光纤复合低压电缆的热路模型建模新方法，参数检测精度高

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征稿｜第四届轨道交通电气与信息技术国际学术会议

征稿｜中国电工技术学会电机与系统学报（英文季刊）

摘要

东北电力大学电气工程学院、现代电力系统仿真控制与绿色电能新技术教育部重点实验室、辽宁省电力有限公司的研究人员王鹤、李兴宝、路俊海、罗桓桓、周桂平，在2019年第7期《电工技术学报》上撰文（论文标题为“基于叠加原理的光纤复合低压电缆热路模型建模”）指出，光纤复合低压电缆（OPLC）将光纤与电力电缆有机地结合在一起，在建设智能电网、能源互联网的发展中具有重要的作用。

温度的变化对OPLC运行状态、参数测量准确度具有较大的影响，建立OPLC的热路模型具有重要的现实意义。针对OPLC种类繁多、结构各异的特点，提出了一种基于叠加原理的OPLC热路模型建模方法，首先将不对称的OPLC等效成几个对称的子模型分别建模，然后利用叠加原理将各模型叠加。在此基础上，利用粒子群算法实现模型参数辨识，提高参数精度，得到精确的热路模型，进而实现OPLC不同位置温度的精确计算。该文以四缆芯OPLC为例建立OPLC热路模型，通过仿真分析和实验验证，证明了所提方法的有效性。

近年来，人们对海量信息的需求导致通信信息传输速率越来越高，光纤作为优质的通信媒质得到了广泛的应用。光纤的架设过程需要大量的资源，将光纤复合到电力电缆中，能够减少资源浪费及安装周期。光纤复合低压电缆（Optical Fiber Composite Low-Voltage Cable,OPLC）将光单元与电力电缆相结合，避免了重复布线，减少了建设费用，缩短了施工周期。OPLC的应用有效解决了光接入网“最后一公里”的难题。OPLC对建设智能电网、实现能源互联具有重要的作用。

OPLC稳态运行时，缆芯温度不超过90℃。当OPLC线芯出现短路时，5 s内线芯温度将达到160℃左右。此时，缆芯温度过高，金属材料可能出现退火现象，危害OPLC安全运行；还会使OPLC中光单元受热变形，导致光信号传输中断，危害通信系统。因此，掌握OPLC不同运行状态下温度场分布具有重要意义。

目前，通过建立热路模型获得电力设备温度场分布的方法应用较为广泛。例如，文献[8-9]对电缆缆芯温度不同的测量方法进行对比分析，阐述了热路模型分析电缆温度分布的优点，同时对电力电缆热路模型的建立、参数的获取进行了详尽的阐述，但建立缆芯热路模型时没有考虑发热缆芯不对称问题对温度场分布的影响。

文献[10-11]将叠加原理应用于传热模拟，能够准确地得出节点温度。通过有限元法验证了叠加原理获得节点温度具有很好地一致性。通过实验验证了叠加原理获得模型的可靠性。文献[12]对OPLC不同状态下温度分布及光单元传输特性的影响进行了深入的分析，但没有建立热路模型，温度的获取仅通过模型仿真，无法实现温度的实时计算。

目前，对于OPLC热路模型的建模方法尚未有深入的研究，本文参考电缆等热路模型的建模方法，结合OPLC实际结构，提出了基于叠加原理的热路模型建模方法，通过粒子群算法进行参数辨识优化模型参数，减小了模型温度计算误差。

通过叠加原理建立OPLC热路模型，实现了OPLC温度分布的精确计算，解决了OPLC离线检测时，因离线与在线两种状态下缆芯内部电流大小不同，导致温度不同，进而导致参数检测误差较大的问题，对保障OPLC的稳定运行具有重要意义。

OPLC的电压一般在0.6kV/1kV及以下，种类繁多。以内部缆芯数目及稳态运行时通电缆芯对称关系分类，可分为对称的单缆芯、双缆芯、三缆芯，不对称的四缆芯等类型，OPLC典型结构如图1所示。

图1 OPLC典型结构

根据OPLC的典型结构可知，不同缆芯数目的OPLC热路模型的结构不同。单缆芯、双缆芯、三缆芯OPLC运行状态下，因全部缆芯均发热且通过电流大小相同，即发热量相同，故其热路模型是对称分布的，各缆芯的温度相同。

以缆芯为起始节点由内向外依次设置节点，建立热路模型。四缆芯OPLC正常运行时，因发热缆芯不对称，导致其温度场分布呈现不均匀状态，无法直接建立热路模型。本文采用基于叠加定理[18]的建模方法，有效地解决了四缆芯等温度场分布不对称导致OPLC热路模型建模困难的问题。

本文结合工程实验要求的试验OPLC，以型号为OPLC-ZC-YJV22-0.6/1.4×240+GXT-12B1的变电站至楼宇配电柜间的四缆芯OPLC为研究对象，其结构如图2所示。

图2  OPLC-ZC-YJV22-0.6/1.4×240+GXT-12B1结构

由于OPLC不同位置的材料不同，其结构参数及热物理性能参数不同，各位置材料类型及参数见表1。

表1  OPLC结构及热物理性能参数

由图2可以看出，OPLC的内部缆芯与光单元并不直接接触，缆芯由绝缘层包裹。OPLC稳定运行时，三个相线中有电流通过，中性线无电流通过，导致热源是不对称的。由于OPLC内部具有光单元，也使得热路模型不对称。

故本文分别建立四缆芯发热时、单缆芯发热时的热路模型，采用叠加原理建立OPLC实际运行时三缆芯发热的热路模型，并建立OPLC光纤位置热路模型，通过计算求得光纤位置温度，最终实现对OPLC各位置温度的精确计算。

图12 OPLC测温平台

图13 温度探头布置实物图

图14 测温实验装置

结论

本文提出了一种基于叠加原理的OPLC热路模型建模方法，有效地解决了多缆芯OPLC热路模型不对称导致建模困难的问题，以四缆芯为例详细地介绍了多缆芯不对称热路模型的建模方法，并采用粒子群算法进行热路模型参数辨识，优化了模型参数，有效地改善了热路模型建模后模型参数精度低等问题。

最后通过COMSOL仿真及搭建温度测量实验平台两种方法验证了热路模型建模方法的可行性。通过叠加原理及优化OPLC热路模型参数，精确了OPLC不同位置的温度值，进而提高了OPLC参数检测精度。