基于ANSYS有限元熱效應(yīng)分析的高壓電力電纜選型研究

[摘 要]高壓電力電纜作為電能輸送的重要部分，隨著城鎮(zhèn)化的快速推進(jìn)，土地資源日趨緊缺，高壓電力電纜得到了更為廣泛的應(yīng)用和關(guān)注，本文通過ANSYS有限元熱效應(yīng)建模計(jì)算分析，結(jié)合依托工程實(shí)際短路電流水平，通過溫升效應(yīng)分析，對高壓電力電纜進(jìn)行優(yōu)化選擇。

[關(guān)鍵詞]高壓電纜、電纜敷設(shè)、電纜排管、熱穩(wěn)定效應(yīng)、電纜選型

中圖分類號(hào)：TM2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）18-0100-01

0概述

隨著城市化的快速發(fā)展，土地資源日趨緊缺，電能輸送方式從地上轉(zhuǎn)入地下也是形勢所迫，為提高電力電纜的利用率，最終達(dá)到節(jié)能減排效應(yīng)，本工程通過天津110kV本中一、二回線路改造工程為實(shí)體，利用ANSYS軟件進(jìn)行有限元建模計(jì)算分析，結(jié)合依托工程接入系統(tǒng)短路電流水平，通過電纜溫升效應(yīng)校驗(yàn)，選擇出最優(yōu)的電力電纜。

1 電纜溫度場分析與選型方案

電力電纜的數(shù)值計(jì)算方法主要包括：有限元法、有限差分法、邊界元法、有限容積法等。根據(jù)具體的應(yīng)用環(huán)境和要求采用合適的方法可以使得計(jì)算更加簡單、準(zhǔn)確。本工程采用有限元的數(shù)值計(jì)算方法對電力電纜進(jìn)行溫度分析和方案設(shè)計(jì)。

1.1 依托工程相關(guān)參數(shù)

經(jīng)核算，各條線路正常方式及N-1情況的短路情況下的電流載荷及其作用時(shí)間如表1所示。這一數(shù)據(jù)將是仿真分析時(shí)的載荷來源依據(jù)。

根據(jù)電纜材料選擇，初選電纜為110kV交聯(lián)聚乙烯絕緣皺紋鋁套高密度聚乙烯護(hù)套縱向阻水電力電纜，具體電纜的截面積由載流量計(jì)算核定。

1.2 電纜溫度分布基本規(guī)律研究及電纜截面確定

為優(yōu)化設(shè)計(jì)電纜載流量，通過加載電磁場分析得到的熱源分布，總體來說，中間部分的電纜溫度高于兩端電纜的溫度，下層電纜的溫度高于上層電纜的溫度。

造成這一分布規(guī)律的原因是：中間部分的電纜散熱條件較兩端電纜差，同時(shí)上層電纜離地面更近，其熱量更容易通過地面的熱對流而被帶走。所以電纜溫度最高點(diǎn)出現(xiàn)在中間下層的電纜附近，最高溫度為106.8℃。

顯然，106.8℃的高溫超過了400mm2的電纜實(shí)際能承受的溫度范圍，為此，通過增大截面對分析溫度分布的影響，在保證載荷和排管完全不變的情況下，630mm2和800mm2電纜的最高溫度分別為72.9℃和61.4℃，這一結(jié)果表明增大導(dǎo)體截面可有效降低溫度，同時(shí)截面越大時(shí)溫度分布更為均勻，在極端情況下630mm2能滿足電纜溫升條件，故本項(xiàng)目選取630mm2截面電纜。

1.3 實(shí)際載荷時(shí)電纜溫度分布與電纜選擇方案

為了探索電纜溫度分布的基本規(guī)律，采用的是等截面等間距等載荷量分析模型，所有載荷均按照569A最惡劣情況加載。顯然，這與實(shí)際并不相符，實(shí)際運(yùn)行過程中，務(wù)本-五經(jīng)路（2T）回路電流正常運(yùn)行時(shí)為457A，N-1情況下為569A；其他四回線路載荷一致，正常和N-1情況分別為228A和341A；另外有一回為預(yù)留回路，無電流流過。基于上節(jié)分析結(jié)果，結(jié)合工程實(shí)際，將右下角回路設(shè)置為務(wù)本-五經(jīng)路（2T）回路，將上層中間設(shè)置為預(yù)留回路。分別采用400mm2電纜和630mm2電纜做對比分析，其中務(wù)本-五經(jīng)路（2T）回路電纜載荷取569A，其他四回路電纜載荷取341A。

因?yàn)椴淮嬖陔娏鬏d荷，溫度明顯低于其他回路；對于務(wù)本-五經(jīng)路（2T）回路，因?yàn)槠潆娏鬏d荷更大，故這一區(qū)域的溫度更高，最高溫度亦出現(xiàn)在這一回路電纜附近；400mm2電纜最高溫度75.7℃，630mm2電纜最高溫度53.9℃。顯然，雖然400mm2電纜溫度更高，但其能滿足載荷溫升要求，從經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā)，本項(xiàng)目初步選擇400mm2電纜。

1.4 采用不同截面電纜時(shí)電纜溫度分布與電纜最終方案

本章節(jié)在上一章節(jié)的基礎(chǔ)上，選擇采用不同截面電纜的方案，具體方案為：務(wù)本-五經(jīng)路（2T）回路采用630mm2電纜，其他四回采用400mm2電纜，其中本中二回的五經(jīng)路-中和-雙港段也采用400mm2電纜。圖2.5-1為這一情況下的電纜溫度分布云圖。結(jié)果表明，當(dāng)采用400mm2和630mm2組合電纜時(shí)，務(wù)本-五經(jīng)路（2T）回路的電纜最高溫度下降至55.6℃，而其他回路的最高溫度為51.0℃?？梢?，通過組合式電纜可使得整體溫度變得更加均勻，提高整體電纜回路的運(yùn)行壽命。因此，本項(xiàng)目選擇400mm2和630mm2組合電纜作為最終方案。

1.5 短路電流情況下溫升校驗(yàn)

前述分析當(dāng)中，所有載荷均按照穩(wěn)定載荷計(jì)算，溫度分布亦是達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的情況，本節(jié)將針對短路電流情況下進(jìn)行分析，校驗(yàn)這一情況下的溫度分布是否合理。分析中，采用電磁穩(wěn)態(tài)與溫度暫態(tài)耦合分析，溫度暫態(tài)時(shí)，又將其分為三個(gè)時(shí)間段進(jìn)行加載：短路前、短路時(shí)、短路后。

短路前電纜正常運(yùn)行，其溫度分布與前述穩(wěn)態(tài)分布基本一致。短路時(shí)電纜故障，加載電流為短路電流，按最嚴(yán)重的情況加載，即中河—五經(jīng)路回路短路，短路電流為12.46kA，持續(xù)時(shí)間為0.65s；電纜最高溫度有所增加，但增加的幅度并不明顯，僅在2℃左右。短路后恢復(fù)正常供電時(shí)，電流載荷又變成正常載荷，但因短路電流導(dǎo)致的熱量仍然存在，故此時(shí)的溫度有所增加，但最終將回到正常溫度。

為了進(jìn)一步闡明這一過程中的變化趨勢，選取溫度最高點(diǎn)的電纜位置作出其溫度隨時(shí)間變化的歷程圖。首先加載正常電流時(shí)，溫度逐步上升并達(dá)到較為穩(wěn)定的溫度；突然加載短路電流時(shí)，溫度有一個(gè)階躍，急劇上升大約5℃；隨后短路結(jié)束之后恢復(fù)正常供電時(shí)，溫度又重新回到短路前的值。結(jié)果表明，短路雖然會(huì)導(dǎo)致電纜溫度升高，但仍處于電纜能夠承受的范圍之內(nèi)，設(shè)計(jì)合理。

2 結(jié)論

基于前述分析基礎(chǔ)，初步選定電纜型號(hào)為YJLW03-64/110kV系列電纜，采用ANSYS軟件，建立不同截面的YJLW03-64/110kV電纜溫升模型，得到電纜溫度分布的基本規(guī)律。在這一基本規(guī)律基礎(chǔ)上，同時(shí)考慮多回電纜的全壽命周期配合，最終確定了400mm2和630mm2組合電纜的最終方案。最后，校驗(yàn)了這一方案的短路電流溫升情況，驗(yàn)證了這一設(shè)計(jì)選型的合理性。

參考文獻(xiàn)

1）《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50217-2007）

2）《城市電力電纜線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》（DL/T5221-2005）

3）《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T50064-2014）

作者簡介

茍明，1986年出生，本科學(xué)歷，2009年參加工作，目前三峽大學(xué)電氣工程碩士在讀，助理工程師，在宜昌電力勘測設(shè)計(jì)院有限公司從事輸電線路設(shè)計(jì)相關(guān)工作。