熱歐姆法電纜的熱阻,熱網(wǎng)絡(luò)分析法

希望本文對(duì)眾旺友的學(xué)習(xí)有所幫助。靈敏度分析是研究與分析一個(gè)系統(tǒng)(或模型)的狀態(tài)或輸出變化對(duì)系統(tǒng)參數(shù)或周圍條件變化的敏感程度的方法。通過靈敏度分析可以決定哪些參數(shù)對(duì)系統(tǒng)或模型有較大的影響。電纜允許負(fù)荷水平受到電纜本體溫度的限制，要想提高電纜的輸送容量，就必須掌握各種因素對(duì)電纜本體溫度的影響。由于影響電纜本體溫度的動(dòng)態(tài)因素很多，如環(huán)境熱阻變化、負(fù)荷變化、電纜本體材料物理特性隨環(huán)境變化等，因此需要找到一種方法，對(duì)每一種微擾因素影響的大小進(jìn)行評(píng)估，從而為電纜設(shè)計(jì)時(shí)絕緣介質(zhì)材料的選擇，以及埋設(shè)方式、散熱條件的改善等提供理論依據(jù)。本文先對(duì)電纜進(jìn)行建模，得到電纜的熱網(wǎng)絡(luò)模型；然后采用節(jié)點(diǎn)電壓法列出網(wǎng)絡(luò)方程，求解出電纜本體溫度的計(jì)算公式；最后，采用靈敏度分析的方法，假設(shè)某一參數(shù)發(fā)生變化，其他參數(shù)不變的情況下，定量地分析該因素對(duì)電纜本體溫度的影響l弓I。采用靈敏度分析的方法，不需要重復(fù)整個(gè)熱網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算過程，不僅計(jì)算簡(jiǎn)便，而且概念清晰。1電纜熱場(chǎng)計(jì)算為了采用靈敏度分析的方法評(píng)估可能引起電纜線芯溫度波動(dòng)的因素，必須建立電纜本體的傳熱模型，并且推導(dǎo)出計(jì)算電纜線芯及其他部分溫度的計(jì)算公式。本文采用熱路分析的方法，建立電纜熱網(wǎng)絡(luò)模型，并推導(dǎo)出電纜本體溫度的實(shí)時(shí)計(jì)算公式。1熱網(wǎng)絡(luò)模型的建立由于電纜的長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于其半徑，電纜的傳熱可以看成是沿半徑方向的一維傳熱問題。把電纜刨分成層，每一層根據(jù)傳熱學(xué)原理，類比熱路與電路的相似性，得到電纜微元層的等效熱路圖，如圖1所示。其中，Q，為流人微元層的熱量，Qg為生成熱量，R為熱容，C為熱阻。對(duì)于單芯電纜，其絕緣各層為同心圓，可以把電纜刨分成無(wú)限多的微元層，再把微元層的等效熱路模型串聯(lián)起來(lái)，便可以得到電纜本體的熱網(wǎng)絡(luò)模型。如圖2所示。1.2熱網(wǎng)絡(luò)模型的求解根據(jù)上一節(jié)建立的熱網(wǎng)絡(luò)模型，由于熱路與電路有很大的相似性，其溫度相當(dāng)于電路上的電壓，損耗相當(dāng)于電流源，熱阻相當(dāng)于電阻，熱容相當(dāng)于電容，故結(jié)合電路上的歐姆定律以及節(jié)點(diǎn)電壓法，列寫單芯電纜的熱網(wǎng)絡(luò)方程，如式(1)。2靈敏度分析1電纜表面溫度分析則由于某些把所有影響電纜本體溫度的參數(shù)都表示為P,則靈敏度可以表示為S=/則由于某些或者全部因素影響的電纜本體溫度變化為為了研究電纜表皮溫度微小變化對(duì)網(wǎng)絡(luò)的擾動(dòng)情況，即表面溫度波動(dòng)對(duì)導(dǎo)體溫度計(jì)算值的影響，對(duì)于前面得到的電纜各層溫度矩陣2.2電纜直埋深度分析對(duì)于直埋電纜，其敷設(shè)的深度h對(duì)電纜線芯的溫度會(huì)有微小的影響。此時(shí)需要考慮電纜外部環(huán)境對(duì)電纜導(dǎo)體溫度的影響，因此在建模時(shí)需要考慮外部環(huán)境的熱阻，此時(shí)狀態(tài)方程多了1階，為n+l階，從而得到直埋深度對(duì)電纜導(dǎo)體溫度的靈敏度為同理，分析熱網(wǎng)絡(luò)模型每個(gè)獨(dú)立參數(shù)對(duì)電纜線芯溫度的影響，可以用式(2)對(duì)指定參數(shù)進(jìn)行微分即可。3試驗(yàn)驗(yàn)證1電纜表面溫度影響由于環(huán)境溫度變化等因素的影響，導(dǎo)致電纜表皮溫度會(huì)產(chǎn)生微小變弓I。經(jīng)計(jì)算，當(dāng)電纜表皮溫度變化l°C時(shí)，線芯溫度變化0.769~C，即電纜表面溫度對(duì)線芯溫度的靈敏度。電纜達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，環(huán)境溫度對(duì)線芯溫度影響的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比如圖3所示。由式(6)可知，電纜線芯溫度為環(huán)境溫度變化的一次函數(shù)，在圖中是一條直線。而實(shí)測(cè)電纜線芯溫度值，由于電纜材料的熱物理性質(zhì)會(huì)隨著溫度的升高而有所變化，故線芯溫度上升曲線隨環(huán)境溫度升高而趨于穩(wěn)態(tài)。由圖4可以清楚地看出，當(dāng)環(huán)境溫度出現(xiàn)微小波動(dòng)時(shí)，電纜表面溫度會(huì)隨著變化，計(jì)算的線芯溫度值也出現(xiàn)波動(dòng)，但是幅值很小，說(shuō)明電纜熱網(wǎng)絡(luò)計(jì)算模型的抗干擾能力較強(qiáng)。3.2電纜直埋深度影響如圖5所示，當(dāng)電纜負(fù)載電流為1000A時(shí)，其線芯溫度比較小，周圍土壤沒有發(fā)生水分遷移，其線芯溫度會(huì)隨著直埋深度的增大而有稍微的減小。當(dāng)電纜負(fù)載電流為1500A時(shí)，電纜線芯溫度超過了90。C，電纜周圍土壤會(huì)發(fā)生水分遷移，土壤的熱阻系數(shù)增大，隨著直埋深度的增大，其線芯溫度有略微的升高jo根據(jù)式(7)，利用靈敏度分析的方法，可以實(shí)時(shí)地跟蹤電纜周圍水分的微小變化導(dǎo)致土壤熱阻系數(shù)改變而引起的電纜導(dǎo)體溫度的改變，而不需重復(fù)整個(gè)熱網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的工程，并且物理概念清晰。4結(jié)論由于電纜敷設(shè)的環(huán)境非常的復(fù)雜，影響電纜本體溫度的各種非線性因素很多，而傳統(tǒng)計(jì)算電纜熱場(chǎng)的方法，因?yàn)檫^多的理想性假設(shè)，難以適應(yīng)環(huán)境參數(shù)的微小變化引起的電纜本體溫度變化的計(jì)算。本文通過建立電纜的熱網(wǎng)絡(luò)模型，引入靈敏度分析的方法，重點(diǎn)對(duì)電纜表面溫度和直埋深