電纜隧道斷面風速對隧道內溫度的影響

張 敏,劉 哲,蘇 康

(1.中國電建集團河北省電力勘測設計研究院有限公司,河北 石家莊 050021;2.石家莊鐵道大學機械工程學院,河北 石家莊 050043)

0 引言

隨著城市高速發展,對城市規劃和景觀要求越來越高,因此,從變電站通往城市市區的電力電纜越來越多的采用電纜隧道進行敷設[1]。電纜隧道內各種電壓等級的電纜集中布置。由于電力電纜在運行時會產生一定的熱量,若電纜長時間處于高溫運行容易產生絕緣熱擊穿現象,造成電纜短路、跳閘等問題,甚至可能引發火災。另外,電力電纜隧道中常用的為交聯聚乙烯(Cross Linked Polyethylene Cable,XLPE)電纜,這種電纜的工作溫度超過允許值的8%,會使得電纜壽命下降為其期望壽命的一半;當工作溫度超過允許值的15%,會使得電纜的壽命下降為其期望壽命的1/4[2-3]。

因此,需要對電力電纜隧道的溫度場進行研究,保證電纜運行的合理溫度,為電網的安全可靠運行提供保障。DL/T 5484—2013《電力電纜隧道設計規程》(簡稱“規程”)中要求,排風溫度不應高于40℃,進、排風溫差不宜大于10℃。該規程僅對計算電纜隧道的通風量提出了進排風溫差的要求,但是對于電力電纜隧道內的風速、溫度控制及通風系統沒有專門的要求,同時,現行規范也并未對該方面內容作出規定。現階段對隧道內通風著重考慮的是對總通風量是否滿足要求,并未對相應的風速和氣流組織條件有相關的要求[4]。本文主要運用CFD數值模擬的方法,對隧道內的通風換熱進行分析,為后續隧道內的通風設計提供設計參考依據。

1 電纜隧道的模型構建

1.1 工程概況

以雄安新區某500 k V電力電纜隧道為研究對象,該隧道是雄安新區內建設的第1條長距離電纜隧道,是為昝崗組團、雄縣組團以及組團聯絡提供電力保障的重要通路。隧道的截面按照電力隧道的實際截面進行建模,斷面尺寸為3.65 m×2.8 m,截取隧道一個長度200 m作為計算物理模型進行研究。

由于合理的電纜相位排列可以降低鄰近效應的影響提高載流量[5-6],同時由于“品”字形排列布置的對稱性最佳[7-8],因此隧道內電纜敷設方式采取“品”字型敷設。通過數值模擬的方式,分析隧道在不同斷面風速的情況下隧道內高溫區域的變化規律。

1.2 物理模型

本次模型采用Solid Works建立隧道的基本模型,隧道內空間尺寸為200 m×3.65 m(H)×2.8 m的長方體,壁厚按照0.3 m墻體,具體隧道斷面情況見圖1,隧道整體模型情況詳見圖2。本次主要研究不同風速對電纜散熱的影響,因此對電纜隧道內的進風口位置,排風口位置進行固定,僅考慮風速(風量)變化的影響。隧道內的主要熱源為隧道內的電纜發熱,散熱量為220 W/m。根據規程規定,排風溫度不宜大于40℃(即313 K)。

圖1 隧道斷面布置(單位:mm)

圖2 隧道模型

在模擬過程中,為了便于計算將模型進行了一定的簡化,簡化后將單回“品”字形敷設的電纜斷面近似為一個等邊三角形,并進行了網格劃分,總網格數約為231萬,具體網格劃分見圖3。

圖3 隧道網格劃分示意

1.3 數學模型及求解條件

模型控制方程采用以下3個方程[9]。

(1)質量守恒方程

式中:u、v、w分別為x、y、z3個方向的速度;ρ為密度。

(2)動量方程[10]

(3)能量方程

式中:h為流體的導熱系數;S h為流體的內熱源;p div U為表面力對流體微元體所做的功,一般可以忽略;Φ為由于粘性作用機械能轉化為熱能的部分,稱為耗散函數。

本次模擬中采用空氣作為模擬介質,對各個邊界條件進行適當的簡化,邊界條件簡化為速度入口、壓力出口,不考慮壁面傳熱的影響,為了方便計算,對模型進行如下假設[9]:

(1)采用Boussinesq假設,不考慮壓力對密度變化的影響,僅考慮密度變化對浮升力的影響;

(2)室內的氣流屬于穩態的湍流,為常溫常壓及低速下的流動,可以視為不可壓縮理想流體流動,因此忽略有流體粘性力做功引起的耗散熱;

(3)由于本次模擬主要研究的是不同通風方案的優劣,壁面導熱通風方案產生的影響不大,且夏季由于隧道內的溫度要高于土壤溫度,其傳熱方向為向外傳熱,有利于隧道內的溫度降低,因此在本次研究中,研究其極限不利情況,對于壁面按照絕熱進行處理;

(4)湍流模型選用Launder及Spal ding等提出的模型和壁面函數法進行計算。

隧道的模擬計算邊界條件分別為:速度入口為等速度入口,其值設為隧道內的斷面風速;出口為壓力出口,初始值為標準大氣壓;溫度值取GB 50019《工業建筑供暖通風與空氣調節設計規范》中當地夏季通風計算溫度,經查為30.4℃;電纜的發熱為第2類邊界條件,采用定熱流密度;隧道內壁面的摩擦阻力按照混凝土的相關參數選取。模擬分析流程見圖4。

圖4 數值分析求解流程示意

2 計算結果及分析

2.1 斷面風速的影響

本次模擬中,隧道的進風溫度取當地的夏季通風計算溫度30.4℃,電纜發熱量按照220 W/m進行計算,經計算進風速度為3.48 m/s時,換氣次數滿足隧道內換氣次數不小于6次/h的要求,此時斷面風速為0.34 m/s。胡康等[11]的研究表明提高隧道內的通風換氣次數,對于電纜表面的對流換熱效果越好,電纜表面溫度會越低。對于隧道內溫度場的研究,可以利用多物理場耦合模型進行。

從隧道縱斷面溫度分布圖(圖5)中可看出,隧道內的溫度隨著氣流流動方向呈上升趨勢,在接近排風口附近溫度最高。同時從隧道橫斷面溫度分布圖(圖6)中可以看出,隧道內會有局部溫度較高區域,此區域溫度高于40℃,而此處溫度無法通過排風溫度進行判斷。

圖5 隧道縱斷面溫度分布

根據橫斷面溫度分布圖,目前暫定高度1.7 m、3.4 m處2點為隧道內的高溫區域,著重研究不同風速下此部分區域內的溫度分布情況,2點的坐標為x=0.4 m,y=1.7 m及x=0.4 m,y=3.4 m。具體位置見圖6。

圖6 隧道內電纜高溫區域測點位置分布

1.7 m處高溫區域主要是由于隧道內電纜間距較小,導致的熱空氣流動不暢產生的熱氣流集聚現象;3.4 m處高溫區域主要是由于熱空氣密度較小,集中在隧道上部,并且和電纜散熱綜合產生的溫度較高現象。

如圖7、圖8所示,取1.7 m、3.4 m2處位置在隧道軸向方向上的溫度分布,觀察其在不同隧道斷面風速情況下軸向的溫度變化情況,可知,在斷面風速為0.38 m/s的情況下,由于隧道內的斷面風速較低,隧道內這兩個高溫區域位置處的溫度升高較為明顯,特別是在靠近隧道出口1.7 m、3.4 m處的最高溫度分別為41.67℃、41.53℃,超過規程中要求的隧道排風溫度40℃,溫度較高。規程中雖然只對排風溫度進行了低于40℃的要求,卻并未對隧道內通風系統布置和環境溫度有具體要求,研究表明隧道內的溫度升高時,會使隧道內敷設電纜的允許載流量下降,當隧道避免溫度每升高5℃時,載流量下降約5%,因此適當的減少隧道內高溫區域的溫度十分必要。

圖7 1.7 m高處高溫區域在不同風速下溫度變化規律

圖8 3.4 m高處高溫區域在不同風速下溫度變化規律

在原有模型的基礎上通過提高隧道內的斷面風速,觀察隧道內1.7 m、3.4 m 2處高溫區域的溫度變化情況。模擬的斷面風速分別取0.5 m/s(通風 量18396 m3/h)、1.0 m/s(通 風 量36792 m3/h)和1.5 m/s(通風量55188 m3/h),并與上述結果進行比較。從圖7、圖8中可知,當隧道斷面風速提高時,隧道內的溫度會隨著斷面風速的升高而降低,因此可以看出提高斷面風速可有效改善隧道內的溫度分布,降低隧道內高溫區溫度。同時可以看出,當隧道的斷面風速較小時(0.38 m/s),提高斷面風速可以有效改善隧道內的溫度場。例如,當斷面風速提高到0.5 m/s時,斷面風速提高了0.12 m/s,隧道內高溫區溫度由原來41.67℃下降到38.5℃,下降了3.17℃,溫度較原有溫度有了明顯下降,有利于電纜的散熱。當斷面風速繼續提高到1.0 m/s時,高溫區域溫度下降到34.86℃,下降了3.64℃。當斷面風速提高到1.5 m/s時,高溫區域溫度下降到33.56℃,下降了1.3℃,可以看出隨著斷面風速的提高,隧道內高溫區溫度會有所下降,但是下降的幅度會逐漸減小。

同時,通過圖9可以得出,隨著斷面風速的增加,排風口的溫度會下降,溫度下降幅度在開始較為明顯,但是在1.0 m/s變為1.5 m/s時,速度增加了0.5 m/s,溫度僅下降了1.22℃,下降幅度較小,變化不明顯。通過以上分析可以得出,電纜隧道內的斷面風速并非越大越好,應在考慮能效比等多方面因素后確定,對于本次工況,推薦的風速為1.0 m/s左右較為合適。

圖9 不同風速條件下排風口溫度變化

2.2 相間距對散熱影響

研究表明,當相間距增大可以使得損耗功率因數下降[12]。電纜隧道中的散熱方式有:電纜本體與土壤間的熱傳導、隧道內因溫度梯度而產生的自然對流、電纜表面向隧道內壁的熱輻射3種形式[13],且這3種導熱方式是相伴存在的。隧道內電纜相間距對電纜散熱有一定影響,圖10可以看出當隧道內的間距增大時,電纜間的溫度會下降,有利于電纜的散熱,因此在電纜隧道內斷面允許的情況下,盡量增大電纜的相間距,有利于電纜的對流散熱。

圖10 不同電纜間距下電纜間溫度變化

3 結論

(1)從模擬結果可以看出,當隧道內的斷面風速為0.38 m/s時,隧道的排風溫度小于40℃,滿足規程的要求,但是隧道內的高溫區域溫度為41.67℃,超過規程要求的排風溫度。

(2)當隧道內的斷面風速較低時,提高隧道斷面風速可有效降低隧道內高溫區域溫度,保證電纜的安全運行。

(3)當隧道內的斷面風速提高到1.0 m/s以后,繼續提高隧道的斷面風速對于高溫區域的溫度影響不明顯,而且會提高通風系統設備的造價及運行能耗,因此,針對本次模擬工況,推薦的斷面風速不宜大于1.0 m/s。

(4)當電纜相間距較小時,不利于電纜表面與周圍空氣的對流換熱,使得電纜間空氣溫度變高,合理增大電纜相間距對電纜的表面的對流散熱有積極影響,也有利于電纜的安全運行。