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電力電纜安全監測中溫度場和電場數值關系分析

文檔作者：羅濤陳民鈾曾燦文檔來源： 1．重慶大學輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室 2．永川供電局		點擊數：	更新時間： 2025年02月22日
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第38卷第5期
2010年3月1日
電力系統保護與控制
Power System Protection and Control
3I．38 No．5
M ar．1．2010
電力電纜安全監測中溫度場和電場數值關系分析
羅濤 ，陳民鈾 ，曾燦 ．
(1．重慶大學輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室，重慶400044；2．永川供電局，重慶402160)
摘要：首先采用有限元法分別計算了8．7／1 5 kV YJV 1~400 mm 直埋式電纜的溫度場以及電場分布，在此基礎上分析了二者
之間的數值關系。計算結果表明電纜的溫度場與電場之間呈近似的線性關系。從而在實l~．r-程中，可以通過在線監測電纜的
溫度場分布，首先可以推算其負荷，對電纜負荷進行監控。并根據電纜電場與溫度場之間的線性關系，推算其電場分布，得
出電纜絕緣介質內的電場分布規律，判斷內部電場是否超過安全限值，可以更好地監測電纜的絕緣狀態，確保電纜的安全運
行
關鍵詞：地下電纜；有限元；溫度場； 電場
Study of numerical relationship between temperature and electric field in power cables safety monitoring
LUO Tan ，CHEN Min．you ，ZENG Can
(1．State Key Laboratory of Power Transmission Equipment&amp;amp; System Security and New Technology,Chongqing University,
Chongqing 400044，China； 2．Yongchuan Power Supply Bureau，Chongqing 402 1 60，China)
Abstract：In this PaDer，finite element method(FEM)iS used to calculate the temperature field and electric field of 8．7／1 5 kV YJV
1~400 nlm straight buried cables separately and the relationship between the two fields is also analyzed based on this
calculation． The calculation result shows that the temperature field and the electric field have an approximate linear
relationship．Based on this analysis，in the practical application，the load ofcables could be reckoned by the on-line monitoring of
cables’temperature field，and therefore cables’load could be monitored．At the same time，the electric field’S distribution regularity
of cable insulation medium could be goRen by the calculation of the electric field’S distribution based on the linear relationship
between the temperature field and the electric field．Then the internal electric field could be judged whether it is under the safety
limit．So the cable’S insulation condition could be monitored preferably and the cable’S safety operation could be guaranteed．
Key words： underground cable；FEM；temperature field； electric field
中圖分類號：TM726．4 文獻標識碼：A 文章編號： 1674—3415(2010)05—0020．05
0 引言
隨著電氣設備容量的擴大和社會對電力需求的
日益增長，對輸電線路的可靠性要求也不斷提高。
電力電纜作為電能傳輸的主要載體，對其運行狀態
的在線監測已成為關注的問題之一。關于電纜的在
線監測系統研究較多，很多已經投入運行。目前多
數電纜在線監測系統是使用溫度傳感器監測電纜表
面或表皮溫度，根據電纜的溫度判斷電纜是否運行
安全。這種監測方法能夠直觀判斷電纜的運行安全
性，一個存在的問題就是當檢測到電纜溫度較高時，
可能有些內部故障已經產生并持續一段時間了，雖
然可以避免事故的發生，但是對電纜的壽命帶來不
利的影響。
實際運行中的電纜內部的電場是均勻分布的Ll J，
電纜故障中局部放電和絕緣老化等現象都會在電場
分布上反映出來。所以，我們可以根據電纜內部電
場是否出現異變來對電纜的絕緣層進行監測。由于
地下電纜電場的測量較為困難，溫度的測量相對較
為簡單。本文通過建立地下電纜溫度場和電場模型，
對二者的關系進行了研究。
本文采用有限元法分別計算了8．7／15 kV YⅣ
1x400 mm 直埋式電纜的溫度場以及電場分布，在
此基礎上分析了二者之間的數值關系。
計算結果表明電纜的溫度場與電場之間呈近似
的線性關系。從而在實際工程中，可以通過在線監
測電纜的溫度場分布，首先可以推算其負荷，對電
纜負荷進行監控。并根據電纜電場與溫度場之間的
羅濤，等 電力電纜安全監測中溫度場和電場數值關系分析 ．2I_
線性關系，推算其電場分布，得出電纜絕緣介質內
的電場分布規律，判斷內部電場是否超過安全限值，
可以更好地監測電纜的絕緣狀態，確保電纜的安全
運行。
1 電纜溫度場計算
當單芯電纜群直埋于土壤時，電纜的長度遠遠
大于電纜的截面，因此可以認為此時的溫度場為二
維場，且屬于二維穩態導熱問題。任何傳熱問題的
邊界條件均可歸結為三類邊界條件。第一類邊界條
件為已知邊界溫度；第二類邊界條件為已知邊界法
向熱流密度；第三類邊界條件為對流邊界條件，即
已知對流換熱系數和流體溫度。
對于8．7／15 kV YJV 1x400 mm 直埋式電纜的
溫度場控制方程和邊界條件由式(1)表示I J：
塑+娶 ，：o —bx
2
+ + u
r(x， )Ir：廠( ， r
。
一 瓢 )lr
式中： 為點(x，)，)處的溫度；q、，為體積發熱率；
為導熱系數； ，為熱流密度； 為對流換熱系數；
為流體溫度；F為積分邊界。
土壤直埋電纜的溫度場是一個半無限大平行平
面場，已知條件是土壤環境溫度、地表空氣溫度以
及熱源的生熱率。為了采用有限元法進行計算，需
確定計算區域的邊界，按有限場計算。文獻[5】對地
下電纜溫度場的影響域進行了估算，認為電纜對
1 m外的土壤基本沒有溫度影響。考慮一個裕量，
取左右邊界距離電纜外側為2 11t，下邊界距離熱源
下側為2 m，直埋電纜的無限大開域場可轉化為如
圖l所示的有界邊界進行分析。
圖1單回路土壤直埋電纜溫度場模型
Fig．1 Temperature field model of single circuit loop buried
cables
如圖1所示，左右土壤邊界為第二類邊界，深
層土壤邊界為第一類邊界。地表為第三類邊界條件，
需要給出自然對流換熱系數和空氣溫度。自然對流
換熱系數計算公式為：
Gr ：—fl—gA丁t一l3 (2)
V‘
=c(G，JF：)” (3)
= Ⅳ
u T (、 4)，
f
式中： 為格拉曉夫數； 為普朗特數； 為體
積膨脹系數； 為重力加速度；At為溫差；，為線
性尺寸；v為運動粘度； 為努賽爾數；C，n為
系數(常數)。
對于8．7／15 kV YJV 1~400 mm 直埋式電纜，其
溫度場的計算模型中的具體參數如表2所示。地下
電纜及其周圍區域溫度分布如圖2所示。
圖2地下電纜溫度場分布圖
Fig．2 Distribution oftemperature field underground cables
2 電纜電場計算原理
本文所討論的電纜為中低壓工頻交流電纜， 由
于頻率較低，可近似地把地下電纜的電場作為準靜
態場進行分析，根據麥克斯韋方程組，可以得出地
下電纜靜電場方程及其邊界條件為【6】：
lr Q：v ． ^
=
1 【 l
D ： =
式中： 為電位；P為電荷密度， 為介電常數，
Q為求解域；r 為狄利克雷邊界。邊界條件為：
導體表面電位為15 kV，土壤電位為0。
由于大地電位為0，各根電纜內部的電場強度
分布相同，故本文給出中間電纜的電場分布，如圖
3所示。
． 22． 電力系統保護與控制
圖3地下電纜電場強度分布圖
Fig．3 The distribution of electric field intensity underground
cable
3 電纜溫度與電場的數值關系分析
使用有限元法建立電纜溫度場和電場模型后，
我們可以得出電纜內部的溫度分布和電場強度分
布，通過比較，我們可以得出溫度和電場的關系。
還是以8．7／15 kV YJV lx400 mi／1 交聯聚乙烯
絕緣聚氯乙烯護套電力電纜為例，電纜參數和敷設
環境條件如表1、表2所示L7J。
表1電纜結構參數
1 b．】Parameters of cable
結構名稱 參數值
導體直徑／mM
絕緣層厚度／nlm
屏蔽層厚度／mm
外護層厚度／him
電纜外徑／mrfl
23．8
l1．8
0．8
4．6
4l
表2電纜群敷設條件
Tab．2 Environment paraments of buried cables
敷設條件 參數值
埋深／m
土壤熱阻系數／(K·m·W。。1
導體熱阻系數 K-m·W )
絕緣層熱阻系數／(K m·W )
外護層熱阻系數／(K·m·、 )
空氣溫度／(℃)
土壤環境溫度／(℃)
排列方式
0．7
1．O
400
0．285 7
0．166 7
40
25
水平排列
由所建立溫度場模型可得，中間電纜外護層和
絕緣層的溫度分布如圖4、圖5所示，中間電纜的
導體溫度比兩邊電纜的導體溫度約高5℃，分布曲
線與中間電纜近似，且邊上兩根電纜的溫度相對于
中間電纜成對稱分布。
％ 82l5 a ／ ／
／
／
／
／
／
／
／
一 ／
l?i | h_．、一 l sl 鼉 _
圖4中間電纜外護層溫度分布圖
Fig．4 Temperature distribution ofcable sheath
l 贛毫霉 羲強|露鼉 |毒 尊≯I¨善§ 繁_ 一 |嘎l蠹|毫甏 |籬
警 簪警囂疊j 薯氆|薯 |薯|黲譬 粵 豢 謄簟蠹|薯|薯薯強鼉l撼 l
圖5中間電纜絕緣層溫度分布圖
Fig．5 Temperature distribution of cable insulator layer
由溫度場分布圖可以看出，電纜內部溫度是由
外部到內部遞增的。其中導體溫度最高，為9O℃
(交聯聚乙烯電纜)。從導體邊緣到電纜外護層與土
壤交接處溫度降為10℃。
圖4與圖5所示的計算結果表明，電纜的絕緣
層與保護層中的溫度場近似呈線性分布關系。
由于電纜內由多層不同的材料組成，其結構屬
于軸對稱結構，各層分界面滿足電位移矢量D的法
向方向分量 相等。而 =s ，故分界面上 將突
變，因此本文通過研究D與溫度 的關系，進而研
究 與 的關系。
同樣， 由電纜的電場模型可以得出電纜外護層
和絕緣層的電位移矢量分布如圖6、圖7所示。
從電位移矢量分布圖中可以看出，電纜的電位
移矢量從外護層到導體表面也是遞增的。
綜合圖4～7的計算結果可以看出，電纜的絕緣
層溫度分布呈現的線性規律與電通量密度類似。為
了更好地對數據進行分析，分析71與D之間的線性
羅濤，等 電力電纜安全監測中溫度場和電場數值關系分析 ．23。
關系，對數據進行分析，首先定義了如下物理量。
D(C／m"2)
．
，
F
／
蘆
／
‘ 。 ‘
|_
／
一
Dfm、
圖6電纜外護層D的分布
Fig．6 D distribution of cable sheath
r
#
∥
／
，
／ ，
／
／
r
，
／
_，1
／
D㈤
圖7電纜絕緣層D的分布
Fig．7 D distribution of cable insulator layer
單點溫度與電通量線性比：
= ／De (6)
平均線性比：
： N ． (、7 )
各點線性比之誤差：
x100％ (8)
式中：ki為第i個點的比例系數；k為ki的平均值；
Ⅳ 為所取的點的個數；ek為各點比例系數與平均值
的誤差。
結合溫度場和電場分布圖中的數據進行數據分
析，如表3、表4所示。
表3外護層 與D關系分析
Tab．3 Numerical analysis of sheath
表4絕緣層 與D數值關系分析
Ta b．4 Numerical analysis of insulation layer
由地下電纜內部溫度場和電場模型的數據分
析，我們可以得出結論：地下電纜溫度場中的溫度
分布與電場中電位移矢量分布在數值上有近似的線
性關系。由電場的構造方程D=eE，可以推導出
電纜溫度與電場強度在數值上也具有近似的線性關
系。且可以估算出兩者關系的比例系數k為23．4。
即
T =23．4eE r91
其他情況下的電纜溫度場和電場的關系可根據
上述數據分析的方法求得。如果電纜發生異常，并
且異常部位的介電常數、電導率等參數呈現的是線
性變化，即材料的屬性仍可近似看作線性同向材料，
則可把異常部位與正常部位電纜分開處理，各部分
的溫度場與電場分別呈近似線性關系，只是比例系
- 24． 電力系統保護與控制
數不同。
4 結論
本文以土壤直埋的三根單芯電纜的溫度場和電
場的分析為例，通過對得到的數據進行分析，得出
了地下電纜周圍溫度和電場強度之間具有近似的線
性關系的結論。當測量出地下電纜運行狀態下溫度
和電場強度中的一個，我們可以根據得出的關系估
算出電纜的另外一個數值。可以很方便地估算電纜
載流量的同時也兼顧到對電纜安全的檢測，因此，
本文的結論有較強的工程應用意義，應用前景非常
廣闊。為了使本文的研究結論更好地運用在電纜的
在線監測工程中(包括安全監測與載流量監測)，需
要進行更多的現場試驗，對計算結論進行更為深入
的驗證。
參考文獻
[1] 王春江．電線電纜手冊[M】．北京：機械工業出版社，
2008．
WANG Chun-jiang．The Manual of Wires and Cables[M]
Beijing-China Machine Press，2008．
[2] 孔祥謙．有限單元法在傳熱學中的應用【M】．北京：科
學出版社，1998．
KONG Xiang—qian．The Application of Finite Element
Method in Heat Transfer[M]．Beijing：Science Press，
l998．
[33 Hanna M A，Chikhani A Y，Salama M M A．Thermal
Analysis of Power Cables in Multi—layered Soil[J]．IEEE
Tran s onPowerDelivery， 1993，8 (3)：761．771．
[4]
[5]
[6]
[7]
趙鎮南．傳熱學(第四版)[M】．北京：高等教育出版
社，2001．
ZHAO Zhen-nan．Heat Transfer[M]．Bering：Higher
Education Press，2001．
梁永春，李彥明，柴進愛，等．地下電纜群穩態溫度
場和載流量計算新方法[J]．電工技術學報，2007，22
(8)：185．189．
LIANG Yong-chun，LI Yan-ming，CHAI Jin-ai，et a1．A
New Method to Calculate the Steady—state Temperature
Field and Ampacity of Underground Cable System[J】．
Transactions of China Electrotechnical Society,2007，22
(8)： 185．189．
孫敏，孫親錫，等．工程電磁場基礎【M1．北京： 科學
技術出版社，2001．
SUN Min， SUN 0in．xi， et a1．The Basics of the
Engineering Electromagnetic Fields [M】．Beijing：
Science Press， 2001．
馬國棟．電線電纜載流量[M】．北京：中國電力出版社，
2003．
MA Guo-dong．Ampacity of Wires and Cables[M]．
Beijing：China Electric Power Press，2003．
收稿日期：2009一O4—07； 修回日期：2009—06—07
作者簡介：
羅濤(1 982-)，男，主要從事輸配電設備的狀態監測
和故障診斷方面的研究；E．mail：1t0618@163．com
陳民鈾(1954-)，男，主要從事電磁信號檢測與智能信
息處理的研究；
曾 燦(1972-)，男，主要從事配網及工程管理工作
(上接第19頁continuedfrompage 19)
[5] 陳伯時．電力拖動自動控制系統(第3版)[M】．北京：
機械工業出版社，2007．190．204．
CHEN Bo·shi．Motor Control Systems[M]．Beijing：
China Machine Press，2004．1 90—204．
[6] 吳學光，張學成，印永華．異步發電系統動態穩定性分
析的數學模型及其應用[J]．電網技術，1998，22(6)：
70．74．
WU Xue-guang，ZHANG Xue-cheng，YIN Yong—hua．
Application of Models of the Wind Turbine Induction
Generators(WTIGS)to Wind Power System Dynamic
Stability Analysisp[J]．Power System Technology,1998，
22(6)：70-74．
[7] Kim Jongbaeg，Bryant M D．Bond Graph Model of a
Squirrel Cage Induction Motor with Direct Physical
Correspondence[Z]．Ausin TX，787 12—1063．
[8] Margolis D．Shim T．Bond Graph Modeling for Nonlinear
Hydro—mechanical Systems[A]．in：Proc．IMechE
[9]
[10]
Vo1．219 Part K：J．Multi．body Dynamics[C]．2005．
Sirivadhn a K，Richards E F，Anderson M D。The
Application of Bond Graphs to Electrical Machinery ang
Power Eegineering[J]．IEEE Trans on Power Apparatus
and Systems，1 983，1 02(5)．
Sanghoon Lee，Bryant D M，Lalit Karlapalem．Modeland
Inform ation Theory．Based Diagnostic Method for
Induction Motors[J]．Joumal of Dynam ic Systems．
Measurement，and Control，2006，12．
收稿日期：2009-03-31； 修回日期：2009-05-04
作者簡介：
周衛(1984- 7男，碩士，主要研究方向為電力系統
穩定分析與控制；E．mail：lanyinglantian@163．corn
張堯(1948-)，男，教授，博士生導師，長期從事電
力系統運行分析與控制、電壓穩定性等方面的教學與科研工
作：
夏成軍(1 974-)，男，博士，副教授，主要研究方向為
電力系統穩定分析與控制、HVDC及FACTS。

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