热欧姆法电缆的热阻,热网络分析法

希望本文对众旺友的学习有所帮助。灵敏度分析是研究与分析一个系统(或模型)的状态或输出变化对系统参数或周围条件变化的敏感程度的方法。通过灵敏度分析可以决定哪些参数对系统或模型有较大的影响。电缆允许负荷水平受到电缆本体温度的限制，要想提高电缆的输送容量，就必须掌握各种因素对电缆本体温度的影响。由于影响电缆本体温度的动态因素很多，如环境热阻变化、负荷变化、电缆本体材料物理特性随环境变化等，因此需要找到一种方法，对每一种微扰因素影响的大小进行评估，从而为电缆设计时绝缘介质材料的选择，以及埋设方式、散热条件的改善等提供理论依据。本文先对电缆进行建模，得到电缆的热网络模型；然后采用节点电压法列出网络方程，求解出电缆本体温度的计算公式；最后，采用灵敏度分析的方法，假设某一参数发生变化，其他参数不变的情况下，定量地分析该因素对电缆本体温度的影响l弓I。采用灵敏度分析的方法，不需要重复整个热网络的计算过程，不仅计算简便，而且概念清晰。1电缆热场计算为了采用灵敏度分析的方法评估可能引起电缆线芯温度波动的因素，必须建立电缆本体的传热模型，并且推导出计算电缆线芯及其他部分温度的计算公式。本文采用热路分析的方法，建立电缆热网络模型，并推导出电缆本体温度的实时计算公式。1热网络模型的建立由于电缆的长度远大于其半径，电缆的传热可以看成是沿半径方向的一维传热问题。把电缆刨分成层，每一层根据传热学原理，类比热路与电路的相似性，得到电缆微元层的等效热路图，如图1所示。其中，Q，为流人微元层的热量，Qg为生成热量，R为热容，C为热阻。对于单芯电缆，其绝缘各层为同心圆，可以把电缆刨分成无限多的微元层，再把微元层的等效热路模型串联起来，便可以得到电缆本体的热网络模型。如图2所示。1.2热网络模型的求解根据上一节建立的热网络模型，由于热路与电路有很大的相似性，其温度相当于电路上的电压，损耗相当于电流源，热阻相当于电阻，热容相当于电容，故结合电路上的欧姆定律以及节点电压法，列写单芯电缆的热网络方程，如式(1)。2灵敏度分析1电缆表面温度分析则由于某些把所有影响电缆本体温度的参数都表示为P,则灵敏度可以表示为S=/则由于某些或者全部因素影响的电缆本体温度变化为为了研究电缆表皮温度微小变化对网络的扰动情况，即表面温度波动对导体温度计算值的影响，对于前面得到的电缆各层温度矩阵2.2电缆直埋深度分析对于直埋电缆，其敷设的深度h对电缆线芯的温度会有微小的影响。此时需要考虑电缆外部环境对电缆导体温度的影响，因此在建模时需要考虑外部环境的热阻，此时状态方程多了1阶，为n+l阶，从而得到直埋深度对电缆导体温度的灵敏度为同理，分析热网络模型每个独立参数对电缆线芯温度的影响，可以用式(2)对指定参数进行微分即可。3试验验证1电缆表面温度影响由于环境温度变化等因素的影响，导致电缆表皮温度会产生微小变弓I。经计算，当电缆表皮温度变化l°C时，线芯温度变化0.769~C，即电缆表面温度对线芯温度的灵敏度。电缆达到稳态时，环境温度对线芯温度影响的计算值与实测值对比如图3所示。由式(6)可知，电缆线芯温度为环境温度变化的一次函数，在图中是一条直线。而实测电缆线芯温度值，由于电缆材料的热物理性质会随着温度的升高而有所变化，故线芯温度上升曲线随环境温度升高而趋于稳态。由图4可以清楚地看出，当环境温度出现微小波动时，电缆表面温度会随着变化，计算的线芯温度值也出现波动，但是幅值很小，说明电缆热网络计算模型的抗干扰能力较强。3.2电缆直埋深度影响如图5所示，当电缆负载电流为1000A时，其线芯温度比较小，周围土壤没有发生水分迁移，其线芯温度会随着直埋深度的增大而有稍微的减小。当电缆负载电流为1500A时，电缆线芯温度超过了90。C，电缆周围土壤会发生水分迁移，土壤的热阻系数增大，随着直埋深度的增大，其线芯温度有略微的升高jo根据式(7)，利用灵敏度分析的方法，可以实时地跟踪电缆周围水分的微小变化导致土壤热阻系数改变而引起的电缆导体温度的改变，而不需重复整个热网络计算的工程，并且物理概念清晰。4结论由于电缆敷设的环境非常的复杂，影响电缆本体温度的各种非线性因素很多，而传统计算电缆热场的方法，因为过多的理想性假设，难以适应环境参数的微小变化引起的电缆本体温度变化的计算。本文通过建立电缆的热网络模型，引入灵敏度分析的方法，重点对电缆表面温度和直埋深