[发明专利]一种基于改进型电磁-热场耦合模型的电缆寿命预测方法

说明书

本发明公开一种基于改进型电磁‑热场耦合模型的电缆寿命预测方法，包括如下步骤：首先利用温度系数和比例系数分别建立绝缘材料导热系数与温度关系式和对流换热系数与温度关系式，并与导体电阻率与温度关系式共同作为电磁‑热场耦合关系式，形成改进型电磁‑热场耦合模型；然后利用混沌灰狼优化算法辨识出改进型电磁‑热场耦合模型中绝缘材料的最佳温度系数和比例系数，在此基础上计算出导体温度；最终利用多元线性回归建立导体温度解析模型，并结合阿伦尼乌斯模型建立电缆寿命解析模型。本发明解决了传统电磁‑热场耦合计算方法在电缆高温运行条件下存在误差大的问题，并实现了电缆寿命的在线预测。

技术领域

本发明属于电线电缆健康管理领域，具体涉及一种基于改进型电磁-热场耦合模型的电缆寿命预测方法。

背景技术

电缆是电力系统中的重要设备，其可靠性是保证安全供电的重要因素。通过传感器实时监测电缆工作状态并进行寿命预测，可以有效评估电缆的健康程度。目前关于电缆寿命预测的研究主要集中于物理寿命模型和数据驱动寿命模型。物理寿命模型是根据材料在不同环境应力下的老化机理而建立的模型。数据驱动寿命模型是根据传感器所采集的老化特征建立的退化模型。数据驱动寿命模型不考虑电缆失效机理，仅对传感器所采集的数据进行实时预测。物理寿命模型具有明确的物理意义，可以高保真地反映电缆寿命随电流和环境温度的变化。而电流和环境温度共同作用下所产生的电缆导体温度是影响电缆寿命的主要因素。传统电磁-热场耦合模型仅考虑导体电阻率与温度的关系式，适用于工作温度较低的电缆，如交联聚乙烯电缆。对于工作温度较高的电缆而言，如航空类含氟聚合物电缆，仅考虑导体参数温度特性的传统电磁-热场耦合模型存在较大误差。因此，在进行电磁-热场耦合迭代计算的过程中，既需要考虑导体材料温度特性的变化，也需要考虑了绝缘材料温度特性的变化。基于此，亟需对传统电磁-热场耦合模型进行改进，进而得出准确的导体温度后才能实现电缆寿命准确预测。电缆绝缘材料热特性参数与温度的关系式中未知系数难以通过实验的方式获取，如果通过遍历法逐步搜索最佳待定参数将耗时较长。因此需要借助启发式优化算法来搜索出最佳待定参数，以得到准确的绝缘材料热特性参数与温度的关系式。采集电缆电流和环境温度后，便可利用改进型电磁-热场耦合模型准确地计算出电缆导体温度，进而结合阿伦尼乌斯模型实现电缆寿命的在线预测。

发明内容

本发明的目的是针对传统电磁-热场耦合模型不适用于电缆高温运行条件进而导致寿命预测不准确的问题，提出一种基于改进型电磁-热场耦合模型的电缆寿命预测方法，快速且准确地计算出电缆导体温度并实现电缆寿命在线预测，对电缆健康管理具有重要意义。

为实现上述发明目的，本发明提出一种基于改进型电磁-热场耦合模型的电缆寿命预测方法，其特征在于，包括：

利用待确定的电缆绝缘材料温度系数建立电缆绝缘材料的导热系数与温度的关系式，所述电缆绝缘材料温度系数表示电缆绝缘材料的温度变化和导热系数变化之间的关系量；

利用待确定的电缆绝缘材料比例系数建立电缆绝缘材料的对流换热系数与温度的关系式，所述电缆绝缘材料比例系数表示电缆绝缘材料的导热系数与对流换热系数的比值；

将所述电缆绝缘材料的导热系数与温度的关系式、对流换热系数与温度的关系式加入传统电磁-热场耦合模型中，形成改进型电磁-热场耦合模型；

基于所述改进型电磁-热场耦合模型计算不同的电缆绝缘材料温度系数和电缆绝缘材料比例系数下的电缆导体温度，通过电缆导体温度计算结果对所述改进型电磁-热场耦合模型进行误差分析，并建立输出温度的平均绝对误差与电缆绝缘材料温度系数、电缆绝缘材料比例系数的数学模型；

以所述数学模型为目标函数，利用混沌灰狼优化算法辨识出所述改进型电磁-热场耦合模型中最佳的电缆绝缘材料温度系数和最佳的电缆绝缘材料比例系数，形成具有材料参数自适应修正功能的改进型电磁-热场耦合模型；