土壤直埋110 kV電纜中間接頭穩態載流量仿真研究

陳 莉,邵千秋,王然然,唐 軍

(1.國網四川省電力公司南充供電公司,四川 南充 637000;2.國網四川省電力公司電力科學研究院,四川 成都 610041)

0 引 言

載流量是高壓電力電纜重要的技術指標之一,是指在一定條件下電力電纜允許通過的持續電流值,反映了電力電纜線路承載負荷的能力[1]。高壓電力電纜載流量不僅取決于電纜類型和規格,還與其實際安裝、敷設條件和運行環境有關,通常以其本體線芯長期允許最高運行溫度363 K作為載流量的計算校核標準[2-3]。國內外學者依據文獻[4-5]等標準,采用解析算法形成了不同敷設條件和運行環境下的系列電力電纜載流量數據表,為電網規劃運行提供了數據支撐[6-7]。

由于電力電纜中間接頭結構較本體更為復雜,通常采用數值算法計算其實際載流量。現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導致中間接頭線芯最高運行溫度明顯高于363 K,不利于電纜中間接頭的長期穩定運行[8-10]。然而現有研究采用軸對稱數值計算模型,難以正確反映實際對流散熱邊界條件,并且現尚無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電纜中間接頭穩態載流量三維仿真模型,利用COMSOL Multiphysics仿真軟件研究了環境溫度、土壤導熱系數和敷設深度對中間接頭穩態載流量的影響規律,并與相同條件下的電纜本體穩態載流量相比較,以期為確定多種敷設環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模型

1.1 電纜中間接頭和本體的結構及參數

選用截面為1200 mm2的64/110 kV電纜中間接頭作為仿真對象,如圖1所示。中間接頭包含線芯、連接管、高壓屏蔽層、三元乙丙橡膠應力錐、交聯聚乙烯主絕緣、絕緣屏蔽層、硅橡膠增強絕緣、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、交聯聚乙烯絕緣層、絕緣屏蔽層、銅絲編織玻璃纖維緩沖層、鋁護套和外護層。中間接頭和電纜本體各部分的熱力學參數分別如表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參數

表2 64/110 kV電纜本體材料熱力學參數

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態載流量三維仿真模型,分別在接頭和本體周圍添加土壤;在仿真中設置A面為對流熱通量邊界條件,土壤與空氣的對流傳熱系數取值為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電纜中間接頭穩態載流量仿真模型

圖4 土壤直埋110 kV電纜本體穩態載流量仿真模型

中間接頭或電纜本體的內部熱量主要來自電流引起的線芯發熱。中間接頭或電纜本體的溫度場計算公式為:

Q=I2Rt

(1)

(2)

式中:Q為線芯產生的焦耳熱;I為線芯電流有效值;t為時間;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為材料導熱系數;R為線芯的電阻,計算公式如式(3)—式(7)所示[13]。

R=R0·L

(3)

(4)

R1=R0(1+ys)

(5)

(6)

(7)

式中:R0為單位長度線芯在溫度T時的直流電阻;L為線芯長度;ρ20為線芯在溫度293 K時的體積電阻率,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時的溫度系數,其值為3.93×10-8K-1;R1為單位長度線芯在溫度T時的交流電阻;ys為集膚效應系數;xs為集膚效應中頻率與導體結構影響系數;ks為系數,取值為0.435;f為電流頻率,取值為50 Hz。

1.3 網格剖分及計算方法

仿真中,在中間接頭區域采用極細化網格剖分,在土壤區域采用超細化網格剖分,網格剖分平均單元質量為0.68,網格單元格數量為27 591 669。類似的,在電纜本體區域采用極細化網格剖分,在土壤區域采用超細化網格剖分,網格剖分平均單元質量為0.69,網格單元格數量為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“穩態”計算分別獲取不同條件下的中間接頭或電纜本體穩態載流量。

2 中間接頭和電纜本體載流量

2.1 環境溫度

環境溫度會顯著影響中間接頭和電纜本體的載流量。以電纜線芯最高運行溫度363 K作為載流量的校核標準,計算了土壤導熱系數為0.5 W/(m·K)、敷設深度為1.0 m時,不同環境溫度下的中間接頭和電纜本體載流量,結果如圖5所示。可以看出,不同環境溫度下的中間接頭載流量始終小于電纜本體載流量。環境溫度為283 K、293 K、303 K與313 K時,電纜本體載流量分別為1520 A、1422 A、1323 A和1208 A,而對應環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 不同環境溫度下的中間接頭與電纜本體載流量

為進一步研究中間接頭與電纜本體載流量間差異對中間接頭絕緣性能的影響,以本體載流量為實際運行過程中流經線芯的電流,計算了不同環境溫度下中間接頭的溫度分布(土壤導熱系數為0.5 W/(m·K)、敷設深度為1.0 m),如圖6所示。

圖6 不同環境溫度下的中間接頭溫度分布

可以看出,當流經線芯的電流為本體載流量時,不同環境溫度下的中間接頭最高溫度均明顯高于363 K。環境溫度為283 K、293 K、303 K與313 K時,中間接頭主絕緣交聯聚乙烯最高溫度分別為385.55 K、381.87 K、379.42 K和376.15 K。長期處于這一溫度下的中間接頭主絕緣老化速率會明顯快于本體主絕緣,導致中間接頭絕緣故障率偏高。故在實際運行中建議按照中間接頭載流量來校準電纜穩態載流量,以保障電纜安全穩定運行。

2.2 土壤導熱系數

土壤導熱系數是影響電纜載流量的重要參數,隨著土壤水分的蒸發,電纜散熱效果會逐漸變差。在本節中,以線芯最高運行溫度363 K作為載流量校核標準,計算了環境溫度為293 K、敷設深度為1.0 m時,土壤導熱系數對中間接頭和電纜本體載流量的影響規律,如圖7所示。顯然,不同土壤導熱系數下的中間接頭載流量小于本體載流量。土壤導熱系數為0.5 W/(m·K)、1.0 W/(m·K)、1.5 W/(m·K)和2.0 W/(m·K)時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 不同土壤導熱系數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線芯的電流,研究了回填不同導熱系數土壤時的中間接頭溫度分布(環境溫度為293 K、敷設深度為1.0 m),如圖8所示。

圖8 不同土壤導熱系數下的中間接頭溫度分布

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

由于中間接頭的復雜結構,如按照本體載流量校核電纜載流能力,將導致中間接頭主絕緣處于加速熱老化狀態,因此為確保電纜長期穩定運行,建議以本體載流量確定電纜載流時應留有一定裕度。

2.3 敷設深度

電纜敷設深度會一定程度影響直埋電纜的散熱過程,在本節中,以線芯最高運行溫度363 K作為載流量校核標準,計算了環境溫度為293 K、土壤導熱系數為0.5 W/(m·K)時,敷設深度對中間接頭和電纜本體載流量的影響規律,如圖9所示。可以看出,敷設深度為1.00 m、1.25 m、1.50 m和1.75 m時的中間接頭載流量分別為1295 A、1265 A、1241 A和1222 A,相較于對應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線芯的電流,研究了不同敷設深度時的中間接頭溫度分布(環境溫度為293 K、土壤導熱系數為0.5 W/(m·K),如圖10所示。

圖10 不同敷設深度下的中間接頭溫度分布

可以看出,當流經線芯的電流為本體載流量時,中間接頭最高溫度隨敷設深度的增加而增加。敷設深度為1.00 m、1.25 m、1.50 m和1.75 m時的中間接頭主絕緣交聯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期穩定可靠,建議以本體載流量確定電纜載流時應留有一定裕度。

3 結 論

上面搭建了土壤直埋110 kV中間接頭和電纜本體穩態載流量仿真模型,對比研究了環境溫度、土壤導熱系數和敷設深度對中間接頭和電纜本體穩態載流量的影響規律,得到的主要結論如下:

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

2)不同土壤導熱系數下的中間接頭載流量小于本體載流量。土壤導熱系數為0.5 W/(m·K)、1.0 W/(m·K)、1.5 W/(m·K)和2.0 W/(m·K)時(環境溫度為293 K、敷設深度為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)不同敷設深度下的中間接頭載流量小于本體載流量。敷設深度為1.00 m、1.25 m、1.50 m和1.75 m時(環境溫度為293 K、土壤導熱系數為0.5 W/(m·K)的中間接頭載流量相較于對應條件下的本體載流量分別下降了8.9%、10.2%、10.5%和10.8%。

4)由于中間接頭的復雜結構,如按照本體載流量校核電纜載流能力,將導致中間接頭主絕緣處于加速熱老化狀態,為確保電纜長期穩定運行,建議以本體載流量確定電纜載流時應留有一定裕度。