國(guó)網(wǎng)四川省電力公司阿壩供電公司　孫　波

不同接地方式對(duì)電纜載流量的影響

國(guó)網(wǎng)四川省電力公司阿壩供電公司孫波

本文研究某地區(qū)隧道電纜實(shí)際運(yùn)行情況下，不同接地方式對(duì)電纜載流量的影響。通過(guò)有限元仿真軟件建立了電纜溫度場(chǎng)的仿真模型，仿真計(jì)算了單端接地和雙端接地不同接地方式下電纜的溫度場(chǎng)分布，并對(duì)比分析了兩種不同接地方式下的電纜的載流量大小。結(jié)果表明：兩種不同接地方式下電纜溫度場(chǎng)分布及載流量大小存在明顯差異。相同負(fù)荷下，單端接地方式下線芯溫度明顯低于雙端接地時(shí)，載流量比雙端接地時(shí)時(shí)高3.5%。基于以上發(fā)現(xiàn)，電纜隧道內(nèi)高壓電纜采用單端接地方式更利于改善電纜的溫度場(chǎng)分布和提高電纜的傳輸功率。

電纜；溫度場(chǎng)；載流量

0　引言

隨著我國(guó)城市電網(wǎng)改造速度的加快，電力電纜因優(yōu)越的電機(jī)械性能及美觀安全等特性在城市電網(wǎng)中得到廣泛的應(yīng)用［1］。電纜的載流量是當(dāng)電纜導(dǎo)體達(dá)到長(zhǎng)期允許工作溫度時(shí)的電纜能加載的最大電流，是影響電纜的安全可靠運(yùn)行的重要因素。電纜載流量加載過(guò)大會(huì)導(dǎo)致電纜線芯溫度急劇升高，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)加快電纜絕緣老化，導(dǎo)致電纜擊穿進(jìn)而造成停電事故。實(shí)際運(yùn)行中，為保證安全電纜加載的載流量遠(yuǎn)低于電纜的理論設(shè)計(jì)值，導(dǎo)致電纜的利用率很低［2］。

針對(duì)電纜載流量的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外專家進(jìn)行了諸多研究［3-4］，M.A. Hanna教授曾采用有限差分法仿真計(jì)算了電纜溝敷設(shè)方式下電纜的溫度場(chǎng)分布及電纜載流量大?。?］；重慶大學(xué)的楊永明教授利用有限元法仿真分析了電力電纜的溫度場(chǎng)分布及電纜載流量的影響因素［6］，東北電力大學(xué)的周曉虎教授詳細(xì)比較了地下電纜不同敷設(shè)情況下穩(wěn)態(tài)載流量的差異［7］。然而針對(duì)不同接地方式對(duì)電纜載流量的影響，國(guó)內(nèi)外的專家學(xué)者的關(guān)注還不夠。因此，研究電纜不同接地方式對(duì)電力電纜載流量的影響對(duì)提高電纜載流量及線路的使用效率具有十分重要的意義。

本文通過(guò)有限元法建立不同接地方式下電纜溫度場(chǎng)的仿真模型，仿真計(jì)算單端接地和雙端接地不同接地方式下電纜溫度場(chǎng)分布和載流量大小，并分析了不同接地方式下對(duì)電纜溫度場(chǎng)分布及載流量的影響。

1　電纜溫度場(chǎng)計(jì)算模型

1.1幾何模型的建立

某地區(qū)110KV電纜隧道的寬，高都為3500mm；左、右和下邊界距離隧道墻體3000mm，上邊界距離隧道墻體1300mm；隧道墻體厚350mm； 電纜線芯距隧道底部800mm。根據(jù)電纜的敷設(shè)參數(shù)建立一個(gè)如分析計(jì)算電纜溫度場(chǎng)的分布以及載流量的大小，敷設(shè)模型的參數(shù)均在圖中標(biāo)注。該模型考慮了電纜的敷設(shè)方式、土壤導(dǎo)熱系數(shù)、隧道中空氣熱阻等載流量影響因素，可根據(jù)實(shí)際情況在模型中修改這些參數(shù)。

圖1　隧道電纜敷設(shè)模型圖Fig.1 Cable laying model in tunnel

1.2邊界條件確定

利用COMSOL Multiphysics仿真計(jì)算中需要說(shuō)明導(dǎo)熱物體邊界上的熱狀態(tài)以及周圍環(huán)境相互作用的情況，常用的邊界條件有三類［8-9］：第一類邊界條件為已知邊界溫度；第二類邊界條件為已知邊界法向熱流密度；第三類邊界條件為對(duì)流邊界條件，即已知流體溫度和換流系數(shù)。對(duì)應(yīng)的控制方程如式（1）和（3）所示。

結(jié)合文獻(xiàn)［3］，圖1所示的隧道電纜，電纜水平方向溫度梯度為0，因此左右邊界屬于第二類邊界；下邊界是地表，與空氣存在對(duì)流且空氣溫度可以測(cè)得，因此下邊界屬于第三類邊界；下邊界是深層土壤，深層土壤的溫度是恒定的，因此下邊界屬于第一類邊界。

1.3損耗計(jì)算

電纜隧道內(nèi)的熱源主要是電纜的導(dǎo)體損耗、絕緣損耗以及金屬護(hù)套損耗，需要分別計(jì)算。

導(dǎo)體損耗為：

式中，Wc表示電纜導(dǎo)體單位長(zhǎng)度的損耗，I表示電纜線芯導(dǎo)體的載流量，R表示電纜最高工作溫度單位長(zhǎng)度的交流電阻。

電纜在最高工作溫度時(shí)的交流電阻為：

式中yp為鄰近效應(yīng)系數(shù)，ys為趨膚效應(yīng)系數(shù)，R’為導(dǎo)體在工作溫度下的直流電阻。

絕緣損耗為：

式中，ω為角頻率；U0為電纜導(dǎo)體對(duì)地相電壓，單位為V；tanδ為絕緣損耗因素；c為單位長(zhǎng)度的電纜的電容，單位為F/m 。

金屬護(hù)套損耗系數(shù)為：

式中λ1為環(huán)流損耗系數(shù)，λ2為渦流損耗系數(shù)，兩者都是與總的導(dǎo)體功率損耗之比率。

金屬護(hù)套損耗為：

2　結(jié)果分析及討論

2.1仿真模型的建立

本文以某地區(qū)電纜隧道中110kV電力電纜為研究對(duì)象，單芯電纜的結(jié)構(gòu)如圖2所示，單芯交聯(lián)聚乙烯電纜由線芯導(dǎo)體、內(nèi)半導(dǎo)電層、XLPE絕緣層、外半導(dǎo)電層、阻水層、皺紋鋁護(hù)套以及外護(hù)套層構(gòu)成。電纜的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，具體敷設(shè)參數(shù)如表2所示。電纜溫度場(chǎng)仿真模型如圖3所示，仿真計(jì)算中隧道內(nèi)部空氣溫度設(shè)為20°C。

2.2仿真結(jié)果分析

通過(guò)仿真計(jì)算，可得到電纜線芯導(dǎo)體加載800A電流時(shí)的溫度場(chǎng)分布，如圖4所示。由電纜溫度場(chǎng)仿真計(jì)算可以得出不同負(fù)荷下三相電纜ABC線芯的溫度，采用雙弦點(diǎn)法［10］可以計(jì)算出三相電纜載流量大小，結(jié)果如表3所示。

圖2　110kV電纜結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of 110kV cable

表1　高壓電力電纜結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structural parameters of high voltage powe

表2　電纜敷設(shè)參數(shù)Tab.2 Cable laying parametersl

圖3　電纜溫度場(chǎng)仿真模型Fig.3 Temperature field simulation model of cable

圖4　電纜溫度場(chǎng)分布Fig.4 Temperature field distribution of cable

表2　電纜載流量Tab.2 The ampacity of power cables

由電纜溫度場(chǎng)仿真結(jié)果可以看出，同等負(fù)荷下，單端接地方式下三相電纜線芯導(dǎo)體的最高溫度比雙端接地時(shí)低，三相電纜溫度場(chǎng)分布更加合理。由表3的電纜載流量統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，單端接地電纜的載流量明顯比雙端接地時(shí)大，其中AC兩相電纜載流量比雙端接地時(shí)大3.4%，B相電纜的載流量比雙端接地時(shí)大3.5%。

2.3討論

電纜護(hù)層采用單端接地方式時(shí)，護(hù)層上幾乎沒(méi)有損耗，不會(huì)對(duì)電纜載流量產(chǎn)生影響，鋁護(hù)套上的環(huán)流損耗為零。而電纜電纜兩端采用雙端接地時(shí)，鋁護(hù)套環(huán)流損耗不為零，會(huì)產(chǎn)生環(huán)流損耗，進(jìn)而影響電纜的載流量。

從溫度場(chǎng)仿真結(jié)果中可以看出，單端接地時(shí)電纜載流量比雙端接地時(shí)大。通過(guò)仿真分析發(fā)現(xiàn)電纜的接地方式對(duì)電纜載流量有很大的影響。為了提高電纜的載流量及使用效率，在電纜隧道內(nèi)盡量采用單端接地方式敷設(shè)電纜。

3　結(jié)論和建議

本文通過(guò)對(duì)電力電纜單端接地和雙端接地兩種不同接地方式的電纜溫度場(chǎng)及載流量進(jìn)行仿真分析，得出以下結(jié)論和建議：

當(dāng)加載相同的電流時(shí)，單端接地時(shí)電纜線芯導(dǎo)體的溫度比雙端接地時(shí)低，電纜載流量比雙端接地時(shí)大3.5%，采用單端接地的方式更有更利于改善電纜的溫度場(chǎng)分布和提高電纜的傳輸功率。

［1］周遠(yuǎn)翔，趙健康，劉睿等.高壓/超高壓電纜關(guān)鍵技術(shù)分析及展［J］.高電壓技術(shù)， 2014（40）：2593-2612.

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