鐘振鑫 趙江帥 黃藝英

摘 要 電力系統(tǒng)中諧波問題引發(fā)的電纜附加損耗及溫升問題不可忽視。本文在采用ANSYS有限元仿真軟件對實際電纜敷設情況進行建模仿真。以土壤水平直埋敷設的三相電纜為例，構建了電磁-熱耦合2D仿真模型，通過分別施加不同含量和不同次數(shù)的諧波電流，探究電流在諧波干擾下其損耗及溫度場變化情況，為諧波環(huán)境下電纜的選型設計、檢測評估提供一定的參考依據(jù)。

關鍵詞 電力電纜;諧波;有限元仿真

引言

隨著我國電力建設的快速發(fā)展，供電部門不僅要保證安全可靠供電，也要保證電能質量。當前電力系統(tǒng)中的諧波污染日益嚴重[1]，導致電力設備發(fā)熱、減少使用周期、引發(fā)諧振等一系列問題，嚴重危及電力設備的安全運行[2]。

電力電纜逐漸成為輸電線路的主要敷設方式之一[3]。電纜中通過諧波電流時會引起附加發(fā)熱，諧波電流較大時，會加劇電纜的絕緣老化，甚至可能造成電纜的絕緣擊穿[4]，危及電網運行安全。因此探究嚴重背景諧波干擾下，探究電纜的溫升的變化，具有研究價值。

目前，電力電纜的損耗及溫度計算方法主要有兩種：解析計算法與數(shù)值計算法。本文基于有限元數(shù)值仿真方法，建立了土壤水平直埋敷設的三相電纜在諧波作用下的電磁-熱耦合模型。探究諧波干擾下對電力電纜損耗情況及溫升規(guī)律，為諧波環(huán)境下電纜絕緣老化評估，以及絕緣擊穿評估提供了一定的參考。

1諧波環(huán)境下電力電纜的影響

（1）集膚效應。當交流電通過導體時，導體中的電場、磁場作用下導致電流在導體內部分布稀疏，而表面分布最為密集，這種現(xiàn)象被稱為導體的集膚效應。顯然，集膚效應使得電流向導體的表面聚集，相當于導體的有效截面積減小，導體的等效電阻值增大，從而引起附加的熱損耗。

（2）鄰近效應。當導體通入交流電時，在導體周圍就會產生變化的磁場。三相電纜之間的相互作用使得電流向相鄰的電纜位置聚集，這種現(xiàn)象被稱為鄰近效應。鄰近效應同樣減少了電纜等效截面積，增大導體溫升。

（3）導體損耗。當電纜流過交流電流時，導體直流電阻要轉換成交流電阻，產生相應的交流電阻損耗。所產生的導體損耗可以由右式計算：WC=I2R。

考慮上述提到的集膚效應及鄰近效應，對應相應的系數(shù)YS和YP，則等效交流電阻為：R=R（1+Ys+Yp）。

此外還需要考慮電纜的絕緣介質損耗和金屬屏蔽層的介質損耗，具體計算可參考文獻。

2ANSYS有限元電磁-熱耦合仿真

（1）電纜水平直埋敷設有限元仿真模型。本文采用有限元仿真軟件ANSYS，對土壤水平直埋敷設的三相電纜進行電磁-熱耦合2D模型構建。土壤直埋敷設方式是將電纜直接埋在一定深度的土壤中，所敷設的電纜距離地表1m，水平排布纜芯之間的間距取0.2m。

（2）結構參數(shù)及邊界條件。本文選用110kV的高壓交聯(lián)聚乙烯的（XPLE）單芯電纜，型號為 “YJLW03 50/110 1000”，邊界條件設置如下：土壤的下邊界取2m已符合第一類邊界條件，設置為深層土壤溫度8°C。土壤的左右邊界取2m，可滿足第二類邊界條件，設置其水平熱流密度為0。土壤上層符合第三類邊界條件，設置流體溫度為空氣溫度25°C。

3仿真結果

（1）無諧波干擾下的電纜仿真結果。首先對三相電纜分別加載幅值為800A，相位相差120°，頻率為50Hz的工頻電流，進行仿真。仿真結果證明，土壤內溫度呈非均勻分布，中間電纜溫度高，兩端電纜溫度低，電纜最高溫度72.096℃，符合實際運行情況。

（2）施加諧波干擾下的電纜仿真結果。在仿真模型不變的情況下，考慮典型的奇次諧波 3、5、7、9次。分別施加1%、3%、5%、7%、9%和10%的諧波電流，對其溫度場進行仿真分析，其溫度變化情況如圖1所示。

由仿真結果可知：①諧波頻率和含量是影響電纜溫升的主要因素，當諧波頻率越高、含量越大時溫升越高。②當電纜流過9次的零序諧波電流時，對電纜溫度急劇上升，嚴重時可能會超過電纜的溫度極限導致絕緣擊穿。

4結束語

本文采用ANSYS有限元仿真的方法探究諧波干擾下對電力電纜的影響，并對實際的土壤水平直埋敷設條件下的三相電纜進行電磁-熱耦合仿真。仿真結果表明：

諧波使得電纜的交流電阻增大，導致一定的溫升。長期運行于諧波環(huán)境下必然加速電力電纜的老化，值得引起重視。

參考文獻

[1] 程浩忠. 電能質量概論[M].第二版.北京：中國電力出版社，2013 （2）：83-84.

[2] 邢大江.電力諧波對電力設備的影響及其應對策略研究[J].中國設備工程，2018（6）：215-216.

[3] 馮琬真.諧波對電纜線路的影響及抑制措施[J]. 四川水泥，2017 （12）：268-270.

[4] 喬琨，肖湘寧. 諧波對電力電纜的影響[J].電力學報，2008（1）：75-77.