基于熱路法的環(huán)網(wǎng)柜T型電纜接頭導(dǎo)體溫度檢測(cè)研究

仝子靖， 周年榮， 段泉圣， 何 程， 王亞臣， 晉雪婷

(1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司 電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650217； 2.華北電力大學(xué) 控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院， 北京 102206; 3.華北電力設(shè)計(jì)院有限公司， 北京 100120； 4.西安交通利物浦大學(xué) 電氣與電子工程系，江蘇 蘇州 215123)

基于熱路法的環(huán)網(wǎng)柜T型電纜接頭導(dǎo)體溫度檢測(cè)研究

仝子靖1,2， 周年榮1， 段泉圣2， 何 程1， 王亞臣3， 晉雪婷4

(1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，云南昆明650217；2.華北電力大學(xué)控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，北京102206;3.華北電力設(shè)計(jì)院有限公司，北京100120；4.西安交通利物浦大學(xué)電氣與電子工程系，江蘇蘇州215123)

針對(duì)目前環(huán)網(wǎng)柜電纜溫度監(jiān)測(cè)方法的不足之處，基于改進(jìn)的熱路模型，提出了一種環(huán)網(wǎng)柜T型電纜接頭溫度在線監(jiān)測(cè)方法。該方法僅需檢測(cè)出T型絕緣護(hù)套和環(huán)境溫度即可反演出內(nèi)部導(dǎo)體溫度，搭建了模擬環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)T型連接頭真實(shí)運(yùn)行狀況的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行了電纜溫升實(shí)驗(yàn)，利用實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比，驗(yàn)證了熱路模型的正確性。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：穩(wěn)態(tài)時(shí)計(jì)算結(jié)果的相對(duì)誤差小于5.4 %；暫態(tài)時(shí)計(jì)算結(jié)果的相對(duì)誤差小于9.0 %。利用熱路模型可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電纜接頭溫度狀況，保障了環(huán)網(wǎng)柜和電纜線路的安全運(yùn)行。

T型電纜接頭； 溫度場(chǎng)； 熱路法； 溫度監(jiān)測(cè)

0 引 言

T型電纜接頭是環(huán)網(wǎng)柜的重要組成部件，其溫度狀態(tài)是衡量環(huán)網(wǎng)柜是否正常運(yùn)行的關(guān)鍵指標(biāo)。電氣設(shè)備在工作中存在損耗，使電氣設(shè)備溫度升高[1～4]。溫度過(guò)高也會(huì)使絕緣材料碳化，降低護(hù)套的絕緣性，導(dǎo)致線路損壞等事故[5～7]。因此，有必要對(duì)環(huán)網(wǎng)柜T型連接頭導(dǎo)體溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)保證環(huán)網(wǎng)柜正常運(yùn)行具有重要意義。

目前,實(shí)際工程中檢測(cè)電纜接頭導(dǎo)體溫度主要根據(jù)IEC 60287標(biāo)準(zhǔn)建立電纜接頭的熱路模型，利用接頭表面溫度反演出內(nèi)部導(dǎo)體溫度[8]。但是仍見(jiàn)該方法應(yīng)用于環(huán)網(wǎng)柜T型接頭的溫度檢測(cè)中，同時(shí)該方法對(duì)于暫態(tài)溫度場(chǎng)的計(jì)算不夠精確，因?yàn)楦鲗硬牧系臒嶙?、熱容均為溫度函?shù)，會(huì)隨溫度變化，導(dǎo)致導(dǎo)體暫態(tài)溫度難以準(zhǔn)確計(jì)算[9]。

本文在IEC 60287標(biāo)準(zhǔn)建立的熱路模型基礎(chǔ)上，根據(jù)傳熱學(xué)知識(shí)，采用改進(jìn)的熱路法對(duì)環(huán)網(wǎng)柜T型連接頭的溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模，建立測(cè)點(diǎn)溫度與導(dǎo)體溫度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，從而可以利用絕緣護(hù)套表面溫度計(jì)算出T型接頭內(nèi)部導(dǎo)體溫度。改進(jìn)的熱路模型可實(shí)時(shí)更新T型接頭的熱物性參數(shù)值，利用迭代法提升溫度場(chǎng)的計(jì)算精度，從而可以更準(zhǔn)確測(cè)量出內(nèi)部導(dǎo)體溫度。同時(shí)搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行了電纜溫升實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了模型的正確性。

1 T型電纜接頭的熱路模型

1.1 T型電纜接頭結(jié)構(gòu)

環(huán)網(wǎng)柜T型連接頭結(jié)構(gòu)如圖1所示。T型絕緣護(hù)套主要分為半導(dǎo)電內(nèi)芯管、中間絕緣層和半導(dǎo)電外蒙層三部分，電纜線芯由應(yīng)力錐固定，通過(guò)接線端子與導(dǎo)電桿連接。

圖1 T型連接頭結(jié)構(gòu)

根據(jù)環(huán)網(wǎng)柜T型接頭故障統(tǒng)計(jì)可知，接線端子與電纜連接處由于存在虛接或應(yīng)力錐安裝不到位等原因，最容易出現(xiàn)過(guò)熱現(xiàn)象[10]，導(dǎo)致故障的發(fā)生。接線端子與電纜連接處的截面如圖2所示。

圖2 T型連接頭截面

利用ANSYS對(duì)環(huán)網(wǎng)柜T型接頭的溫度場(chǎng)模型進(jìn)行傳熱分析，如圖3所示，可以看出：接線端子處的溫度最高，與故障統(tǒng)計(jì)中的結(jié)果相符，因此,有必要對(duì)該部位的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)發(fā)出預(yù)警，避免內(nèi)部導(dǎo)體過(guò)熱而損壞T型連接頭。

圖3 ANSYS溫度仿真

1.2 熱路模型原理

電場(chǎng)與熱場(chǎng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 電場(chǎng)與熱場(chǎng)對(duì)應(yīng)關(guān)系

根據(jù)電場(chǎng)與熱場(chǎng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，便可建立相應(yīng)的熱路模型計(jì)算內(nèi)部導(dǎo)體溫度[11～13]。當(dāng)溫度場(chǎng)處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，可將特定溫度下的熱物性參數(shù)代入計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果也能達(dá)到預(yù)定精度。但是當(dāng)溫度變化時(shí)，溫度場(chǎng)處于暫態(tài)，由于熱阻、損耗、熱容均為溫度的函數(shù)，溫度變化時(shí)熱物性參數(shù)也隨之變化，如果仍將特定溫度下的熱物性參數(shù)代入計(jì)算，會(huì)對(duì)計(jì)算精度產(chǎn)生較大影響。要提升熱路模型的準(zhǔn)確度，首先需要考慮到各層材料的熱容變化的影響，并且實(shí)時(shí)計(jì)算出各部件的其他熱物性參數(shù)，再代入模型中求解當(dāng)前的導(dǎo)體溫度?；诜€(wěn)態(tài)熱路法，提出了改進(jìn)的T型連接頭熱路模型，其等效熱路如圖4所示。

圖4 T型電纜接頭改進(jìn)熱路模型

利用節(jié)點(diǎn)電壓法對(duì)等效熱路列出節(jié)點(diǎn)方程

(1)

由溫度傳感器檢測(cè)得到環(huán)境溫度T5與絕緣護(hù)套表面溫度T6，再實(shí)時(shí)計(jì)算出各層的熱物性參數(shù)，采用迭代法進(jìn)行運(yùn)算，便可由式(1)反推出內(nèi)部導(dǎo)體溫度T0。

1.3 熱路模型的參數(shù)計(jì)算

1.3.1 損耗計(jì)算

1)導(dǎo)體損耗

根據(jù)焦耳定律可知，單位時(shí)間內(nèi)導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量為

Q0=I2R

(2)

單位長(zhǎng)度的導(dǎo)體交流電阻值為

R=R′(1+YS+YP)

(3)

式中R′為導(dǎo)體直流電阻；YS為集膚效應(yīng)因數(shù)；YP為臨近效應(yīng)因數(shù)，取YP=0；直流電阻值為

(4)

式中ρ20為20 ℃時(shí)導(dǎo)體的電阻率；A為導(dǎo)體橫截面積；α為電阻溫度系數(shù)；T0為導(dǎo)體溫度。

集膚效應(yīng)因數(shù)為

(5)

(6)

式中f為電源頻率；kS為經(jīng)驗(yàn)值，對(duì)于干燥的銅導(dǎo)線取1。

2)絕緣損耗

絕緣材料在交變電場(chǎng)的作用下，在介質(zhì)內(nèi)部引起的能量損耗，稱為絕緣損耗。單位長(zhǎng)度電纜的絕緣損耗Wd的計(jì)算公式為

(7)

式中 頻率f=50 Hz；額定電壓U0=10 kV；Φ為功率因數(shù)角;tanδ為介質(zhì)損耗因素，δ稱為介質(zhì)損耗角，為Φ的余角；C為單位長(zhǎng)度電纜電容，F(xiàn)/m。

對(duì)于圓形導(dǎo)體電容

(8)

式中ε為絕緣材料的介電系數(shù)；Di為絕緣層直徑；dc為導(dǎo)體直徑。

可利用此公式推導(dǎo)出電纜主絕緣層，應(yīng)力錐，等效硅脂層，中間絕緣層，絕緣護(hù)套外蒙皮等各個(gè)部分的損耗。

1.3.2 熱阻計(jì)算

1)絕緣層熱阻

(9)

式中ρT為絕緣材料的熱阻系數(shù)；G為幾何因數(shù)。

對(duì)于單芯電纜，絕緣電阻R1可表示為

(10)

式中t1為絕緣層厚度。

可利用此公式分別推導(dǎo)出電纜各個(gè)部分的熱阻。

2)空氣熱阻

自由空氣的熱阻R6為

(11)

式中DE為電纜外徑；ΔθS為電纜表面溫度與環(huán)境溫度的差值；h為對(duì)流換熱系數(shù)。

1.3.3 熱容計(jì)算

1)導(dǎo)體熱容

(12)

式中δ銅為導(dǎo)體體積熱容。

2)絕緣層熱容

(13)

式中Di為絕緣外徑；δ絕緣層為絕緣層體積熱容。

1.4 改進(jìn)熱路法的計(jì)算流程

為了更精確地計(jì)算出內(nèi)部導(dǎo)體溫度，需要實(shí)時(shí)更新T型連接頭的熱物性參數(shù)，可采用迭代的方法進(jìn)行導(dǎo)體的暫態(tài)溫度計(jì)算，其計(jì)算流程如圖5所示。在利用熱路法計(jì)算導(dǎo)體溫度的初始階段，假設(shè)導(dǎo)體溫度為一個(gè)特定值T0，再進(jìn)行各個(gè)部件熱物性參數(shù)的計(jì)算，反演出導(dǎo)體溫度T，得到△T=|T-T0|,當(dāng)△T大于預(yù)設(shè)精度ε時(shí)，需要重新計(jì)算當(dāng)前的熱物性參數(shù)，直到計(jì)算結(jié)果滿足精度為止；當(dāng)△T小于預(yù)設(shè)精度ε時(shí)，計(jì)算結(jié)果達(dá)到精度要求，T即為當(dāng)前內(nèi)部導(dǎo)體溫度。

圖5 改進(jìn)熱路模型計(jì)算導(dǎo)體溫度流程

2 實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)方法

為了驗(yàn)證T型連接頭改進(jìn)熱路模型的正確性，搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以模擬環(huán)網(wǎng)柜的真實(shí)運(yùn)行狀態(tài)，平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖6所示。在電纜溫升實(shí)驗(yàn)中采用溫度傳感器監(jiān)測(cè)T型連接頭表皮溫度、導(dǎo)體溫度和環(huán)境溫度，全程進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，每隔1 min進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集。利用該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了不同負(fù)載的電纜溫升實(shí)驗(yàn)，先后將電流加載至630，800，680，520A，總時(shí)長(zhǎng)為650 min。每加載到某一特定電流時(shí)保持一段時(shí)間至其溫度場(chǎng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)。

圖6 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建示意

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)T型連接頭的結(jié)構(gòu)尺寸及熱物性參數(shù)，得到導(dǎo)體溫度計(jì)算值，導(dǎo)體溫度的計(jì)算值與測(cè)量值如表2所示?？梢钥闯觯焊倪M(jìn)熱路模型的計(jì)算值與T型連接頭內(nèi)部導(dǎo)體實(shí)測(cè)溫度值的變化趨勢(shì)呈一致性，驗(yàn)證了改進(jìn)熱路模型反演內(nèi)部導(dǎo)體溫度的正確性。

表2 改進(jìn)熱路模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比數(shù)據(jù)

將改進(jìn)熱路模型的結(jié)果與穩(wěn)態(tài)熱路模型的計(jì)算結(jié)果相對(duì)比，其溫度曲線如圖7所示。

圖7 改進(jìn)熱路模型與穩(wěn)態(tài)熱路模型結(jié)果對(duì)比

再分別計(jì)算出改進(jìn)熱路模型和穩(wěn)態(tài)熱路模型的相對(duì)誤差，如圖8所示。從圖中可以看出，整體上改進(jìn)熱路模型的計(jì)算誤差更小，計(jì)算值更加接近真實(shí)溫度。當(dāng)電流穩(wěn)定，T型接頭的溫度場(chǎng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，改進(jìn)熱路模型的相對(duì)誤差小于5.4 %，穩(wěn)態(tài)熱路模型的相對(duì)誤差小于7.1 %，二者的計(jì)算誤差相差不大；當(dāng)電流發(fā)生變化，T型接頭的溫度場(chǎng)處于暫態(tài)時(shí)，改進(jìn)熱路模型的相對(duì)誤差小于9.0 %，而穩(wěn)態(tài)熱路模型的相對(duì)誤差小于13.5 %，此時(shí)改進(jìn)熱路模型計(jì)算內(nèi)部導(dǎo)體溫度的效果更好。

圖8 2種模型計(jì)算導(dǎo)體溫度誤差曲線

分析改進(jìn)熱路模型計(jì)算誤差產(chǎn)生的原因，可能分為以下幾點(diǎn)：1)測(cè)溫系統(tǒng)所采用溫度傳感器DS18B20的精度為±0.5 ℃，導(dǎo)致最終計(jì)算結(jié)果存在一定的誤差；2)T型連接頭絕緣護(hù)套的熱物性參數(shù)采用形狀因子法求得，存在一定誤差，影響了參數(shù)計(jì)算的準(zhǔn)確性；3)固體之間相互接觸時(shí)，固體表面僅在一些離散的面積元上實(shí)際接觸，在未接觸的間隙存在一定量的空氣，增大了傳熱的阻力，即接觸熱阻，導(dǎo)致計(jì)算值與測(cè)量值存在一定的偏差。

4 結(jié) 論

針對(duì)環(huán)網(wǎng)柜T型連接頭容易出現(xiàn)過(guò)熱的現(xiàn)象，建立了T型接頭的改進(jìn)熱路模型，將環(huán)境溫度和絕緣護(hù)套表面溫度代入模型中，根據(jù)迭代法計(jì)算得到各部件的熱物性參數(shù)，反演出內(nèi)部導(dǎo)體溫度。搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)電纜溫升實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了改進(jìn)熱路模型的正確性，并與穩(wěn)態(tài)熱路法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)表明：當(dāng)電流恒定，溫度場(chǎng)處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，改進(jìn)熱路模型與穩(wěn)態(tài)熱路模型計(jì)算內(nèi)部導(dǎo)體溫度的誤差較為接近；當(dāng)電流發(fā)生變化，溫度場(chǎng)處于暫態(tài)時(shí)，改進(jìn)熱路模型相較于穩(wěn)態(tài)熱路模型反演導(dǎo)體溫度的效果更好，誤差更小，并且分析了誤差產(chǎn)生的原因。利用改進(jìn)熱路模型計(jì)算導(dǎo)體溫度，雖然存在一定誤差，但是在可接受范圍內(nèi)，并且準(zhǔn)確度高于目前常用的穩(wěn)態(tài)熱路模型，對(duì)實(shí)際工程中監(jiān)測(cè)環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)導(dǎo)體溫度具有參考意義。

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ResearchontemperaturedetectionofTtypecablejointconductorofringnetworkcabinetbasedonthermalcircuitmethod

TONG Zi-jing1,2, ZHOU Nian-rong1, DUAN Quan-sheng2， HE Cheng1, WANG Ya-chen3, JIN Xue-ting4

(1.YunnanElectricPowerResearchInstitute,Kunming650217,China;2.SchoolofControlandComputerEngineering,NorthChinaElectricPowerUniversity,Beijing102206,China;3.NorthChinaElectricPowerDesignInstituteCoLtd,Beijing100120,China;4.DepartmentofElectricalandElectronicEngineering,Xi’anJiaotongLiverpoolUniversity,Suzhou215123,China)

An on-line temperature monitoring method for T type cable joint of ring network cabinet based on improved thermal circuit model is proposed.The method can calculate the temperature of internal conductor by measuring the T type insulation sheath and the ambient temperature.A test platform is built for simulating the real running condition of T type connector in the ring network cabinet.The correctness of the thermal circuit model is verified by comparing the measured values with the calculated values.The results show that when the temperature field is in the steady state,the temperature relative error stays within 5.4 %.When the temperature field is in the transient state,the temperature relative error stays within 9.0 %.The thermal circuit model can monitor the temperature of cable joints in real-time,the safe operation of the ring network cabinet and cable line can be ensured.

T type cable joint; temperature field; thermal circuit method; temperature monitoring

10.13873/J.1000—9787(2017)11—0131—04

TM 726

A

1000—9787(2017)11—0131—04

2017—09—29

仝子靖(1993-)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娋W(wǎng)自動(dòng)化檢測(cè)及測(cè)試技術(shù)，E—mail:380941806@qq.com。

周年榮(1974-)，男，博士研究生，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)楦邏航^緣技術(shù)、智能電網(wǎng)技術(shù)等。

段泉圣(1962-)，男，博士，教授，主要從事檢測(cè)新技術(shù)、氣固兩相流檢測(cè)等相關(guān)研究工作。