一种基于有槽盒电缆隧道热场模型的散热方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于有槽盒电缆隧道热场模型的散热方法，包括以下步骤：1)电缆隧道勘察，获取电缆隧道各组成部分的参数；2)建立电缆隧道热场的数学模型；3)根据数学模型计算出该电缆隧道的发热量；4)设计该电力隧道的通风方式和通风系统。与现有技术相比，本发明具有有效准确的优点。
【专利说明】
一种基于有槽盒电缆隧道热场模型的散热方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电力传输领域，尤其是涉及一种基于有槽盒电缆隧道热场模型的散热方法
【背景技术】
[0002]为了解决日趋严峻的供电问题，计划利用在建的大通道敷设220kV电力电缆。对于过江隧道这一段，目前初步方案是将每条隧道内分割的电缆通道作为高压电缆隧道，敷设220kV电力电缆。
[0003]在隧道的最初方案中并未考虑敷设高压电力电缆，所以隧道通风散热的设计也未考虑电力电缆的发热量。电力电缆在长期运行中发热，导致电缆通道温度升高，可能影响隧道内同一空间中的其它设备的安全运行。另外，该电缆通道的散热条件与常规隧道有所不同，常规隧道上下左右四个面都直接接触土壤，可以散热。沪崇苏隧道中，电缆通道仅一个侧面和底部为土壤，顶部为高速公路，另一侧为轨道交通通道。
【发明内容】
[0004]本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供有效、准确的一种基于有槽盒电缆隧道热场模型的散热方法
[0005]本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
[0006]一种基于有槽盒电缆隧道热场模型的散热方法，包括以下步骤:
[0007]I)电缆隧道勘察，获取电缆隧道各组成部分的参数；
[0008]2)建立电缆隧道热场的数学模型；
[0009]3)根据数学模型计算出该电缆隧道的发热量；
[0010]4)设计该电力隧道的通风方式和通风系统。
[0011]所述的热阻由R = d/KA得出，式中R为热阻，d为热导体的厚度，A为热导体截面面积，K为导热系数。
[0012]所述的步骤2)中的电缆隧道热场的数学模型建立包括以下子步骤:
[0013]21)建立电缆发热模型:
[0014]η回电缆散热功率为:
Ι2σ
[0015]P = n—LC
A
[0016]其中，P为电缆散热功率，I为载流量，A为电缆线横截面积，σ为电缆电阻率，L为电缆长度、C为电缆散热损失系数取值0.9，η为电缆回程数；
[0017]22)建立电缆热损耗模型:
[0018]I2 [RT^Rd+λ JTfRd+λ !+λ 2) (T3+T4)]+Wd[0.STJn(T^TJT4)] = θ r θ c
[0019]其中:
[0020]1:载流量，Θ c:环境温度，Θ I:电缆导体温度，R:工作温度下的导体交流电阻，Wd:绝缘介质损耗，λ 1:金属屏蔽损耗因数，λ 2:金属铠装损耗因数，T1:导体与金属护套间绝缘层热阻，T2:金属护套与铠装层之间内衬层热阻，T3:电缆外护层热阻，T4:电缆外部热阻，环境温度Θ ^指空气温度，假定Θ ^是恒定的，导体温度Q1指长期工作的最高允许温度，设为90°C ; Θ i和Θ。都是边界条件。
[0021]所述的步骤22)中，所述的导体交流电阻R的计算式为:
[0022]R = R' (1+Ys+Yp)
[0023]R' = R0[l+ct 20( Θ-20)]
Y 4
[0024]Ys =----Γ
192 + 0.8XS4
[0025]=8^?-X1'7
R
m.■
[。。26] V =_^阵丫。.31作丫 +_^_
P 192+0.8XJU J AsJ X4p , ”
192 + 0.8X4p ‘
■ 「 -
[0027]Xp2 =8^.-^T-X 1"7
R
[0028]其中:
[0029]R,:最高运行温度下导体直流电阻，Ys ;集肤效应因数，Yp:邻近效应因数，Rtl:20°C时导体直流电阻，Θ:运行温度，Ci2tl:20°C时铜导体的温度系数，对于圆形紧压导体Ks= 1，d。:导体直径，s:各导体轴心之间距离。
[0030]所述的步骤22)中，所述的介质损耗Wd的计算式为:
[0031]Wd =CDCUgtanS
c_exl0~9
dc
[0033]其中:
[0034]ω = 2 π f，U。:对地电压，ε = 2.3, D1:为绝缘外径，d。:为内屏蔽外径。
[0035]所述的步骤22)中金属屏蔽损耗λ i的计算式为:
[0036]+ ^
[0037]
a=IfgA (1+Δ|+?)+
— ■
[0038]β.= L - ^π0>
V 24.824x10.? XlO7
(Υ.74
[0039]gs =1+(^,/),10^-1.6)
[0040]当为三角形排列时则有:
r I 3 _J W2 VdV
[0041 ] 4=3 --J I —
^1 + m 人2s^
/ nN(0.92m+l.66)
[0042]Δ, = (1.14m245 +0.33)— I
[0043]Δ2 = O
[0044]D = ^oe+Dit +Γ
2J
[0045]其中:
[0046]λ ' i = 0，λ " i为涡流损耗，P:金属护套电阻率，R:金属护套电阻，ts:金属护套厚度，D:金属护套外径，Doc:皱纹铝套最大外径，Dit:皱纹铝套最小内径。
[0047]所述的步骤22)中电缆内部热阻HT3的计算式为:
Ot ( 2/、
[0048]Tt ~ 1 Ln IH—-
2龙 Vj
[0049]其中:
[0050]Pt、:绝缘材料热阻系数，d。:导体直径h:导体和护套之间的绝缘厚度；
[0051 ] 该电缆没有钢铠，故T2 = O ;
rp Pt.j Doc + 2/,
0052 T3=-^-Ln 7fr: n V3~
2π (AclAJ+f
-2
[0053]其中:
[0054]t3:外护套厚度，Pt,:外护套(非金属)热阻系数，Doc:皱纹铝套最大外径。
[0055]所述的步骤22)中电缆外部热阻!^包括电缆到槽盒内壁热阻T5、槽盒本体热阻T6、槽盒外壁到空气的热阻τ7、空气到电缆通道内壁的热阻T8、隧道到江底的土壤热阻T9，所述的Τ5、Τ6、Τ7、Τ8和T9的计算式为:
[。。56] Ts = A^d.-d^djd,)
[0057]T6
A6
T1 ----
[0058]I I I I I
尤7_3為_3
卜―_1_
[0059]I/ + I/
/y?J /78_2
[0060]
2蝴 d.d.
[0061]d, =^AxLxWfn
[0062]T81 = IA1A1
[0063]T8 ! = I/X2A2
[0064]其中:
[0065]A5:夹层内外壁的平均散热面积，Cl1:三相电缆等效直径，d2:槽盒内壁等效直径，X:夹层的对流换热系数，Pt6:槽盒热阻系数，A6:槽盒散热面积，X7—1、X7—2、X7—3:槽盒侧面、顶面、底面的对流换热系数，A7」、A7 2、A7 3:槽盒侧面、顶面、底面的面积，T81:空气到侧壁的热阻T81:空气到地面的热阻，Xp X2:侧壁或底部的对流换热系数ApA2:侧壁或底部的换热面积，λ 1:土壤导热系数，H:隧道深度，dz:圆形隧道外表面的直径，L和W分别是矩形隧道的高和宽。
[0066]与现有技术相比，本发明具有以下特点:
[0067]1、建立模型准确，从实际的现场出发分析电缆在隧道里的发热散热情况，考虑周全，建模准确。
[0068]2、降温效果好，通过在隧道内部设立吹风机和其他辅助设备，达到降温的标准。
【专利附图】
【附图说明】
[0069]图1为本发明的方法流程图。
【具体实施方式】
[0070]下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
[0071]实施例:
[0072]—种基于有槽盒电缆隧道热场模型的散热方法，包括以下步骤:
[0073]I)电缆隧道勘察，获取电缆隧道各组成部分的参数；
[0074]2)建立电缆隧道热场的数学模型:
[0075]3)根据数学模型计算出该电缆隧道的发热量:
[0076]4)设计该电力隧道的通风方式和通风系统。
[0077]所述的热阻由R = d/KA得出，式中R为热阻，d为热导体的厚度，A为热导体截面面积，K为导热系数。
[0078]所述的步骤2)中的电缆隧道热场的数学模型建立包括以下子步骤:
[0079]21)建立电缆发热模型:
[0080]η回电缆散热功率为:
/2σ
[0081]P = n—LC
A
[0082]其中，P为电缆散热功率，I为载流量，A为电缆线横截面积，σ为电缆电阻率，L为电缆长度、C为电缆散热损失系数取值0.9，η为电缆回程数；
[0083]22)建立电缆热损耗模型:
[0084]I2 [RT^Rd+λ JTfRd+λ !+λ 2) (T3+T4)]+Wd[0.STJn(T^TJT4)] = θ r θ c
[0085]其中:
[0086]1:载流量，Θ c:环境温度，Θ I:电缆导体温度，R:工作温度下的导体交流电阻，Wd:绝缘介质损耗，λ 1:金属屏蔽损耗因数，λ 2:金属铠装损耗因数，T1:导体与金属护套间绝缘层热阻，T2:金属护套与铠装层之间内衬层热阻，T3:电缆外护层热阻，T4:电缆外部热阻，环境温度Θ ^指空气温度，假定Θ ^是恒定的，导体温度Q1指长期工作的最高允许温度，设为90°C ; Θ i和Θ。都是边界条件。
[0087]所述的步骤22)中，所述的导体交流电阻R的计算式为:
[0088]R = R' (1+YS+YP)
[0089]R' = R0[l+ct 20( Θ-20)]
X 4
[0090]Y.=-5-r
192 + 0.8XS4
[0091]Xs2 =8^?-X1-7
R
Γ ? ν Xp KV Λ V 1.18
[0092]Y.--^τ 0.312 — +-;-
Ρ 192+0.8X4PU J UJ X4p , 0 2?
192 + 0.8XJ '
[0093]Xp
R
[0094]其中:
[0095]R,:最高运行温度下导体直流电阻，Ys ;集肤效应因数，Yp:邻近效应因数，Rtl:20°C时导体直流电阻，Θ:运行温度，Ci2tl:20°C时铜导体的温度系数，对于圆形紧压导体Ks= 1，d。:导体直径，s:各导体轴心之间距离。
[0096]所述的步骤22)中，所述的介质损耗Wd的计算式为:
[0097]Wd = coCUq tan厶
c SXlO^
[0098]" ISln^
[0099]其:
[0100]ω = 2 f，U。:对地电压，ε = 2.3, D1:为绝缘外径，d。:为内屏蔽外径。
[0101]所述的步骤22)中金属屏蔽损耗λ i的计算式为:
[0102]A1 = ^ + Λ,*
_3] Ai = Y δΑ(?+Λ1 + Δ2)+Ι^.? —
[0104]β 二 1-π<° -
丨 V 24.824x10.? XlO7
( \1Μ
[0105]g, =1+(-^J (^,Di1-3-1.6)
[0106]当为三角形排列时则有:
[。1。7] λ=3(?^?)
// d、(092w+166)
[0108]Δ 丨=(U4m245 +0.33(吾 J
[0109]Δ2 = O
[0110]D -+/
2
[0111]其中:
[0112]λ' 1 = 0，λ" i为涡流损耗，P:金属护套电阻率，R:金属护套电阻，ts:金属护套厚度，D:金属护套外径，Doc:皱纹铝套最大外径，Dit:皱纹铝套最小内径。
[0113]所述的步骤22)中电缆内部热阻HT3的计算式为:
Pt ( 2t ^
[0114]T1 =~-Ln I+—
2贫 I dc)
[0115]其中:
[0116]Ρ?:绝缘材料热阻系数，d。:导体直径h:导体和护套之间的绝缘厚度；
[0117]该电缆没有钢铠，故T2 = O ;
[0118]T~Ln
2π [Doc +Dh).2 \
[0119]其中:
[0120]t3:外护套厚度，A1:外护套(非金属)热阻系数，D。。:皱纹铝套最大外径。
[0121]空气和隧道壁、电缆等固体进行的热交换属于流体自然对流换热过程，流体自然对流换热分为大空间自然对流换热和有限空间自然对流换热两类，所谓大空间自然对流换热，是指近壁处边界层的发展不因空间限制而受到干扰的自然对流换热，而当空间小到使流体上升和受热下降运动发生互相干扰影响时，称为有限空间自然对流换热，例如，对于高度h、间隔d的两块平行的竖平壁之间的对流换热，当d/h < 0.33时，流体上升和下降运动互相干扰，必须按有限空间自然对流换热计算。
[0122]当流体流过与其温度不相同的壁面时，在壁面附件将形成一层温度急剧变化的流体薄层，称为热边界层，热边界层的流动状态分为紊流和层流两种，这两种流动状态下的对流换热系数计算方法也不相同。热边界层是紊流还是层流，取决于该温度下的空气物性参数、流体和壁面的温度差、壁面尺寸形状、壁面粗糙程度等多种因素。
[0123]有槽盒的情况如图1所示，所述的步骤22)中电缆外部热阻T4包括电缆到槽盒内壁热阻T5、槽盒本体热阻T6、槽盒外壁到空气的热阻T7、空气到电缆通道内壁的热阻T8、隧道到江底的土壤热阻T9,所述的T5、T6、T7、T8和T9的计算式为:
[01241 Ts =
r Pri
[0125]Τ6--γ-
Λ
τ -_!_
[0126]7 1 , 1 j 1
J ^?_2^1_2 又 7_3 為 _3
γ -_I_
[_] 8" γτ ^yr
「 π τ I , 2Η If 2ηΥ t
[0128]= — In--l.*1 — 一 I
2 砵 d2 J
[0129]dz -^xLxW/π
[0130]T81 = IA1A1
[0131]T81 = I/X2A2
[0132]其中:
[0133]A5:夹层内外壁的平均散热面积，Cl1:三相电缆等效直径，d2:槽盒内壁等效直径，X:夹层的对流换热系数，:槽盒热阻系数，A6:槽盒散热面积，X71, X7 2^X7 3:槽盒侧面、顶面、底面的对流换热系数，A7」、A7 2、A7 3:槽盒侧面、顶面、底面的面积，T81:空气到侧壁的热阻T81:空气到地面的热阻，Xp X2:侧壁或底部的对流换热系数ApA2:侧壁或底部的换热面积，λ 1:土壤导热系数，H:隧道深度，dz:圆形隧道外表面的直径，L和W分别是矩形隧道的高和宽。
【权利要求】
1.一种基于有槽盒电缆隧道热场模型的散热方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)电缆隧道勘察，获取电缆隧道各组成部分的参数； 2)建立电缆隧道热场的数学模型； 3)根据数学模型计算出该电缆隧道的发热量； 4)设计该电力隧道的通风方式和通风系统。
2.根据权利要求1所述的一种基于有槽盒电缆隧道热场模型的散热方法，其特征在于，所述的热阻由R = d/KA得出，式中R为热阻，d为热导体的厚度，A为热导体截面面积，K为导热系数。
3.根据权利要求1所述的一种基于有槽盒电缆隧道热场模型的散热方法，其特征在于，所述的步骤2)中的电缆隧道热场的数学模型建立包括以下子步骤: 21)建立电缆发热模型: η回电缆散热功率为:
Ι2σ
P = n—LC
A 其中，P为电缆散热功率，I为载流量，A为电缆线横截面积，σ为电缆电阻率，L为电缆长度、C为电缆散热损失系数取值0.9，η为电缆回程数； 22)建立电缆热损耗模型:
I2 [RI\+R (1+ λ !) T2+R (1+ λ !+ λ 2) (Τ3+Τ4) ] +Wd [0.δΤ^η (Τ2+Τ3+Τ4) ] = θ「θ c 其中: 1:载流量，环境温度，θ1:电缆导体温度，R:工作温度下的导体交流电阻，Wd:绝缘介质损耗，λ 1:金属屏蔽损耗因数，λ 2:金属铠装损耗因数，T1:导体与金属护套间绝缘层热阻，T2:金属护套与铠装层之间内衬层热阻，T3:电缆外护层热阻，T4:电缆外部热阻，环境温度Θ ^指空气温度，假定Θ ^是恒定的，导体温度Q1指长期工作的最高允许温度，设为90°C ; Θ i和Θ。都是边界条件。
4.根据权利要求3所述的一种基于有槽盒电缆隧道热场模型的散热方法，其特征在于，所述的步骤22)中，所述的导体交流电阻R的计算式为:
R = R' (1+YS+YP)
Ri = Ro[l+a2O(0-2O)]
Y 4 Y -
* _ 192+0.87/
Xs2 =8妒令 XI Ο.7 Yp=-^- Jd^l 0.312^ +_^_ P 192 + 0.8X4pUJ UJ X4p |027
192 + 0.8X*
■ * - Xp =8葶令 XI Ο-7 其中: R1:最高运行温度下导体直流电阻，Ys;集肤效应因数，YP:邻近效应因数，Rtl:20°C时导体直流电阻，Θ:运行温度，Ci2tl:20°C时铜导体的温度系数，对于圆形紧压导体Ks = l，d。:导体直径，s:各导体轴心之间距离。
5.根据权利要求3所述的一种基于有槽盒电缆隧道热场模型的散热方法，其特征在于，所述的步骤22)中，所述的介质损耗Wd的计算式为:
Wd =oCt/02 tan
c = ￡^
181n^
dc 其中: ω = 2 π f，Uc1:对地电压，ε = 2.3, D1:为绝缘外径，d。:为内屏蔽外径。
6.根据权利要求3所述的一种基于有槽盒电缆隧道热场模型的散热方法，其特征在于，所述的步骤22)中金属屏蔽损耗X1的计算式为:
A1 = A1, + A1*
Λ； = 1~(I + A1+ A2)+ -^1-.I ^ R1 2； 12xl012 Α ΓΞ?^ΞΖ
1V 24.824x10"? XlO7
(Y.74 g, =1+(^-1 UAlO'3-1-6) 当为三角形排列时则有:
/\? η、(092^+Ι 66)
\=(1.14?*245 +0.33(吾)
Δ2 = O
2 其中: λ ' I = 0，λ " I为涡流损耗，P:金属护套电阻率，R:金属护套电阻，ts:金属护套厚度，D:金属护套外径，Doc:皱纹铝套最大外径，Dit:皱纹铝套最小内径。
7.根据权利要求3所述的一种基于有槽盒电缆隧道热场模型的散热方法，其特征在于，所述的步骤22)中电缆内部热阻TpTyT3的计算式为: T1 =?《fl+么
^ I dc) 其中: Pr,:绝缘材料热阻系数，d。:导体直径h:导体和护套之间的绝缘厚度； 该电缆没有钢铠，故T2 = O ； T^Ln ^^
2π (Z)oc + ^) ~.2 ' 其中: t3:外护套厚度，Ph:外护套(非金属)热阻系数，Doc:皱纹铝套最大外径。
8.根据权利要求3所述的一种基于有槽盒电缆隧道热场模型的散热方法，其特征在于，所述的步骤22)中电缆外部热阻T4包括电缆到槽盒内壁热阻T5、槽盒本体热阻T6、槽盒外壁到空气的热阻T7、空气到电缆通道内壁的热阻T8、隧道到江底的土壤热阻T9，所述的T5、T6、T7、T8和T9的计算式为: τ __I_
i =為忒(rf2-<0/ln(rf2/rf,) T6=^- .6 Λτ__I_ II1--—.-.— - H--
尤7_2為_2义7」為J
Λ j+Λ_2
2πλ, d2 \U,J 卜扣LxW/π
T81 = IA1A1
T81 = 1/X2A2 其中: A5:夹层内外壁的平均散热面积，Cl1:三相电缆等效直径，d2:槽盒内壁等效直径，X:夹层的对流换热系数，A1:槽盒热阻系数，A6:槽盒散热面积，X71 > X7—2、X7 3:槽盒侧面、顶面、底面的对流换热系数，A71, A7 2、A7 3:槽盒侧面、顶面、底面的面积，T81:空气到侧壁的热阻T81:空气到地面的热阻，XpX2:侧壁或底部的对流换热系数ApA2:侧壁或底部的换热面积，入工:土壤导热系数，H:隧道深度，dz:圆形隧道外表面的直径，L和W分别是矩形隧道的高和宽。
【文档编号】E21F1/02GK104179521SQ201410386341
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年8月7日 优先权日:2014年8月7日
【发明者】李红雷 申请人:上海电力学院