考慮不均勻土壤溫度分布的地下電纜載流量分析

嚴(yán)俊韜 田河 何文 鄺凡 徐力斌 柳竺江

【摘 要】為研究不均勻土壤溫度情況下電纜穩(wěn)態(tài)載流量，本文建立不均勻土壤溫度情況下電纜三維模型，采用WORKBENCH仿真出電纜溫度分布，進(jìn)而利用雙點弦截法精確計算電纜載流量，并采用IEC解析法驗證模型準(zhǔn)確性。考慮街道表面溫度、街道寬度、電纜埋深等三種因素，得出與載流量的變化規(guī)律，可為實際工程及電力調(diào)度提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】不均勻土壤溫度；電纜溫度；雙點弦截法；載流量

1 研究背景

二十一世紀(jì)以來，隨著我國提倡加快城鎮(zhèn)化建設(shè)，電纜的利用率不斷增長，在輸配電線路中越來越重要[1，2]。在電纜實際運行過程中，需要了解電纜溫度分布狀態(tài)，進(jìn)而準(zhǔn)確計算電纜載流量，確保電纜在運行過程中不至于因載流量過小而造成材料和空間的浪費，也不因載流量過高而導(dǎo)致電纜高溫過熱而損壞，甚至發(fā)生火災(zāi)[3，4]。城市街道、停車場路口等經(jīng)常會出現(xiàn)直埋電纜通過情況，尤其在夏季炎熱時，街道表面溫度急劇升高，致使電纜附近土壤溫度分布不均勻，不利于電纜散熱，造成電纜載流量降低。

為研究不均勻土壤溫度情況下電纜穩(wěn)態(tài)載流量，以型號8.7/15kV YJV1×400的單回路XLPE電纜為例，根據(jù)傳熱學(xué)原理，建立不均勻土壤溫度情況下電纜三維模型；采用WORKBENCH仿真出電纜溫度分布，進(jìn)而利用雙點弦截法精確計算電纜載流量，并在忽略不均勻土壤溫度情況下，通過IEC標(biāo)準(zhǔn)計算出電力電纜載流量解析結(jié)果，從而驗證仿真模型的準(zhǔn)確性。進(jìn)而，分析街道表面溫度、街道寬度、電纜埋深等三種因素對電纜載流量的影響，并得一定的變化規(guī)律；為實際工程及電力調(diào)度提供數(shù)據(jù)依據(jù)，增加電纜使用壽命。

2 分析不均勻土壤溫度情況下電纜載流量數(shù)值結(jié)果及模型驗證

2.1 建立不均勻土壤溫度情況下電纜模型

根據(jù)不均勻土壤區(qū)域、街道寬度、管道埋深、電纜埋深、相鄰電纜間距離、電纜結(jié)構(gòu)參數(shù)等，繪制出不均勻土壤溫度分布的地下電纜尺寸圖，如圖1所示。

由圖1可得，土壤為區(qū)域一、二，溫度分別為T1、T2；區(qū)域一x向尺寸為街道寬度，即l；電纜埋深為h；電纜敷設(shè)方式為直埋，水平排列單回線路，且相鄰電纜之間距離為s。

2.2 數(shù)值結(jié)果分析

為實現(xiàn)在滿足精度情況下計算快速、求解簡單的目的，采用雙點弦截法求解電纜載流量[5]。以區(qū)域二土壤溫度T2恒為25℃為例，選取型號為8.7/15kV YJV 1×400的XLPE電纜，在已建立不均勻土壤溫度情況下電纜三維仿真模型中，熱源以單位體積生熱率的形式輸入直埋電纜導(dǎo)體內(nèi)，進(jìn)而運用雙點弦截法精確求解不均勻土壤溫度分布情況下電纜載流量。

在不均勻土壤溫度情況下電纜三維模型中設(shè)定為：第一類邊界條件為模型下邊界土壤，溫度數(shù)值為298K；第二類邊界條件為模型左右兩側(cè)土壤邊界，溫度梯度始終無變化，即仿真軟件中默認(rèn)設(shè)置為0；第三類邊界條件為模型上表面溫度，換熱系數(shù)為12.5W/m2·K。

最終得出不同表面溫度和埋深情況下電纜載流量數(shù)值結(jié)果，見表1；得出不同表面溫度和街道寬度情況下電纜載流量數(shù)值結(jié)果，見表2。

由表1和表2可分析出以下結(jié)論：（1）區(qū)域一溫度T1由20℃至45度升高時，電纜載流量均減小，且溫度越高降低幅度越大；（2）當(dāng)區(qū)域一溫度T1為25℃時，即與區(qū)域二溫度T2相等，此時為均勻土壤溫度，則電纜載流量基本無變化；（3）區(qū)域一溫度T1不變且大于區(qū)域二溫度T2時，電纜載流量隨著埋深增大而增大，否則相反；（4）區(qū)域一溫度T1不變時，電纜載流量隨著街道寬度變大而減小；（5）不均勻土壤溫度對電纜載流量影響顯著，例如街道寬20m，區(qū)域一由20℃變化至45℃，載流量由641.2降為533.5，下降16.8%。

2.3 模型驗證

在忽略不均勻土壤溫度情況下，考慮環(huán)境溫度單一因素變化，根據(jù)IEC解析法計算值，與通過仿真求得載流量的對比情況，當(dāng)環(huán)境溫度變化時，仿真值和解析值最大誤差為3.81%，在合理范圍5%之內(nèi)，證明均勻土壤溫度情況下電纜載流量仿真模型準(zhǔn)確。對于非均勻土壤溫度情況下，通過設(shè)定不同區(qū)域溫度得到本文數(shù)值結(jié)果。

3 不均勻土壤溫度對電纜載流量的影響分析

3.1 街道寬度對載流量的影響

當(dāng)街道寬度越大時，即區(qū)域一寬度越大，并且隨著區(qū)域一溫度升高，電纜所處溫度偏高的距離越大，造成電纜附近土壤散熱效果更差，導(dǎo)致電纜溫度越高而載流量降低。不同街道寬度下載流量隨區(qū)域一溫度的變化曲線，如圖2所示。

如圖2所示，電纜載流量隨區(qū)域一溫度的升高而降低，且下降趨勢越快；隨街道寬度的增加而減小，但在街道寬度達(dá)到15m之后，電纜載流量達(dá)到穩(wěn)定。

3.2 不同區(qū)域溫度對載流量的影響

當(dāng)不同區(qū)域溫度不同時，電纜埋深越大，受路面高溫影響越小，電纜周圍土壤散熱效果越好，造成電纜載流量越高。不同區(qū)域溫度下載流量隨埋深的變化曲線，如圖3所示。

如圖3所示，電纜載流量隨埋深增大而增加，且埋深減小電纜載流量變化越快，但3m之后載流量趨于穩(wěn)定；隨區(qū)域二溫度降低而增加。

3.3 電纜埋深對載流量的影響

當(dāng)電纜埋深越小時，隨著區(qū)域一溫度升高，造成電纜附近土壤散熱效果更差，導(dǎo)致電纜溫度越高而載流量降低。不同埋深下載流量隨區(qū)域一溫度的變化曲線，如圖4所示。

如圖4所示，當(dāng)區(qū)域一溫度小于區(qū)域二溫度時，電纜載流量隨埋深增大而降低；當(dāng)區(qū)域一溫度大于區(qū)域二溫度，電纜載流量隨埋深增大而升高。電纜載流量隨區(qū)域一溫度的升高而降低，且下降趨勢更快。

4 結(jié)論

根據(jù)傳熱學(xué)原理，建立了不均勻土壤溫度分布的電纜仿真模型，利用WORKBENCH模擬街道表面溫度、街道寬度、電纜埋深等三種因素對電纜載流量的影響，得出以下結(jié)論：

a.電纜載流量下降16.8%，即不均勻土壤溫度對電纜載流量影響顯著；

b.電纜載流量隨區(qū)域一溫度的升高而降低，且下降趨勢越快；隨街道寬度的增加而減小，直至15m之后趨于穩(wěn)定；隨區(qū)域二溫度降低而增加；

c.當(dāng)區(qū)域一溫度小于區(qū)域二溫度時，電纜載流量隨埋深增大而降低，反則升高。

參考文獻(xiàn)：

[1]周遠(yuǎn)翔，趙健康，劉睿，等.高壓/超高壓電力電纜關(guān)鍵技術(shù)分析及展望[J].高電壓技術(shù)，2014，40（9）：2593-2612.

[2]于競哲.基于有限元法的交流XLPE電纜改為直流運行的溫度場仿真分析[J].電工技術(shù)，2017（7）：28-29.

[3]周象賢，蔣愉寬，王少華，等.直埋電纜長期溫升影響因素分析[J].高壓電器，2017，53（10）：178-182.

[4]馬國棟.電線電纜載流量[M].北京：中國電力出版社，2013：39-40.

[5]祝賀，嚴(yán)俊韜，于卓鑫.外熱源干擾下電纜載流量計算及通風(fēng)增容分析[J].水電能源科學(xué)，2018，36（04）：195-198+212.

（作者單位：廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司東莞供電局）