朱攀勇,文 舒

(1.中國葛洲壩集團水泥有限公司，湖北荊門448032；2.中國葛洲壩集團易普力股份有限公司，重慶401121)

直埋電纜載流量影響因素的試驗分析

朱攀勇1,文 舒2

(1.中國葛洲壩集團水泥有限公司，湖北荊門448032；2.中國葛洲壩集團易普力股份有限公司，重慶401121)

為了研究直埋電纜外部環(huán)境因素對其載流量的影響規(guī)律和各影響因素的顯著程度，同時為了掌握工程實踐中電纜敷設(shè)最佳環(huán)境，在實驗室戶外直埋敷設(shè)一段14 m長的110電纜，將分布式光纖溫度傳感器預(yù)設(shè)埋入電纜，待加載穩(wěn)定后檢測其距接頭6 m處的溫度，每隔15 s對該點溫度采樣得到該點溫度，同時結(jié)合熱力學知識應(yīng)用有限元軟件ANSYS仿真了直埋電纜群在不同影響因素下的溫度場，根據(jù)測量溫度求得相應(yīng)的載流量。采用單一變量原則分析了各因素與載流量的關(guān)系，設(shè)計正交試驗分析各因素對載流量的影響程度。得到了各影響因素與直埋電纜載流量的關(guān)系曲線及這些因素對直埋電纜的影響程度的主次順序，有助于為電纜敷設(shè)安裝過程中的取舍提供重要的理論依據(jù)。

直埋電纜；載流量；溫度傳感器；影響因素

0 引言

電纜的載流量是指其長期運行持續(xù)額定電流，即電纜線芯溫度達90 ℃時的穩(wěn)態(tài)工作電流[1]。土壤直埋電纜的熱傳遞受敷設(shè)條件環(huán)境因素等的影響，載流量不易確定，準確計算各種條件下的載流量對電纜的安全、經(jīng)濟運行具有重大的實際意義[2,3]。載流量值對于電纜敷設(shè)工程至關(guān)重要，近年來有關(guān)高壓電纜的載流量和溫度場分析和中低壓電纜載流量的研究相對較獨立，研究高壓電纜載流量及其溫度場的主要有華南理工大學的牛海清教授以及其碩博研究生，他們的載流量試驗條件非常成熟，所提出的各種創(chuàng)新想法也都很值得借鑒[4]。目前測量電纜導體溫度的試驗和研究也較熱門，2012年的雷成華的碩士學位論文以測得的導體溫度為依據(jù)對電纜的傳輸容量進行調(diào)整，為動態(tài)的調(diào)整載流量提供了很好的思路[5]。孟凡鳳[6-8]、梁永春[9-11]、鄭雁翎[12]等人對電纜載流量的算法課題上也做了巨大貢獻。

電力電纜載流量的計算涉及電纜群溫度場的計算和以電纜群溫度場為基礎(chǔ)的載流量的計算。電纜群溫度場的計算方法主要有實驗測量和軟件仿真計算兩種方法。國內(nèi)外所采取的電纜溫度測量方法主要有電信號傳感系統(tǒng)和光信號傳感系統(tǒng)兩種，前者主要包括熱電偶傳感器和集成性傳感器，后者主要包括傳統(tǒng)的紅外測溫、基于光纖光柵原理的測溫系統(tǒng)、基于拉曼散射原理的分布式測溫系統(tǒng)。本文實驗采用的是具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、耐高壓、耐高溫、抗電磁干擾和高靈敏度等優(yōu)點的分布式光纖溫度傳感器。載流量的計算方法有文獻[1]提及的解析計算法、數(shù)值計算法等，載流量計算方法參照文獻[13]，在指定敷設(shè)環(huán)境條件下，多次加載不同的電流，求得對應(yīng)溫度場，運用最小二乘法曲線擬合加載電流和溫度場的函數(shù)關(guān)系，根據(jù)函數(shù)求得電纜導體達到90 ℃時的穩(wěn)態(tài)工作電流。

優(yōu)化計算方法能提高計算值的精確度，對載流量影響因素的優(yōu)化能提高其真實值。為了研究直埋電纜外部環(huán)境因素對其載流量的影響規(guī)律和各影響因素的顯著程度，掌握工程實踐中電纜敷設(shè)最佳環(huán)境，按照上述方法計算了多種因素組合情況下的電纜載流量，將單因素變化計算得到的載流量值用平滑的曲線連接起來，可明顯觀測出各影響因素與載流量的曲線關(guān)系，設(shè)計正交試驗，判斷這些因素對直埋電纜的影響程度，確定了電纜敷設(shè)的最佳環(huán)境，為電纜敷設(shè)安裝過程中的取舍提供重要的理論依據(jù)。

1 基于分布式光纖測溫技術(shù)的直埋電纜溫度檢測

實驗旨在監(jiān)測電纜在直埋敷設(shè)環(huán)境中，某一加載電流下，某一時間段的電纜環(huán)境、電纜線芯、電纜外表的溫度變化，實驗對象為110 kV單芯電纜(YJLW03 64/110 .1×500 )，實驗選用電源為220 V交流電源，采用調(diào)壓器調(diào)節(jié)輸入電源，實現(xiàn)低壓高流。實驗中110 kV單芯電纜低壓高電流測溫實驗器材包括:220 V交流電源、實驗電纜(YJLW03 64/110 1×500 )、TDGZ—接觸式調(diào)壓器(調(diào)節(jié)范圍0V～450V )、載流量控制面板(圖1)、升流器、鉗形表(用于監(jiān)測實驗電流)、分布式光柵傳感器和自動測溫儀等。實驗過程如下。

圖1 直埋電纜群溫度場

接好電纜線路，在距電纜接頭6 m處嵌插3個分布式光纖測溫傳感器，分別監(jiān)測導體線芯和電纜外護套以及敷設(shè)環(huán)境的溫度(圖2)。通過接觸式調(diào)壓器調(diào)節(jié)實驗電壓為380 V，在載流量控制器上輸入加載穩(wěn)態(tài)電流900 A，隔段時間用鉗形表檢測電纜電流，確保通過電纜導體的電流維持在900 A，溫度檢測儀采樣頻率為15 s(圖3)，采樣時間段為16:20:00～00:00:00。結(jié)束后關(guān)閉電源，讀取溫度監(jiān)測儀的采樣數(shù)據(jù)。由于采樣時間段較長，采樣頻率較短，采樣對象有3個，采樣數(shù)據(jù)共計1 841×3組，非常龐大，只能給出部分實驗數(shù)據(jù)，表1為部分采樣數(shù)據(jù),將實驗測試結(jié)果繪制成曲線。實驗溫度監(jiān)測結(jié)果如圖4。

圖2 溫度傳感器分布圖

圖3 溫度檢測儀

圖4 電纜溫度實時監(jiān)測結(jié)果

表1 部分采樣數(shù)據(jù) ℃

2 基于有限元法的電纜溫度計算

溫度場仿真軟件為ANSYS軟件工具箱，電纜型號為交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜YJLW02 64/110.1×300 mm2，運用ANSYS軟件工具箱對直埋敷設(shè)電纜的仿真過程如下：

(1)定義計算模型單元類型，由于單芯電纜物理結(jié)構(gòu)模型比較簡單，它的四層都是圓形或圓環(huán)形，相當規(guī)則，選擇六節(jié)點、二階單元solid45。

(2)在設(shè)計手冊中查詢交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜YJLW02 64/110.1×300 mm2結(jié)構(gòu)參數(shù)。

(3)根據(jù)實際工程情況設(shè)計電纜的敷設(shè)環(huán)境，測量或根據(jù)經(jīng)驗求取敷設(shè)環(huán)境參數(shù)。

(4)根據(jù)材料屬性查閱電纜各層材料在確定條件下的熱阻系數(shù)，電纜各層材料的屬性由其本身的性質(zhì)決定。

(5)建立電纜模型，直埋式地下電纜物理模型如圖5。

圖5 直埋式地下電纜幾何模型

(6)布爾運算，處理模型不同區(qū)域部分將模型進行邏輯計算予以疊分各層區(qū)域。

(7)有限元網(wǎng)格劃分見圖6。

圖6 有限元網(wǎng)格劃分模型

(8)施加載荷及約束，這里的載荷指的是電纜的加載電流，加載電流參照IEC60287標準算得的載流量數(shù)值。

(9)求解模型各區(qū)域溫度分布云圖見圖7。

圖7 直埋電纜群溫度場

3 影響電力電纜載流量的因素

影響電力電纜載流量的因素包括內(nèi)部因素和外部因素。內(nèi)部因素是由導體、絕緣層、金屬套和鎧裝層等組成的材料因素；外部因素是指電纜敷設(shè)的環(huán)境條件因素。對于直埋電纜主要包括土壤熱阻、敷設(shè)深度、土壤溫度、空氣溫度、電纜軸間距、熱源距離等因素。內(nèi)部影響因素相對穩(wěn)定，國際電工標準對其有一定的規(guī)范，本文不做分析。通過改善電纜敷設(shè)環(huán)境來優(yōu)化電纜載流量是現(xiàn)今輸電線路工程領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一[14]，因此對電力電纜載流量的外部影響因素進行分析很有必要，且外部因素相對內(nèi)部因素而言影響因素眾多，某些因素呈動態(tài)變化，在實際工程中外部因素的研究具有實際指導意義。

電纜的各層介質(zhì)材料及其敷設(shè)的環(huán)境對電纜載流量影響最大。不同型號的電纜，其介質(zhì)層熱阻參數(shù)不盡相同[15]。根據(jù)工程實踐經(jīng)驗，載流量隨著電纜敷設(shè)深度的增加而減小。埋在地下的電纜還會受到土壤溫度及濕度的影響，土壤的溫度濕度變化都會導致電纜載流量的變化。土壤的熱阻系數(shù)會直接影響到電纜的散熱，它是由土壤的類型、物理特征和熱特征所決定的?？諝鉁囟仍礁?，越不利于電纜溫度的消散。因此電纜離地面深淺、所處環(huán)境的溫度濕度、土壤的熱阻、空氣的溫度等環(huán)境因素對其載流量影響都有重要的研究意義[16-18]。

3.1 土壤熱阻對電纜載流量的影響

土壤熱阻直接影響導體溫度的傳遞，當土壤熱阻系數(shù)確定時，導體溫度與電纜周圍溫度的差值對應(yīng)電纜載流量存在二元函數(shù)關(guān)系。土壤的熱阻系數(shù)對直埋電纜載流量的影響是非常大的。這是由于土壤的熱阻系數(shù)直接與直埋電纜外表接觸，熱量由電纜外表傳遞到土壤的過程中一部分熱量停留在電纜外表，另一部分熱量散發(fā)到土壤中，土壤熱阻大小反映了熱量傳遞的難易程度，電纜外表的溫度與土壤熱阻有最直接的關(guān)系。

基于文獻[13]提到的ANSYS仿真電纜在確定敷設(shè)環(huán)境下的溫度場，結(jié)合最小二乘法通過溫度場求解電纜載流量的方法，下文將對敷設(shè)環(huán)境做單一變量分析。

圖8為電纜型號YJLW02-64/110.1×300 mm2，敷設(shè)條件為埋設(shè)深度0.7 m、空氣溫度25 ℃，土壤溫度20 ℃，電纜間距0.2 m，對土壤熱阻分別取0.5、1.0、1.5、2、2.5以及3.0 K/W時的載流量值，載流量值分別為787.6、650、537.5、450、387.5、350 A，將這些點用平滑的曲線連接可以得到土壤熱阻對載流量影響的大致規(guī)律，曲線的走向反映土壤熱阻與電纜載流量的函數(shù)關(guān)系變化趨勢，曲線的斜率變化反映土壤熱阻對電纜載流量的影響程度的改變。

圖8 土壤熱阻率對電纜載流量的影響

3.2 土壤溫度對電力電纜載流量的影響

土壤溫度影響電纜的散熱能力，土壤溫度越高，電纜的溫度越難傳遞到土壤中，散熱能力越差，電纜的載流量減小。

圖9為電纜型號YJLW02-64/110.1×300 mm2，敷設(shè)條件為埋設(shè)深度0.7 m、空氣溫度25 ℃，土壤熱阻為1，電纜間距0.2 m，土壤溫度分別取0、10、20、30及40 ℃時的載流量值，載流量值分別為714，682，650，618，586 A。將這些點用平滑的曲線連接可以得到土壤溫度與載流量關(guān)系的曲線，曲線的走向反映土壤溫度阻與電纜載流量的函數(shù)關(guān)系變化趨勢，曲線的斜率反映土壤溫度對電纜載流量的影響程度。

圖9 土壤溫度對電纜載流量的影響

3.3 空氣溫度對電力電纜載流量的影響

空氣溫度影響土壤與周圍環(huán)境對流換熱能力，空氣溫度越高，土壤與空氣對流換熱能力越差，散熱能力變差，電纜載流量也減小。

圖10為電纜型號YJLW02-64/110.1×300 mm2，敷設(shè)條件為埋設(shè)深度0.7 m，土壤熱阻為1，土壤溫度20 ℃，電纜間距0.2 m，空氣溫度分別取0、10、20、30及40 ℃時的載流量值，載流量值分別為750，710，670，630，590 A。將這些點用平滑的曲線連接可以一條曲線，曲線的走向反映空氣溫度阻與電纜載流量的函數(shù)關(guān)系變化趨勢，曲線的斜率反映空氣溫度對電纜載流量的影響程度。

圖10 空氣溫度對電纜載流量的影響

3.4 埋設(shè)的深度對電纜電纜載流量的影響

土壤埋設(shè)深度影響電纜的散熱能力，土壤的埋設(shè)深度增加時，電纜的散熱情況變差，同時地表的溫度對載流量影響會降低。

圖11為電纜型號YJLW02-64/110.1×300 mm2，敷設(shè)條件為空氣溫度25 ℃，土壤溫度20 ℃，土壤熱阻為1，電纜間距0.2 m，埋設(shè)深度分別取0.7、0.8、0.9及1.0 m時的載流量值，載流量值分別為650、643、636、629 A。將這些點用平滑的曲線連接可得到一條曲線，曲線的走向反映埋設(shè)深度與電纜載流量的函數(shù)關(guān)系變化趨勢，曲線的斜率反映埋設(shè)深度對電纜載流量的影響程度。

圖11 敷設(shè)深度對電纜載流量的影響

3.5 電纜載流量影響因素的正交試驗設(shè)計

電纜載流量值越大，根據(jù)載流量定義可知其在允許的溫度下所能承受穩(wěn)態(tài)加載的電流越大。電力電纜載流量影響因素的正交試驗分析的目的是為了判斷土壤熱阻A、土壤溫度B、空氣溫度C和電纜埋設(shè)深度D四大因素對電纜載流量的影響程度。同時研究最佳敷設(shè)條件，為直埋電纜施工敷設(shè)工程實踐提供理論依據(jù)。

正交試驗是研究多因素多水平的一種設(shè)計方法，研究效率高，研究方法經(jīng)濟、快速，簡單易行，計算表格化，是對于研究多因素影響的較為方便的一種科學的試驗方法。

試驗設(shè)計方案為4因素3水平，由于4個因素人為影響較大，相互間交互作用不必考慮，選用L9(34)正交表。表2為試驗因素水平表。

表2 電力電纜載流量試驗因素水平表

基于第三章中提到的ANSYS仿真電纜在確定輻射環(huán)境下的溫度場，結(jié)合最小二乘法通過溫度場求解電纜載流量的方法，對于上述表2設(shè)計的4因素3水平方案，需要進行9次正交試驗，設(shè)計的正交試驗如表3。

表3 電力電纜載流量試驗方案及試驗結(jié)果分析

根據(jù)載流量試驗結(jié)果計算同一水平之和Ki值，其中Ki(第m列)=第m列中數(shù)字與“i”對應(yīng)的指標值之和同時根據(jù)Ki值計算極差R，R(第m列)=第m列的K1,K2…的各個平均值中的最大值減去最小值之差。表3為試驗結(jié)果。

從圖8～11中可以得到土壤熱阻對直埋電纜載流量的影響隨著熱阻系數(shù)的增大而減弱呈非線性變化的曲線，土壤溫度、空氣溫度以及埋設(shè)深度隨著參數(shù)值的變化對直埋電纜載流量的影響不變。其主要原因在于土壤熱阻系數(shù)直接影響電纜周圍土壤溫度，土壤中的水分在大于50 ℃溫度下會發(fā)生大部分遷移，土壤熱阻越大，土壤散熱越困難，電纜周圍溫度高，土壤水分遷移現(xiàn)象越明顯，水分遷移進一步影響土壤散熱。

從表3中極差R值的大小順序可以判斷土壤熱阻因素對直埋電纜載流量的影響最為顯著，空氣溫度的影響次之，電纜的埋設(shè)深度影響最小。影響的主次順序依次為土壤熱阻—空氣溫度—土壤溫度—埋設(shè)深度。熱阻系數(shù)表征熱量傳遞的綜合參量，因此土壤熱阻是外部因素中最直接也是最主要的影響因素?？諝鉁囟认鄬ν寥罍囟葘d流量的影響程度更大，是因為熱量由土壤傳遞到空氣過程中土壤自身溫度的影響相對空氣溫度的影響較弱。在一定埋設(shè)深度內(nèi)，土壤內(nèi)部散熱能力趨于穩(wěn)定，土壤散熱能力變化較小，埋設(shè)深度對載流量的影響程度相對最小。在電纜敷設(shè)的工程實踐中，不考慮施工難度及經(jīng)濟條件的情況下應(yīng)把土壤熱阻作為首要抉擇因素，埋設(shè)深度作為最后考慮參量。

根據(jù)各因素與載流量曲線以及正交試驗結(jié)果中可以得出：

(1)隨著土壤熱阻的變化，直埋電纜的載流量呈非線性變化，且變化速度越來越慢,土壤溫度、空氣溫度以及埋設(shè)深度變化時，直埋電纜的載流量呈線性變化。

(2)影響直埋電纜載流量的因素的主次順序依次為土壤熱阻—空氣溫度—土壤溫度—電纜埋設(shè)深度。

(3)土壤熱阻越小電纜載流量值越大，土壤溫度越低電纜載流量值越大，空氣溫度越低電纜載流量值越大，埋設(shè)深度越小電纜載流量值越大。

4 結(jié)論

在實驗室戶外直埋敷設(shè)一段14 m長的110電纜，將分布式光纖溫度傳感器預(yù)設(shè)埋入電纜，待加載穩(wěn)定后檢測其距接頭6 m處的溫度，每隔15 s對該點溫度采樣得到該點溫度。結(jié)合熱力學知識應(yīng)用有限元軟件ANSYS仿真了直埋電纜群在不同影響因素下的溫度場，根據(jù)測量溫度求得相應(yīng)的載流量。采用單一變量原則分析了土壤熱阻、土壤溫度、空氣溫度及埋設(shè)深度與載流量的關(guān)系，設(shè)計正交試驗分析各因素對載流量的影響程度，得到了各影響因素與直埋電纜載流量的關(guān)系曲線及這些因素對直埋電纜的影響程度，有助于電纜敷設(shè)的環(huán)境的優(yōu)化。

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Test and Analysis of the Influence on Ampacity of Buried Cable

ZHU Panyong1,WEN Shu2

(1.China Gezhouba Group Cements Co.Ltd.,Jingmen 448032,China;2.China Gezhouba Group Explosive Co.Ltd.,Chongqing 401121,China)

In order to study the effect of the environment on the buried cable to its ampacity and obtain the most reasonable environment for the cable laying for engineering practice,a 14-meter-long cable was buried with a temperature sensor embedded in.As the current became steady,the temperature was tested every 15 seconds at the point 6 meters from the joint.Temperature fields of buried cable under different factors were simulated using ANSYS software based on the thermodynamics.And the influence of various factors on its ampacity was analyzed by designing orthogonal test.The most suitable environment for the cable laying is provided in this paper.

buried cable；ampacity；temperature sensor；influence factors

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.01.012

2016-09-05。

TM757.3

1672-0792(2017)01-0067-06

朱攀勇(1990-)，男，碩士研究生，研究方向為高壓輸電線路增容改造。