土壤直埋110 kV電纜中間接頭穩(wěn)態(tài)載流量仿真研究

陳 莉,邵千秋,王然然,唐 軍

(1.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司南充供電公司,四川 南充 637000;2.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院,四川 成都 610041)

0 引 言

載流量是高壓電力電纜重要的技術(shù)指標(biāo)之一,是指在一定條件下電力電纜允許通過(guò)的持續(xù)電流值,反映了電力電纜線路承載負(fù)荷的能力[1]。高壓電力電纜載流量不僅取決于電纜類型和規(guī)格,還與其實(shí)際安裝、敷設(shè)條件和運(yùn)行環(huán)境有關(guān),通常以其本體線芯長(zhǎng)期允許最高運(yùn)行溫度363 K作為載流量的計(jì)算校核標(biāo)準(zhǔn)[2-3]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者依據(jù)文獻(xiàn)[4-5]等標(biāo)準(zhǔn),采用解析算法形成了不同敷設(shè)條件和運(yùn)行環(huán)境下的系列電力電纜載流量數(shù)據(jù)表,為電網(wǎng)規(guī)劃運(yùn)行提供了數(shù)據(jù)支撐[6-7]。

由于電力電纜中間接頭結(jié)構(gòu)較本體更為復(fù)雜,通常采用數(shù)值算法計(jì)算其實(shí)際載流量?，F(xiàn)有研究已表明直埋電纜中間接頭和本體的載流量存在差異,若按照電纜本體載流量校核會(huì)導(dǎo)致中間接頭線芯最高運(yùn)行溫度明顯高于363 K,不利于電纜中間接頭的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行[8-10]。然而現(xiàn)有研究采用軸對(duì)稱數(shù)值計(jì)算模型,難以正確反映實(shí)際對(duì)流散熱邊界條件,并且現(xiàn)尚無(wú)成熟的交流電纜中間接頭載流量校核方法。

因此,下面搭建了土壤直埋110 kV電纜中間接頭穩(wěn)態(tài)載流量三維仿真模型,利用COMSOL Multiphysics仿真軟件研究了環(huán)境溫度、土壤導(dǎo)熱系數(shù)和敷設(shè)深度對(duì)中間接頭穩(wěn)態(tài)載流量的影響規(guī)律,并與相同條件下的電纜本體穩(wěn)態(tài)載流量相比較,以期為確定多種敷設(shè)環(huán)境下電力電纜中間接頭的載流量提供方法參考。

1 直埋電纜中間接頭和本體的溫度場(chǎng)模型

1.1 電纜中間接頭和本體的結(jié)構(gòu)及參數(shù)

選用截面為1200 mm2的64/110 kV電纜中間接頭作為仿真對(duì)象,如圖1所示。中間接頭包含線芯、連接管、高壓屏蔽層、三元乙丙橡膠應(yīng)力錐、交聯(lián)聚乙烯主絕緣、絕緣屏蔽層、硅橡膠增強(qiáng)絕緣、聚氨酯密封膠和銅殼。類似的,選用截面為1200 mm2的64/110 kV電纜本體作為仿真對(duì)象,如圖2所示。電纜本體由軸心向外依次包含線芯、高壓屏蔽層、交聯(lián)聚乙烯絕緣層、絕緣屏蔽層、銅絲編織玻璃纖維緩沖層、鋁護(hù)套和外護(hù)層。中間接頭和電纜本體各部分的熱力學(xué)參數(shù)分別如表1和表2所示[1,9,11-12]。

表1 64/110 kV電纜中間接頭材料熱力學(xué)參數(shù)

表2 64/110 kV電纜本體材料熱力學(xué)參數(shù)

圖1 64/110 kV電纜中間接頭剖面圖

圖2 64/110 kV電纜本體剖面圖

1.2 仿真幾何模型及邊界條件

搭建土壤直埋110 kV中間接頭和電纜本體的穩(wěn)態(tài)載流量三維仿真模型,分別在接頭和本體周圍添加土壤;在仿真中設(shè)置A面為對(duì)流熱通量邊界條件,土壤與空氣的對(duì)流傳熱系數(shù)取值為10 W/(m2·K);B面、C面和D面與中間接頭或電纜本體的距離分別為2000 mm,均將其設(shè)置為法向熱通量為0的邊界條件。仿真模型如圖3和圖4所示。

圖3 土壤直埋110 kV電纜中間接頭穩(wěn)態(tài)載流量仿真模型

圖4 土壤直埋110 kV電纜本體穩(wěn)態(tài)載流量仿真模型

中間接頭或電纜本體的內(nèi)部熱量主要來(lái)自電流引起的線芯發(fā)熱。中間接頭或電纜本體的溫度場(chǎng)計(jì)算公式為:

Q=I2Rt

(1)

(2)

式中:Q為線芯產(chǎn)生的焦耳熱;I為線芯電流有效值;t為時(shí)間;Q1為材料吸收的焦耳熱;ρ為材料密度;C為材料恒壓熱容;T為材料溫度;k為材料導(dǎo)熱系數(shù);R為線芯的電阻,計(jì)算公式如式(3)—式(7)所示[13]。

R=R0·L

(3)

(4)

R1=R0(1+ys)

(5)

(6)

(7)

式中:R0為單位長(zhǎng)度線芯在溫度T時(shí)的直流電阻;L為線芯長(zhǎng)度;ρ20為線芯在溫度293 K時(shí)的體積電阻率,其值為1.724×10-8Ω·m;S為線芯截面積,其值為1200 mm2;α為線芯在溫度293 K時(shí)的溫度系數(shù),其值為3.93×10-8K-1;R1為單位長(zhǎng)度線芯在溫度T時(shí)的交流電阻;ys為集膚效應(yīng)系數(shù);xs為集膚效應(yīng)中頻率與導(dǎo)體結(jié)構(gòu)影響系數(shù);ks為系數(shù),取值為0.435;f為電流頻率,取值為50 Hz。

1.3 網(wǎng)格剖分及計(jì)算方法

仿真中,在中間接頭區(qū)域采用極細(xì)化網(wǎng)格剖分,在土壤區(qū)域采用超細(xì)化網(wǎng)格剖分,網(wǎng)格剖分平均單元質(zhì)量為0.68,網(wǎng)格單元格數(shù)量為27 591 669。類似的,在電纜本體區(qū)域采用極細(xì)化網(wǎng)格剖分,在土壤區(qū)域采用超細(xì)化網(wǎng)格剖分,網(wǎng)格剖分平均單元質(zhì)量為0.69,網(wǎng)格單元格數(shù)量為17 267 128。在中間接頭的線芯和連接管上施加電流有效值或在電纜本體的線芯上施加電流有效值,采用“穩(wěn)態(tài)”計(jì)算分別獲取不同條件下的中間接頭或電纜本體穩(wěn)態(tài)載流量。

2 中間接頭和電纜本體載流量

2.1 環(huán)境溫度

環(huán)境溫度會(huì)顯著影響中間接頭和電纜本體的載流量。以電纜線芯最高運(yùn)行溫度363 K作為載流量的校核標(biāo)準(zhǔn),計(jì)算了土壤導(dǎo)熱系數(shù)為0.5 W/(m·K)、敷設(shè)深度為1.0 m時(shí),不同環(huán)境溫度下的中間接頭和電纜本體載流量,結(jié)果如圖5所示。可以看出,不同環(huán)境溫度下的中間接頭載流量始終小于電纜本體載流量。環(huán)境溫度為283 K、293 K、303 K與313 K時(shí),電纜本體載流量分別為1520 A、1422 A、1323 A和1208 A,而對(duì)應(yīng)環(huán)境溫度下的中間接頭載流量分別為1385 A、1295 A、1199 A和1095 A,相同環(huán)境溫度下的中間接頭載流量相較于電纜本體下降了約9%。

圖5 不同環(huán)境溫度下的中間接頭與電纜本體載流量

為進(jìn)一步研究中間接頭與電纜本體載流量間差異對(duì)中間接頭絕緣性能的影響,以本體載流量為實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中流經(jīng)線芯的電流,計(jì)算了不同環(huán)境溫度下中間接頭的溫度分布(土壤導(dǎo)熱系數(shù)為0.5 W/(m·K)、敷設(shè)深度為1.0 m),如圖6所示。

圖6 不同環(huán)境溫度下的中間接頭溫度分布

可以看出,當(dāng)流經(jīng)線芯的電流為本體載流量時(shí),不同環(huán)境溫度下的中間接頭最高溫度均明顯高于363 K。環(huán)境溫度為283 K、293 K、303 K與313 K時(shí),中間接頭主絕緣交聯(lián)聚乙烯最高溫度分別為385.55 K、381.87 K、379.42 K和376.15 K。長(zhǎng)期處于這一溫度下的中間接頭主絕緣老化速率會(huì)明顯快于本體主絕緣,導(dǎo)致中間接頭絕緣故障率偏高。故在實(shí)際運(yùn)行中建議按照中間接頭載流量來(lái)校準(zhǔn)電纜穩(wěn)態(tài)載流量,以保障電纜安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 土壤導(dǎo)熱系數(shù)

土壤導(dǎo)熱系數(shù)是影響電纜載流量的重要參數(shù),隨著土壤水分的蒸發(fā),電纜散熱效果會(huì)逐漸變差。在本節(jié)中,以線芯最高運(yùn)行溫度363 K作為載流量校核標(biāo)準(zhǔn),計(jì)算了環(huán)境溫度為293 K、敷設(shè)深度為1.0 m時(shí),土壤導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)中間接頭和電纜本體載流量的影響規(guī)律,如圖7所示。顯然,不同土壤導(dǎo)熱系數(shù)下的中間接頭載流量小于本體載流量。土壤導(dǎo)熱系數(shù)為0.5 W/(m·K)、1.0 W/(m·K)、1.5 W/(m·K)和2.0 W/(m·K)時(shí)的中間接頭載流量分別為1295 A、1525 A、1634 A和1698 A,相較于相同條件下的本體載流量分別下降了8.9%、8.3%、7.8%和7.5%。

圖7 不同土壤導(dǎo)熱系數(shù)下的中間接頭與電纜本體載流量

類似的,以本體載流量為流經(jīng)線芯的電流,研究了回填不同導(dǎo)熱系數(shù)土壤時(shí)的中間接頭溫度分布(環(huán)境溫度為293 K、敷設(shè)深度為1.0 m),如圖8所示。

圖8 不同土壤導(dǎo)熱系數(shù)下的中間接頭溫度分布

可以看出,當(dāng)流經(jīng)線芯的電流為本體載流量時(shí),中間接頭最高溫度隨土壤導(dǎo)熱系數(shù)的增加而略有降低。土壤導(dǎo)熱系數(shù)為0.5 W/(m·K)、1.0 W/(m·K)、1.5 W/(m·K)和2.0 W/(m·K)時(shí)的中間接頭主絕緣交聯(lián)聚乙烯最高溫度分別為381.87 K、380.27 K、379.00 K和378.19 K。

由于中間接頭的復(fù)雜結(jié)構(gòu),如按照本體載流量校核電纜載流能力,將導(dǎo)致中間接頭主絕緣處于加速熱老化狀態(tài),因此為確保電纜長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行,建議以本體載流量確定電纜載流時(shí)應(yīng)留有一定裕度。

2.3 敷設(shè)深度

電纜敷設(shè)深度會(huì)一定程度影響直埋電纜的散熱過(guò)程,在本節(jié)中,以線芯最高運(yùn)行溫度363 K作為載流量校核標(biāo)準(zhǔn),計(jì)算了環(huán)境溫度為293 K、土壤導(dǎo)熱系數(shù)為0.5 W/(m·K)時(shí),敷設(shè)深度對(duì)中間接頭和電纜本體載流量的影響規(guī)律,如圖9所示。可以看出,敷設(shè)深度為1.00 m、1.25 m、1.50 m和1.75 m時(shí)的中間接頭載流量分別為1295 A、1265 A、1241 A和1222 A,相較于對(duì)應(yīng)條件下的本體載流量分別下降了8.9%、10.2%、10.5%和10.8%。

圖9 不同敷設(shè)深度下的中間接頭與電纜本體載流量

類似的,以本體載流量為流經(jīng)線芯的電流,研究了不同敷設(shè)深度時(shí)的中間接頭溫度分布(環(huán)境溫度為293 K、土壤導(dǎo)熱系數(shù)為0.5 W/(m·K),如圖10所示。

圖10 不同敷設(shè)深度下的中間接頭溫度分布

可以看出,當(dāng)流經(jīng)線芯的電流為本體載流量時(shí),中間接頭最高溫度隨敷設(shè)深度的增加而增加。敷設(shè)深度為1.00 m、1.25 m、1.50 m和1.75 m時(shí)的中間接頭主絕緣交聯(lián)聚乙烯最高溫度分別為381.87 K、385.20 K、386.13 K和386.90 K。上述研究表明,為確保電纜主絕緣長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠,建議以本體載流量確定電纜載流時(shí)應(yīng)留有一定裕度。

3 結(jié) 論

上面搭建了土壤直埋110 kV中間接頭和電纜本體穩(wěn)態(tài)載流量仿真模型,對(duì)比研究了環(huán)境溫度、土壤導(dǎo)熱系數(shù)和敷設(shè)深度對(duì)中間接頭和電纜本體穩(wěn)態(tài)載流量的影響規(guī)律,得到的主要結(jié)論如下:

1)不同環(huán)境溫度下的中間接頭載流量始終小于本體載流量。環(huán)境溫度為283 K、293 K、303 K與313 K時(shí)(土壤導(dǎo)熱系數(shù)為0.5 W/(m·K)、敷設(shè)深度為1.0 m),中間接頭載流量較相同環(huán)境溫度下的本體載流量減小了約9%。

2)不同土壤導(dǎo)熱系數(shù)下的中間接頭載流量小于本體載流量。土壤導(dǎo)熱系數(shù)為0.5 W/(m·K)、1.0 W/(m·K)、1.5 W/(m·K)和2.0 W/(m·K)時(shí)(環(huán)境溫度為293 K、敷設(shè)深度為1.0 m)的中間接頭載流量相較于相同條件下的本體載流量分別下降了8.9%、8.3%、7.8%和7.5%。

3)不同敷設(shè)深度下的中間接頭載流量小于本體載流量。敷設(shè)深度為1.00 m、1.25 m、1.50 m和1.75 m時(shí)(環(huán)境溫度為293 K、土壤導(dǎo)熱系數(shù)為0.5 W/(m·K)的中間接頭載流量相較于對(duì)應(yīng)條件下的本體載流量分別下降了8.9%、10.2%、10.5%和10.8%。

4)由于中間接頭的復(fù)雜結(jié)構(gòu),如按照本體載流量校核電纜載流能力,將導(dǎo)致中間接頭主絕緣處于加速熱老化狀態(tài),為確保電纜長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行,建議以本體載流量確定電纜載流時(shí)應(yīng)留有一定裕度。