[发明专利]一种电力电缆间接热阶跃实验系统及其实验方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电力电缆的热阶跃实验系统及其实验方法，特别涉及一种电力电缆间接热阶跃实验系统及其实验方法。

背景技术

自20世纪80年代以来，电已经成为人们生产、生活不可或缺的一部分，为了满足人们日益增长的生产、生活水平对电的需求，国内外的相关研究人员一直致力于电力的安全、高效以及可靠传送的研究。电力一般通过电缆将其从各发电厂、配电所发送至各用电用户。研究人员通常通过电力电缆的热动态来了解、研究其热模型、系统温度、传送电力能力、寿命以及可靠性等。

在分布式电网中的电力实时传送系统中，以及实时利用系统信息提高动态负载管理能力的智能电网中，电力电缆的热动态分析无疑将发挥越来越重要的作用。目前，热阶跃实验已成为人们研究电力电缆中热动态分析的基本途径之一。

通常，人们以直接方式进行热阶跃实验，即采用DTSE(直接热阶跃实验)法。由阶跃的定义可知，在进行DTSE期间，输入电缆的热功率P应保持恒定，P是否稳定以及P的稳定程度直接决定了DTSE的成功与否、实验的精度以及可靠性。

电力在电缆的传输过程中，流入电缆的热功率P可表示为时间t的函数：

P(t)＝W_d+nI_rms²(t)R₀(1+α₂₀(θ(t)-20))(1+y_s+y_p)(1+γ_s+γ_a)(1)

式中，W_d为电缆的介电损耗；n为电缆的芯核数；I_rms为电缆传输的电流有效值；θ(t)为电缆芯核温度；R₀为20摄氏度时电缆芯核的直流电阻；α₂₀为电缆芯核温度系数；y_s为电缆的集肤效应系数；y_p电缆的邻近效应系数；γ_s为电缆的护套损耗因子；γ_a为电缆的甲损耗因子。

对于给定的电缆系统，W_d与电缆传送的电力电压等级(如36kV,110kV等)相关，某一等级内电压的小范围波动对它的影响不大。式(1)中的各系数、因子基本恒定，电缆芯核温度θ(t)会随着时间推移而不断变化，直至电缆系统进入热平衡状态,热平衡状态指的是一个系统的温度不随时间发生变化，处于热平衡状态时，流入系统的热功率等于流出系统的热功率。

由式(1)可知，P与I_rms、θ(t)之间存在着非线性关系，要让P不变，I_rms应随着θ(t)的变化而发生非线性变化。当P恒定时，θ(t)与时间成多阶指数关系，故让P恒定的I_rms其变化是很复杂的非线性变化，进而让P恒定的I_rms控制系统也非常复杂。

根据式(1)，现有的DTSE关键在于让输入电力电缆的热功率P保持不变，可通过对I_rms的控制来实现P恒定的直接控制。

如图1所示，热功率指令U_gP代表流入电力电缆的热功率期望值，U_fP代表流入电力电缆的热功率实际值；U_gi代表流入电力电缆的电流期望值，U_fi代表流入电力电缆的电流实际值。APR为热功率调节单元，其控制律根据情况可为比例积分、比例积分微分等。结合式(1)，APR输出U_gi为流入电力电缆的电流期望值，以恒定流入电力电缆的热功率。ACR为电力电流调节单元，其控制律可采用比例积分、比例积分微分、自适应控制律等。让流入电缆的电力电流尽快逼近或达到其期望值U_gi乃该单元的基本任务。PWM控制回路为逆变回路的电力电子器件提供相应控制信号U_pwmi。逆变回路将公用电力转换成与U_pwmi对应的电流电力流入电力电缆。由于在实验室环境中，某一电压级别(以kV为单位)的电力电压一般波动较小，对W_d影响很小，可近似认为W_d是恒定的。