电力电缆动态载流及路径探测技术

电力电缆作为城市电网中输送电能的主要载体具有线路间绝缘距离小，占用地下空间小，运行状态不受气象环境影响，输电可靠性高，安全性高等优点，因此在城市电网及城际电网中广泛应用。然而电缆沟附近敷设情况复杂性决定了电缆运行载流量的实施变化以及地下敷设情况不清晰的情况存在，一方面造成线路损耗过大，另一方面造成事故情况下无法准确对电缆准确定位。本专著结合了我国电力电缆工程领域理论研究需求，致力于帮助研究生和本科生了解电力电缆载流量实时变化理论及地下准确定位理论及应用。详细诠释在多种敷设条件下电力电缆载流量计算方法和准确定位技术。本专著基于吉林省输电工程安全与新技术实验室近年来在复杂环境下输电工程领域的大量研究成果，系统地阐述电力电缆运行中的关键运行理论问题，并配以大量仿真实例。既作为硕博研究生攻读学位的理论参考书，也可作为输电工程学科方向的选修课教材。

前言
第1章直埋敷设方式电缆热电耦合模型校验1
1.1高压电力电缆的结构及各项敷设参数1
1.2水平排列电力电缆载流量解析计算2
1.2.1电缆内部热量传递方式2
1.2.2导体交流电阻的计算3
1.2.3电缆绝缘损耗计算4
1.2.4电缆金属护套的损耗计算5
1.2.5热阻的计算6
1.2.6水平排列单芯电缆载流量求解7
1.3单根电缆热电耦合特性仿真分析7
1.4单回水平排列电缆热电耦合特性仿真分析10
1.5多回土壤直埋敷设电缆群热电耦模型准确性校验14
第2章双回土壤直埋敷设电缆群热电耦合特性分析16
2.1双回土壤直埋敷设电缆上下一字排列热电耦合特性分析16
2.2双回土壤直埋敷设电缆水平一字排列热电耦合特性分析19
2.3双回土壤直埋敷设电缆水平三角形排列热电耦合特性分析21
2.4土壤直埋敷设载流量影响因素分析24
2.4.1空气温度变化对电缆载流量的影响24
2.4.2土壤热阻系数对电缆载流量的影响25
2.4.3土壤温度对电缆载流量的影响25
2.4.4埋设深度对电缆载流量的影响26
2.4.5敷设间距对电缆载流量的影响27
第3章外热源作用下电缆暂态载流量数学模型及校验29
3.1电缆暂态热路模型及求解29
3.1.1建立电缆暂态热路模型29
3.1.2简化电缆暂态热路模型30
3.1.3求解简化后的电缆热路模型31
3.2建立外热源作用下电缆暂态载流量数学模型34
3.2.1建立外热源热场数学模型34
3.2.2求解外热源热场数学模型35
3.2.3计算电缆沟内空气温度36
3.2.4外热源作用下电缆暂态载流量数学模型36
3.3验证数学模型的正确性37
第4章外热源作用下电缆稳态载流量仿真研究40
4.1电力电缆稳态载流量解析计算40
4.1.1计算电缆导体交流电阻40
4.1.2计算电缆绝缘损耗41
4.1.3计算电缆金属护套的损耗42
4.1.4计算电缆本体热阻及外部热阻43
4.1.5求解电缆稳态载流量44
4.2建立外热源干扰下电缆三维仿真模型及计算45
4.2.1确定模型假设条件45
4.2.2建立电缆三维仿真模型45
4.2.3确定边界条件及划分网格47
4.2.4求解外热源作用下电缆载流量49
4.3外热源作用下电缆载流量仿真分析及模型验证50
4.3.1仿真结果分析50
4.3.2模型验证52
4.4分析外热源对电缆导体温度的影响52
4.4.1外热源功率对电缆导体温度的影响52
4.4.2外热源距离对电力电缆导体温度的影响53
4.5分析外热源对电缆载流量的影响54
4.5.1外热源功率对电缆载流量的影响55
4.5.2外热源距离对电缆载流量的影响55
第5章外热源作用下电缆实时载流量仿真研究57
5.1建立外热源作用下电缆暂态温度场模型及计算57
5.1.1建立电缆暂态温度场模型57
5.1.2利用Crank-Nicolson差分格式求解暂态温度58
5.2分析外热源作用下电缆实时载流量计算结果及模型验证59
5.3外热源功率作用下电缆实时导体温度的研究分析64
5.4外热源距离作用下电缆实时导体温度的研究分析67
第6章外热源作用下电缆沟敷设电缆通风增容研究71
6.1建立通风电缆沟耦合场仿真模型71
6.1.1基本假定71
6.1.2建立通风电缆沟耦合场仿真模型71
6.1.3确定边界条件及划分网格72
6.2外热源作用下电缆沟耦合特性计算及校验73
6.2.1外热源作用下电缆沟耦合特性计算73
6.2.2外热源作用下电缆沟耦合特性校验73
6.3不同通风工况下电缆运行特性及增容建议77
6.3.1分析不同通风工况下电缆温度计算结果78
6.3.2分析不同通风工况下电缆载流量计算结果80
6.3.3外热源作用下电缆沟内通风增容建议82
第7章无限长自由电缆回波的时域方程与时域仿真83
7.1简化海底电缆结构83
7.2建立无限长自由电缆几何模型83
7.3建立与计算无限长自由电缆回波的时域方程84
7.4建立无限长自由电缆时域仿真模型及结果分析88
7.4.1基本假设88
7.4.2确定计算场域边界条件及网格划分88
7.4.3仿真结果分析90
第8章掩埋电缆回波的频域方程与频域仿真93
8.1建立掩埋电缆回波的频域方程93
8.2建立掩埋电缆频域仿真模型及结果分析95
8.2.1定义频域仿真模型和场域边界条件95
8.2.2仿真结果分析96
第9章海底电缆路径精测回波试验及特征分析102
9.1试验计划102
9.1.1考察并选择试验场地102
9.1.2连接仪器并分配任务102
9.2试验过程105
9.3试验结果分析106
9.3.1沉积物对电缆声学波形的影响106
9.3.2掠射角对电缆声学波形的影响107
9.3.3深度对电缆声学波形的影响108
9.3.4频率对电缆声学波形的影响109
9.3.5结构对电缆声学图像的影响110
9.3.6深度对电缆声学图像的影响112
9.3.7掠射角对电缆声学图像的影响113
第10章电力电缆路径检测系统的理论研究与分析116
10.1建立等效模型求解磁场强度116
10.1.1建立地下电缆空间等效模型116
10.1.2电磁法求解时变磁场强度117
10.2电磁感应法识别电缆路径118
10.2.1计算电缆磁场强度分量118
10.2.2极值法确定电缆位置119
10.3磁场强度信号的采集与传输121
10.3.1注入信号的耦合方式121
10.3.2接收信号的场强处理122
10.4传输线法计算电缆的交变电流123
10.5双线圈法测定埋地电缆深度125
第11章电力电缆路径检测系统的硬件设计128
11.1硬件设计原则及整体功能实现128
11.1.1硬件设计基本原则及方法128
11.1.2硬件部分整体功能实现129
11.2核心控制模块设计130
11.2.1系统核心处理器的选取130
11.2.2STM32F103CET6模块设计131
11.3电磁处理模块电路设计131
11.3.1脉冲激励电路设计132
11.3.2地平衡处理电路设计132
11.3.3电磁信号处理电路设计133
11.3.4复位预警电路设计133
11.4通信模块电路设计136
11.4.1GPS控制电路设计136
11.4.2存储电路设计136
11.5输入输出模块电路设计137
11.5.1扬声器电路设计137
11.5.2键盘接口及指示灯电路设计138
11.5.3LCD电路设计139
11.6其他辅助电路设计139
11.6.1电源电路设计139
11.6.2固定频率音频信号输出控制电路设计140
11.6.3时钟及复位电路设计141
第12章电力电缆路径检测系统的软件设计142
12.1软件设计原则及整体功能实现142
12.1.1软件设计基本原则及方法142
12.1.2软件系统的整体功能实现142
12.2系统控制核心模块设计143
12.2.1GPS与UART通信模块设计143
12.2.2多通道数据采集程序设计144
12.2.3电缆埋藏深度和电流检测模块设计145
12.3辅助模块设计146
12.3.1FLASH读写程序设计146
12.3.2液晶显示界面设计147
第13章系统的组装调试及现场实测149
13.1系统组装调试149
13.2不同工况下的系统现场实测及数据结果比对150
13.2.1直埋于土壤植被下的电缆路径现场实测150
13.2.2城市道路设施下的电缆路径现场实测152
13.2.3电缆沟内的电缆路径现场实测154
13.3整体试验结果综合分析155
参考文献158