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近年來，人們對(duì)海量信息的需求導(dǎo)致通信信息傳輸速率越來越高，光纖作為優(yōu)質(zhì)的通信媒質(zhì)得到了廣泛的應(yīng)用。光纖的架設(shè)過程需要大量的資源，將光纖復(fù)合到電力電纜中，能夠減少資源浪費(fèi)及安裝周期。光纖復(fù)合低壓電纜（Optical Fiber Composite Low-Voltage Cable,OPLC）將光單元與電力電纜相結(jié)合，避免了重復(fù)布線，減少了建設(shè)費(fèi)用，縮短了施工周期。OPLC的應(yīng)用有效解決了光接入網(wǎng)“最后一公里”的難題。OPLC對(duì)建設(shè)智能電網(wǎng)、實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)具有重要的作用。

OPLC穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，纜芯溫度不超過90℃。當(dāng)OPLC線芯出現(xiàn)短路時(shí)，5 s內(nèi)線芯溫度將達(dá)到160℃左右。此時(shí)，纜芯溫度過高，金屬材料可能出現(xiàn)退火現(xiàn)象，危害OPLC安全運(yùn)行；還會(huì)使OPLC中光單元受熱變形，導(dǎo)致光信號(hào)傳輸中斷，危害通信系統(tǒng)。因此，掌握OPLC不同運(yùn)行狀態(tài)下溫度場(chǎng)分布具有重要意義。

目前，通過建立熱路模型獲得電力設(shè)備溫度場(chǎng)分布的方法應(yīng)用較為廣泛。例如，文獻(xiàn)[8-9]對(duì)電纜纜芯溫度不同的測(cè)量方法進(jìn)行對(duì)比分析，闡述了熱路模型分析電纜溫度分布的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)對(duì)電力電纜熱路模型的建立、參數(shù)的獲取進(jìn)行了詳盡的闡述，但建立纜芯熱路模型時(shí)沒有考慮發(fā)熱纜芯不對(duì)稱問題對(duì)溫度場(chǎng)分布的影響。

文獻(xiàn)[10-11]將疊加原理應(yīng)用于傳熱模擬，能夠準(zhǔn)確地得出節(jié)點(diǎn)溫度。通過有限元法驗(yàn)證了疊加原理獲得節(jié)點(diǎn)溫度具有很好地一致性。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了疊加原理獲得模型的可靠性。文獻(xiàn)[12]對(duì)OPLC不同狀態(tài)下溫度分布及光單元傳輸特性的影響進(jìn)行了深入的分析，但沒有建立熱路模型，溫度的獲取僅通過模型仿真，無法實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)計(jì)算。

目前，對(duì)于OPLC熱路模型的建模方法尚未有深入的研究，本文參考電纜等熱路模型的建模方法，結(jié)合OPLC實(shí)際結(jié)構(gòu)，提出了基于疊加原理的熱路模型建模方法，通過粒子群算法進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)優(yōu)化模型參數(shù)，減小了模型溫度計(jì)算誤差。

通過疊加原理建立OPLC熱路模型，實(shí)現(xiàn)了OPLC溫度分布的精確計(jì)算，解決了OPLC離線檢測(cè)時(shí)，因離線與在線兩種狀態(tài)下纜芯內(nèi)部電流大小不同，導(dǎo)致溫度不同，進(jìn)而導(dǎo)致參數(shù)檢測(cè)誤差較大的問題，對(duì)保障OPLC的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

OPLC的電壓一般在0.6kV/1kV及以下，種類繁多。以內(nèi)部纜芯數(shù)目及穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)通電纜芯對(duì)稱關(guān)系分類，可分為對(duì)稱的單纜芯、雙纜芯、三纜芯，不對(duì)稱的四纜芯等類型，OPLC典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 OPLC典型結(jié)構(gòu)

根據(jù)OPLC的典型結(jié)構(gòu)可知，不同纜芯數(shù)目的OPLC熱路模型的結(jié)構(gòu)不同。單纜芯、雙纜芯、三纜芯OPLC運(yùn)行狀態(tài)下，因全部纜芯均發(fā)熱且通過電流大小相同，即發(fā)熱量相同，故其熱路模型是對(duì)稱分布的，各纜芯的溫度相同。

以纜芯為起始節(jié)點(diǎn)由內(nèi)向外依次設(shè)置節(jié)點(diǎn)，建立熱路模型。四纜芯OPLC正常運(yùn)行時(shí)，因發(fā)熱纜芯不對(duì)稱，導(dǎo)致其溫度場(chǎng)分布呈現(xiàn)不均勻狀態(tài)，無法直接建立熱路模型。本文采用基于疊加定理[18]的建模方法，有效地解決了四纜芯等溫度場(chǎng)分布不對(duì)稱導(dǎo)致OPLC熱路模型建模困難的問題。

本文結(jié)合工程實(shí)驗(yàn)要求的試驗(yàn)OPLC，以型號(hào)為OPLC-ZC-YJV22-0.6/1.4×240+GXT-12B1的變電站至樓宇配電柜間的四纜芯OPLC為研究對(duì)象，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 OPLC-ZC-YJV22-0.6/1.4×240+GXT-12B1結(jié)構(gòu)

由于OPLC不同位置的材料不同，其結(jié)構(gòu)參數(shù)及熱物理性能參數(shù)不同，各位置材料類型及參數(shù)見表1。

表1 OPLC結(jié)構(gòu)及熱物理性能參數(shù)

由圖2可以看出，OPLC的內(nèi)部纜芯與光單元并不直接接觸，纜芯由絕緣層包裹。OPLC穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，三個(gè)相線中有電流通過，中性線無電流通過，導(dǎo)致熱源是不對(duì)稱的。由于OPLC內(nèi)部具有光單元，也使得熱路模型不對(duì)稱。

故本文分別建立四纜芯發(fā)熱時(shí)、單纜芯發(fā)熱時(shí)的熱路模型，采用疊加原理建立OPLC實(shí)際運(yùn)行時(shí)三纜芯發(fā)熱的熱路模型，并建立OPLC光纖位置熱路模型，通過計(jì)算求得光纖位置溫度，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)OPLC各位置溫度的精確計(jì)算。

圖12 OPLC測(cè)溫平臺(tái)

圖13 溫度探頭布置實(shí)物圖

圖14 測(cè)溫實(shí)驗(yàn)裝置

結(jié)論

本文提出了一種基于疊加原理的OPLC熱路模型建模方法，有效地解決了多纜芯OPLC熱路模型不對(duì)稱導(dǎo)致建模困難的問題，以四纜芯為例詳細(xì)地介紹了多纜芯不對(duì)稱熱路模型的建模方法，并采用粒子群算法進(jìn)行熱路模型參數(shù)辨識(shí)，優(yōu)化了模型參數(shù)，有效地改善了熱路模型建模后模型參數(shù)精度低等問題。

最后通過COMSOL仿真及搭建溫度測(cè)量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)兩種方法驗(yàn)證了熱路模型建模方法的可行性。通過疊加原理及優(yōu)化OPLC熱路模型參數(shù)，精確了OPLC不同位置的溫度值，進(jìn)而提高了OPLC參數(shù)檢測(cè)精度。