(wěn)定判據(jù)下達(dá)到熱穩(wěn)定時(shí)間越短，試驗(yàn)誤差越??；

(2)n小時(shí)線芯溫升Δθn≤1 ℃為熱穩(wěn)定判據(jù)時(shí)，n越大試驗(yàn)時(shí)間越長(zhǎng)，載流量試驗(yàn)誤差越小；

(3)載流量計(jì)算值下線芯穩(wěn)定溫度θc與90 ℃的差異越大，載流量試驗(yàn)誤差越大。采用Δθ4≤1 ℃作為熱穩(wěn)定判據(jù)，單根、單回路、三回路和七回路電纜達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)最熱線芯溫度分別為76.3 ℃、65.8 ℃、52.2 ℃和40.4 ℃，載流量的試驗(yàn)誤差分別為10.0%、18.8%、31.0%和42.5%；采用Δθ12≤1℃作為熱穩(wěn)定判據(jù)，單根、單回路、三回路和七回路電纜達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)最熱線芯溫度分別為80.2 ℃、74.1 ℃、65.5 ℃和59.5 ℃，載流量試驗(yàn)誤差分別降至6.9%、11.4%、18.0%和22.0%；采用Δθ24≤1 ℃作為熱穩(wěn)定判據(jù)，單根、單回路、三回路和七回路電纜達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，最熱線芯溫度分別為82.6 ℃、78.7 ℃、72.8 ℃和69.0 ℃，載流量試驗(yàn)誤差分別降至5.1%、7.7%、12.1%和15.0%。所以，電纜根數(shù)越多，恒定負(fù)荷下溫升越緩慢，采用Δθ4≤1 ℃作為熱穩(wěn)定判據(jù)的載流量試驗(yàn)誤差越大；(4)土壤熱阻系數(shù)分別為2 k·m/W，1.0 k·m/W和0.5 k·m/W時(shí)，采用Δθ4≤1℃作為熱穩(wěn)定判據(jù)，單根電纜達(dá)到熱穩(wěn)定時(shí)相應(yīng)的線芯溫度分別為67.5 ℃、76.3 ℃和81.7 ℃，載流量的試驗(yàn)誤差分別為15.9%、10.0%和6.0%。而采用Δθ12≤1 ℃作為熱穩(wěn)定判據(jù)，達(dá)到熱穩(wěn)定時(shí)線芯溫度分別為75.0 ℃、80.2 ℃和83.9 ℃，載流量試驗(yàn)誤差分別為10.8%、6.9%和4.3%。采用Δθ24≤1 ℃作為穩(wěn)定判據(jù)，達(dá)到熱穩(wěn)定時(shí)線芯溫度分別為78.6 ℃、82.6 ℃和85.4 ℃，載流量試驗(yàn)誤差分別為8.6%、5.1%和3.2%。土壤熱阻系數(shù)越大，恒定負(fù)荷下電纜溫升越緩慢，采用Δθ4≤1 ℃作為穩(wěn)定判據(jù)的載流量試驗(yàn)誤差越大。

4 結(jié) 論

本文采用階梯型網(wǎng)格劃分電纜圓形邊界，只在直角坐標(biāo)系中離散導(dǎo)熱方程，編程簡(jiǎn)便且計(jì)算速度快。該方法可以準(zhǔn)確計(jì)算任意復(fù)雜土壤條件下電纜暫態(tài)溫度場(chǎng)，具有較高的工程實(shí)用價(jià)值。采用該程序計(jì)算恒定負(fù)荷電流下電纜暫態(tài)溫升過(guò)程，計(jì)算結(jié)果表明：1)當(dāng)土壤熱阻系數(shù)的增大時(shí)，土壤熱阻增加而熱容略有減小，土壤熱阻與熱容乘積增大，電纜線芯溫升變慢，熱時(shí)間常數(shù)加大；2)當(dāng)電纜根數(shù)增加時(shí)，電纜熱影響區(qū)域增大，土壤的有效熱阻和熱容增加，電纜線芯溫升變慢，熱時(shí)間常數(shù)加大；3)若采用n小時(shí)溫升Δθn≤1 ℃為熱穩(wěn)定判據(jù)，載流量試驗(yàn)可能造成的誤差與電纜溫升速度有關(guān)，電纜線芯溫升速度越慢，載流量試驗(yàn)誤差越大。目前載流量試驗(yàn)中Δθ4≤1℃的熱穩(wěn)定判據(jù)將可能造成較大的試驗(yàn)誤差，增大n值可顯著降低載流量試驗(yàn)誤差。

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Research of Thermal Time Constant and Steady Criterion used in the Power Cables Ampacity Test

LU Zhi-wei1，ZHANG Hang1，AO Ming2，YU Hai3，LI Yan-fei4

(1.Elec.Eng.College，Northeast Dianli University， jilin，132012，China；2.The Research Institute of Jilin Electric Power Co.，Ltd.，Changchun，130021，China；3.State Grid Zibo Power Supply Company，Zibo，255000，China；4.Guangzhou Power Bureau of Guangdong Power Grid Company，Guangzhou，510620，China)

The conductor temperatures of power cables change with load current as well as thermal characteristic parameters of power cables and surrounding medium.For the safety and the economy of transmission，it is meaningful to accurately predict the transient state thermal field of underground cables.Determining conductor temperatures is the basis of improving the current-carrying capacity.The finite difference method has shown difficulty in dealing with circular boundary of power cables and rectangular boundary of the surrounding soil when calculating temperature field of power cables.In this paper，ladder straight lines are adopted to substitute circular boundary of power cables，and temperature fields as well as ampacity are solved in Cartesian coordinate system.Numerical calculation results of finite difference method，which are based on the combinatorial coordinate and the temperature rise tests of the constant as well as variable load current，have proved that the method presented in this paper is effective to calculate the temperature fields of underground cables.The ampacity of power cables is often determined by experimental test.The present experimental ampacity，and the temperature rise of power conductors of constant load current，are studied based on the method presented in this paper.The results show that the temperature rise speed of power conductors slows when the soil thermal resistivity and the power cables increase.The tested ampacity may be much higher than the real ampacity because of the thermal steady criterion used in the test.

Power cables；Transient temperature field；Finite difference method；Ampacity test；Thermal steady criterion；Test error

2016-04-12

吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(20130101071JC)，吉林省電力有限公司科技項(xiàng)目(2013-39)

魯志偉(1963-)，男，吉林省吉林市人，東北電力大學(xué)輸變電學(xué)院教授，博士，主要研究方向：接地技術(shù)，電力電纜運(yùn)行和電介質(zhì)材料.

1005-2992(2016)05-0025-07

TM76

A