柔性直流輸電電纜溫度場建模及載流量分析

徐海寧，史令彬，盧志飛，韓 磊，高 震

（國網(wǎng)浙江省電力公司舟山供電公司，浙江 舟山 316000）

柔性直流輸電電纜溫度場建模及載流量分析

徐海寧，史令彬，盧志飛，韓 磊，高 震

（國網(wǎng)浙江省電力公司舟山供電公司，浙江 舟山 316000）

以舟山柔性直流輸電工程中±200 kV直流電纜為研究對象，利用有限元軟件ANSYS建立電纜溫度場模型，并將理論建模與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行比對，驗證了建模的正確性。在溫度場建模的基礎(chǔ)上對電纜載流量進行分析，指出在滿負荷情況下，電纜載流量仍有提升空間，可以為用電高峰或者維修時的電力調(diào)度提供風(fēng)險評估參考。

電纜；溫度場；建模；載流量

0 引言

電纜載流量應(yīng)滿足在電流作用下纜芯工作溫度不超過電纜絕緣耐熱壽命允許的溫度值，且符合導(dǎo)體連接可靠性要求。故在選擇和使用電纜過程中，應(yīng)分析其電纜的溫度場特性，使電纜在保證傳輸容量的條件下各部分溫度均不超過電纜容許溫度。若載流量偏大，纜芯工作溫度超過容許值，將使電纜的絕緣壽命縮短或損壞。若載流量偏小，則電纜的輸電能力得不到充分利用，導(dǎo)致投資浪費。電纜制造廠商往往會提供保守的載流量數(shù)值以確保溫度保持在安全范圍內(nèi)。而電纜運行中，則希望最大程度挖掘電纜傳輸能力，特別是用電高峰或維修時，但這需要評估風(fēng)險，而不能冒然提升電纜載荷。

ANSYS軟件被廣泛運用于有限元分析建模，也可對于電纜建模進行溫度分析，文獻[1]以上海長江隧橋敷設(shè)的220 kV電纜為研究對象，進行ANSYS建模仿真計算，并且驗證了建模的高精確性；文獻[2]利用ANSYS建立三芯海底電纜模型進行溫度場分析，實現(xiàn)海底電纜溫度實時監(jiān)測；文獻[3]利用有限元分析軟件ANSYS模擬多回路敷設(shè)下電纜溝內(nèi)溫度場分布；文獻[4]利用ANSYS軟件對電纜有限元模型進行仿真計算，驗證電纜溫度場有限元模型能否準(zhǔn)確計算電纜暫態(tài)線芯溫度。

以下運用ANSYS仿真軟件，根據(jù)電纜現(xiàn)場敷設(shè)環(huán)境進行電纜的溫度場建模，建立不同載荷下的光纖和纜芯的溫度映射表，結(jié)合實時采集的光纖溫度驗證建模仿真的正確性，溫度場建模為電纜載流量預(yù)測和靈活調(diào)度負荷提供了數(shù)據(jù)支持[5-7]。

1 傳感設(shè)備選型

1.1 光纖選型

光纖傳感技術(shù)是20世紀70年代伴隨光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的，以光波為載體，光纖為媒質(zhì)，感知和傳輸外界被測量信號的新型傳感技術(shù)。激光在光纖中傳播時會產(chǎn)生3種散射分別為：瑞利散射、布里淵散射和拉曼散射，如圖1所示。

圖1 光纖傳播中的散射光

分布式光纖監(jiān)測有兩大類：基于拉曼散射的溫度傳感和基于受激布里淵散射的溫度、應(yīng)變傳感。二者對光纖材質(zhì)要求不同，拉曼散射使用的是多模光纖，只能進行溫度傳感；布里淵散射使用的單模光纖，可以同時進行溫度和應(yīng)變傳感。二者的關(guān)鍵性能指標(biāo)對比如表1所示。

表1 分布式傳感指標(biāo)參數(shù)對比

海島之間敷設(shè)電纜的距離近則幾千米，遠則幾十千米，使用單模光纖可以滿足監(jiān)測要求。

1.2 BOTDA原理

BOTDA（基于受激布里淵散射的布里淵光時域分析儀）作為測溫設(shè)備，工作原理如圖2所顯示。

圖2 BOTDA工作原理

光纖兩端的激光發(fā)射器分別給光纖注入一束脈沖光和一束連續(xù)光，當(dāng)脈沖光與連續(xù)光的頻率差與光纖中某個區(qū)間的布里淵頻移相等時，該區(qū)域就會發(fā)生受激布里淵放大效應(yīng)，兩束光之間發(fā)生能量轉(zhuǎn)移。根據(jù)光纖布里淵頻移與光纖變、溫度之間的關(guān)系，對兩激光的頻率進行連續(xù)的調(diào)節(jié)，監(jiān)測從光纖一端耦合出來的連續(xù)光功率，可以確定光纖各小區(qū)間上能量轉(zhuǎn)移達到最大時的頻率。研究發(fā)現(xiàn)，布里淵頻移與應(yīng)變、溫度存在線性關(guān)系，其計算表達式如式（1）所示。

式中：ΔνB（z）為z點處布里淵光頻移變化量；Δε（z）為z點處傳感光纖處的應(yīng)變變化量；ΔΤ（z）為z點處傳感光纖處的溫度變化量；C1，C2為光纖的布里淵頻移應(yīng)變系數(shù)和溫度系數(shù)[7-8]。

通過BOTDA實時采集光纖溫度數(shù)據(jù)，采樣周期大約為1 min。

2 ANSYS溫度場建模流程

ANSYS主要包括3個部分：前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊。前處理模塊主要完成模型的建立，即實體建模及網(wǎng)格劃分；分析計算模塊即施加相應(yīng)的載荷執(zhí)行運算任務(wù)；后處理模塊即建模圖像直觀顯示和計算結(jié)果的導(dǎo)出。可以將建模結(jié)果以彩色等值線、梯度、矢量等圖像形式描繪，也可將結(jié)果以圖表、曲線等數(shù)據(jù)表達形式顯示輸出。

對電纜建立有限元模型進行溫度場分析，可采用圖3的建模流程。

圖3 ANSYS建立電纜溫度場模型流程

3 電纜仿真實驗

利用ANSYS仿真軟件，建立±200 kV型號為ZB-DC-YJQ03-200 kV-1×1 000 mm2的直流電纜的模型。電纜參數(shù)如表2所示。

根據(jù)ANSYS有限元建模流程，建立圖4模型，經(jīng)過一系列前處理操作后得到網(wǎng)格劃分后的模型界面如圖5和圖6所示。

表2 直流電纜參數(shù)

圖4 電纜模型

圖5 ANSYS建立電纜模型-整體網(wǎng)格

圖6 ANSYS建立電纜模型-光纖單元局部網(wǎng)格

根據(jù)實際運行環(huán)境電纜為直埋水平敷設(shè)，纜間距0.25 m，埋深0.7 m，直埋土壤熱阻系數(shù)1.5 K·m2/W，空氣對流換熱3 K·m2/W，地表溫度10℃，土壤1.5 m深處溫度15℃，添加電壓邊界條件，仿真得到的電纜不同載流量條件下溫度場分布。不同載荷下的光纖與纜芯溫度映射關(guān)系如表3所示，由表3可知，隨著電流增大，光纖和纜芯溫度隨之升高。

4 仿真數(shù)據(jù)驗證

為了對有限元仿真結(jié)果進行驗證，在電纜試運行階段進行加載測溫實驗。在相同敷設(shè)的條件下，即相同埋深、相同邊界環(huán)境溫度、相同對流換熱等條件下，對實際運行的埋地電纜加載設(shè)定的電流（0～610 A），利用BOTDA監(jiān)測光纖溫度，記錄電纜溫度場進入穩(wěn)態(tài)后的光纖溫度，得到表4的電流與光纖溫度的映射。

表3 不同電流下的溫度映射表

表4 現(xiàn)場實測電流-光纖溫度映射

將相同邊界條件和電流載荷下光纖溫度的有限元仿真值與實測光纖溫度值進行比較，得到溫度對比圖如圖7所示，其中點集表示光纖理論溫度值，叉集為BOTDA實測得到的光纖溫度值。

圖7 理論建模與現(xiàn)場實測光纖溫度對比

將實測溫度數(shù)據(jù)（T1）與理論仿真溫度數(shù)據(jù)（T2）根據(jù)下式求解相對誤差（E）：

結(jié)果如表5所示，誤差趨勢如圖8所示。

表5 誤差分析

圖8 光纖溫度誤差趨勢

從表5的誤差分析表發(fā)現(xiàn)相對誤差均小于5%，符合工程誤差范圍要求，可認為建模數(shù)據(jù)正確具有參考意義。

5 載流量分析預(yù)測

為分析制造廠商給定的滿載荷電流是否為真實的電纜額定載流量，對于同一根海纜，在相同敷設(shè)的條件下（相同的環(huán)境溫度、對流換熱），導(dǎo)體施加滿載荷（1 120 A）時進行建立溫度場建模，得到建模結(jié)果如圖9。

圖9 滿載荷電流（1 120 A）時的溫度場分布

從仿真結(jié)果可以得到在廠商給定的滿載荷狀態(tài)下，其對應(yīng)的光纖溫度與纜芯溫度如表6所示。

由數(shù)據(jù)分析可知：對于廠家規(guī)定的滿載荷電流1 120 A，實測的纜芯溫度為70.198℃，未達到海纜最高的運行溫度90℃，可得出電纜的極限運載能力未被充分利用。

為預(yù)測海纜真實的額定載流量，不斷增加電流，得到當(dāng)電流為1 262 A時，纜芯溫度接近最高運行溫度90℃。對應(yīng)的光纖溫度與纜芯溫度如表7所示。

表6 滿載荷電流下溫度映射

表7 過載電流下溫度映射表

對應(yīng)的仿真如圖10所示。從圖10的建模結(jié)果可以得到，電流施加到1 262 A時，纜芯溫度才到達海纜的安全運行至高溫90℃。對比廠家給出的載流量，電纜實際載流量還有140 A的提升空間。

圖10 過載電流（1 262 A）時的溫度場分布

6 結(jié)語

針對柔性直流輸電的電纜進行溫度場建模，利用ANSYS仿真出溫度場分布，得到給定電流載荷下的電纜光纖溫度與纜芯溫度的映射關(guān)系表，仿真結(jié)果與實測數(shù)據(jù)的相對誤差滿足工程應(yīng)用要求。在此基礎(chǔ)上，對給定海纜的載流量進行預(yù)測和分析，可以得到在給定工作環(huán)境下海纜的最大載流量，為今后在用電高峰或者維修時，需要在某一個電纜回路上增加輸送負荷提供了相應(yīng)技術(shù)支持。

[1]殷瀟波，朱愛鈞，江秀臣.基于ANSYS混凝土箱梁結(jié)構(gòu)內(nèi)敷設(shè)電纜熱場仿真[J].微計算機信息，2010（28）∶136-138.

[2]劉頻頻，安博文，周靈，周蓉蓉.基于有限元法的復(fù)合海纜溫度場的仿真計算[J].計算機仿真，2013（10）∶288-292.

[3]陳誠.電纜溝敷設(shè)10 kV三芯電纜溫度場計算及試驗研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2012.

[4]馮海濤.電力電纜線芯溫度估算方法研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2013.

[5]李小峰，唐興佳.高壓交聯(lián)聚乙烯絕緣海底電纜載流量分析[J].實用技術(shù)與管理，2010（6）∶39-42.

[6]李榮偉，李永倩.高壓電纜用分布式光纖傳感器檢測系統(tǒng)[J].光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù)，2010（1）∶38-42.

[7]陳軍，李永麗.應(yīng)用于高壓電纜的光纖分布式溫度傳感新技術(shù)[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報，2005，17（3）∶48-51.

[8]沈一春，宋牟平，章獻民.長距離光纖布里淵散射研究[J].光子學(xué)報，2004，33（8）∶931-934.

原標(biāo)題：基于BODTA技術(shù)的柔性直流電纜載流量及溫度場分析

（本文編輯：楊 勇）

Temperature Field Modeling and Ampacity Analysis of Flexible DC Transmission Cable

XU Haining，SHI Lingbin，LU Zhifei，HAN Lei，GAO Zhen
（State Grid Zhoushan Power Supply Company，Zhoushan Zhejiang 316000，China）

In this paper，±200 kV cable used in Zhoushan flexible DC transmission project is taken as research object.The finite element software ANSYS is used to establish cable temperature field model.Besides, the theoretic modeling and filed measured data are compared to validate the correctness of the modeling.On the basis of temperature field modeling，the cable ampacity is analyzed.The paper indicates that the cable ampacity can be improved further even in full load，which provides risk assessment for power dispatching during peak hours or maintenance.

cable；temperature field；modeling；ampacity

TM247

B

1007-1881（2015）11-0052-04

2015-09-17

徐海寧（1983），男，碩士，從事海纜運行檢修工作。