《电子技术应用》
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基于暂态热路模型的直流无铠电缆实时温度估算方法研究
电子技术应用
杨晨1,张钢2,张达1,李晨旭1,陈时聪1,胡尊傲2
1.北京市地铁运营有限公司供电分公司;2.北京交通大学
摘要: 城轨牵引供电系统直流无铠电缆的绝缘老化引发非金属性短路,进而导致电缆烧毁的故障时有发生,严重影响供电安全。基于电缆电流,实时估算电缆温度,为电缆过温保护提供技术支撑。首先基于热电类比原理,构建了包含电缆导体、绝缘层、综合防水层及外护套的暂态热路模型,并考虑空气对流散热等效热阻以实现电缆温度的实时计算。然后搭建实验平台,开展恒定负荷、冲击负荷及实际典型负荷下的温升实验。实验结果表明,三种工况下模型计算温度与实测温度值的误差均小于2%,可以满足实际应用需求。
中图分类号:TM247 文献标志码:A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.267789
中文引用格式: 杨晨,张钢,张达,等. 基于暂态热路模型的直流无铠电缆实时温度估算方法研究[J]. 电子技术应用,2026,52(9):113-118.
英文引用格式: Yang Chen,Zhang Gang,Zhang Da,et al. Research on real-time temperature estimation method of DC cable based on transient thermal circuit model[J]. Application of Electronic Technique,2026,52(9):113-118.
Research on real-time temperature estimation method of DC cable based on transient thermal circuit model
Yang Chen1,Zhang Gang2,Zhang Da1,Li Chenxu1,Chen Shicong1,Hu Zun’ao2
1.Power Supply Branch of Beijing Metro Operation Co., Ltd.;2.School of Electrical Engineering, Beijing Jiaotong University
Abstract: The insulation aging of DC unarmored cables in urban rail traction power supply systems often leads to non-metallic short circuits, resulting in cable burnout and seriously affecting power supply safety. This article is based on cable current and real-time estimation of cable temperature, providing technical support for cable over temperature protection. Firstly, based on the principle of thermoelectric analogy, a transient thermal circuit model was constructed, which includes cable conductors, insulation layers, comprehensive waterproof layers, and outer sheaths. The equivalent thermal resistance of air convection heat dissipation was considered to achieve real-time calculation of cable temperature. Then an experimental platform was built to conduct temperature rise experiments under constant load, impact load, and actual typical load. The experimental results show that the error between the calculated temperature and the measured temperature values of the model under the three operating conditions is less than 2%, which can meet the practical application requirements.
Key words : DC cable;transient thermal circuit model;temperature estimation of cables under multiple operating conditions;real-time temperature

引言

城市轨道交通牵引供电系统通常采用直流无铠电缆将电能从变电所传输到接触网(接触轨)上为列车供能。由于潮湿、振动等恶劣环境,以及频繁过负荷运行[1],部分老旧线路时常发生因电缆绝缘老化引发的非金属短路故障[2],导致电缆超温,严重时甚至引发电缆烧毁,对系统及人员安全构成重大威胁[3]。目前现有开关柜的保护整定值普遍较大,难以对下口多根(一般4~5根)并联电缆中的每一根电缆实现有效保护,而如果对每根电缆都加装感温光纤[4],投资过大,不具备推广应用前景。

通过电缆电流估算电缆温度,一直受到国内外学者的重点关注。一类是采用多物理场耦合的有限元仿真方法[5-9]。其中,文献[8]基于电磁-温度-流体多物理场耦合建立有限元仿真模型对电缆温度进行仿真计算。文献[9]基于电磁-热耦合构建单芯电缆有限元仿真模型对电缆温度分布场进行研究。有限元及数值分析虽能准确描述电缆热行为,但计算量大、参数复杂,难以满足直流电缆在线监测的实时需求。另一类是采用纯数据驱动的温度预测方法[10-15]。其中,文献[13]提出一种基于粒子群优化SVM的LSTM电缆温度异常预测算法,根据历史电缆温度数据预测未来电缆是否有高温异常。文献[14]设计了基于AI的电缆温度远程自动化控制系统,该系统采用分层架构,通过深度学习算法构建温度预测模型。文献[15]提出了一种基于DC-CNN-PE-SSA-Informer温度预测模型,实现电缆温度的高精度预测。但是纯数据驱动方法对样本依赖强、可解释性差,难以反映电缆在不同工况下的物理特性与动态响应。

在确保计算精度的同时提升模型实时性与适用性,是当前电缆温度估算领域亟待解决的问题。为此,本文提出了一种基于暂态热路模型的直流无铠电缆实时温度快速估算方法。以在空气中平行敷设的DC1500V WDZB-GYJA3 400 mm²电缆为研究对象,通过将计算结果与实测结果对比,验证了方法的准确性与可行性。


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https://www.chinaaet.com/resource/share/2000007247


作者信息:

杨晨1,张钢2,张达1,李晨旭1,陈时聪1,胡尊傲2

(1.北京市地铁运营有限公司供电分公司,北京 100082;

2.北京交通大学 电气工程学院,北京 100044)

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