諧波干擾下的電力電纜電磁-熱耦合有限元仿真概論

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(duì)實(shí)際電纜敷設(shè)情況進(jìn)行建模仿真。以土壤水平直埋敷設(shè)的三相電纜為例，構(gòu)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(chǎng)變化情況，為諧波環(huán)境下電纜的選型設(shè)計(jì)、檢測(cè)評(píng)估提供一定的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞 電力電纜;諧波;有限元仿真

引言

隨著我國(guó)電力建設(shè)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(zhì)量。當(dāng)前電力系統(tǒng)中的諧波污染日益嚴(yán)重[1]，導(dǎo)致電力設(shè)備發(fā)熱、減少使用周期、引發(fā)諧振等一系列問題，嚴(yán)重危及電力設(shè)備的安全運(yùn)行[2]。

電力電纜逐漸成為輸電線路的主要敷設(shè)方式之一[3]。電纜中通過諧波電流時(shí)會(huì)引起附加發(fā)熱，諧波電流較大時(shí)，會(huì)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(wǎng)運(yùn)行安全。因此探究嚴(yán)重背景諧波干擾下，探究電纜的溫升的變化，具有研究?jī)r(jià)值。

目前，電力電纜的損耗及溫度計(jì)算方法主要有兩種：解析計(jì)算法與數(shù)值計(jì)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(shè)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(duì)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(píng)估，以及絕緣擊穿評(píng)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(yīng)。當(dāng)交流電通過導(dǎo)體時(shí)，導(dǎo)體中的電場(chǎng)、磁場(chǎng)作用下導(dǎo)致電流在導(dǎo)體內(nèi)部分布稀疏，而表面分布最為密集，這種現(xiàn)象被稱為導(dǎo)體的集膚效應(yīng)。顯然，集膚效應(yīng)使得電流向?qū)w的表面聚集，相當(dāng)于導(dǎo)體的有效截面積減小，導(dǎo)體的等效電阻值增大，從而引起附加的熱損耗。

（2）鄰近效應(yīng)。當(dāng)導(dǎo)體通入交流電時(shí)，在導(dǎo)體周圍就會(huì)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)。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(yīng)。鄰近效應(yīng)同樣減少了電纜等效截面積，增大導(dǎo)體溫升。

（3）導(dǎo)體損耗。當(dāng)電纜流過交流電流時(shí)，導(dǎo)體直流電阻要轉(zhuǎn)換成交流電阻，產(chǎn)生相應(yīng)的交流電阻損耗。所產(chǎn)生的導(dǎo)體損耗可以由右式計(jì)算：WC=I2R。

考慮上述提到的集膚效應(yīng)及鄰近效應(yīng)，對(duì)應(yīng)相應(yīng)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(zhì)損耗和金屬屏蔽層的介質(zhì)損耗，具體計(jì)算可參考文獻(xiàn)。

2ANSYS有限元電磁-熱耦合仿真

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

（2）結(jié)構(gòu)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(hào)為 “YJLW03 50/110 1000”，邊界條件設(shè)置如下：土壤的下邊界取2m已符合第一類邊界條件，設(shè)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(shè)置其水平熱流密度為0。土壤上層符合第三類邊界條件，設(shè)置流體溫度為空氣溫度25°C。

3仿真結(jié)果

（1）無(wú)諧波干擾下的電纜仿真結(jié)果。首先對(duì)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(jìn)行仿真。仿真結(jié)果證明，土壤內(nèi)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(shí)際運(yùn)行情況。

（2）施加諧波干擾下的電纜仿真結(jié)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(duì)其溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，其溫度變化情況如圖1所示。

由仿真結(jié)果可知：①諧波頻率和含量是影響電纜溫升的主要因素，當(dāng)諧波頻率越高、含量越大時(shí)溫升越高。②當(dāng)電纜流過9次的零序諧波電流時(shí)，對(duì)電纜溫度急劇上升，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)超過電纜的溫度極限導(dǎo)致絕緣擊穿。

4結(jié)束語(yǔ)

本文采用ANSYS有限元仿真的方法探究諧波干擾下對(duì)電力電纜的影響，并對(duì)實(shí)際的土壤水平直埋敷設(shè)條件下的三相電纜進(jìn)行電磁-熱耦合仿真。仿真結(jié)果表明：

諧波使得電纜的交流電阻增大，導(dǎo)致一定的溫升。長(zhǎng)期運(yùn)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(xiàn)

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

[2] 邢大江.電力諧波對(duì)電力設(shè)備的影響及其應(yīng)對(duì)策略研究[J].中國(guó)設(shè)備工程，2018（6）：215-216.

[3] 馮琬真.諧波對(duì)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(duì)電力電纜的影響[J].電力學(xué)報(bào)，2008（1）：75-77.