考慮三芯電纜不平衡電流的溫度分布控制研究

李峰 方敏 周軍俊 沈斌 陳金強(qiáng) 馮樂(lè)坪

摘 要：當(dāng)前，三芯配電電纜在使用的時(shí)候不同相位上相應(yīng)的用戶需求總是存在著或大或小的區(qū)別，因此會(huì)存在三相電流不平衡的問(wèn)題。為了使得人們的用電需求得到最大程度的滿足，電力企業(yè)需要采取積極措施準(zhǔn)確的評(píng)估在不平衡電流下電纜溫升的實(shí)際情況。本文采用有限元法，建立了相應(yīng)的電纜溫度場(chǎng)計(jì)算模型，并且利用該模型對(duì)溫度的具體分布情況進(jìn)行了全方位的分析工作。

關(guān)鍵詞：三芯電纜;不平衡電流;溫度分布;控制

1不平衡電流溫度場(chǎng)及系統(tǒng)計(jì)算方法

1.1XLPE電纜溫度場(chǎng)計(jì)算方法

由于電纜在實(shí)際使用過(guò)程當(dāng)中的一系列需求，其長(zhǎng)度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其截面積。因此在實(shí)際計(jì)算的過(guò)程當(dāng)中，為了使得計(jì)算過(guò)程能夠變得更加方便，人們往往把三維的溫度場(chǎng)通過(guò)一定的方式方法轉(zhuǎn)化成為二維計(jì)算。在實(shí)際計(jì)算的過(guò)程當(dāng)中，充分的利用到了傳熱方程以及熱能連續(xù)性定理，從而進(jìn)一步得到泊松方程為：

而對(duì)于電纜來(lái)說(shuō)，在實(shí)際使用的過(guò)程當(dāng)中其內(nèi)部導(dǎo)電的部分 qv滿足焦耳定律，可用式2表示：

而對(duì)于電纜的絕緣層區(qū)域， qv主要是介損所產(chǎn)生的。而這一值比起電纜的總體功耗來(lái)說(shuō)非常的小，因此為了使得整個(gè)計(jì)算過(guò)程變得更加簡(jiǎn)單方便，一般來(lái)說(shuō)都對(duì)其進(jìn)行忽略。對(duì)（1）式進(jìn)行相應(yīng)的推導(dǎo)，假設(shè)：

通過(guò)變形可得：

對(duì)于我國(guó)各地區(qū)來(lái)說(shuō)，在電力電纜實(shí)際使用的過(guò)程當(dāng)中，考慮到當(dāng)?shù)氐膶?shí)際需求，人們往往將電力電纜采用排管、溝槽、隧道這三種方式進(jìn)行相應(yīng)的敷設(shè)工作。其中排管敷設(shè)方式在實(shí)際使用的時(shí)候，電纜所產(chǎn)生的溫度很難傳導(dǎo)到外界環(huán)境當(dāng)中。考慮到實(shí)際需求，本文采用排管敷設(shè)這一方式進(jìn)行全方位的研究工作。為了讓整個(gè)分析過(guò)程變得更加簡(jiǎn)單方便，選取了排管敷設(shè)下單根電纜進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算工作。最終得到各個(gè)溫度節(jié)點(diǎn)的計(jì)算公式：

1.2電流不平衡時(shí)損耗計(jì)算

在實(shí)際計(jì)算的過(guò)程當(dāng)中，考慮到各個(gè)方面的實(shí)際需求，一般將負(fù)荷電流的不平衡度定義為：

通過(guò)一系列公式的推導(dǎo)可以得到當(dāng)電流處于不平衡狀態(tài)當(dāng)中的時(shí)候，相應(yīng)的損耗計(jì)算公式為：

2電纜有限元模型建立

2.1電纜幾何及物理參數(shù)

為了使得計(jì)算結(jié)果更加具有代表性，本文選取浙江地區(qū)最常使用的YJV22–8.7/10–3×300 交聯(lián)聚乙烯電纜。電纜的主要幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。在實(shí)際計(jì)算的過(guò)程當(dāng)中假設(shè)電纜所采用的埋設(shè)深度為L(zhǎng)=700mm，相應(yīng)的土壤熱阻系數(shù)取? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 。

2.2電纜模型剖分設(shè)定

在正式熱分析工作進(jìn)行的過(guò)程當(dāng)中，該地區(qū)溫度梯度的變化范圍相對(duì)來(lái)說(shuō)比較小，考慮到一系列實(shí)際情況電纜模型設(shè)置刀鋒形狀為三角形。

3計(jì)算結(jié)果及分析

3.1不同不平衡度假的溫度分布

通過(guò)對(duì)該地區(qū)全面的調(diào)查分析后，本文采用對(duì)A相不平衡度 取-1～1.9進(jìn)行相應(yīng)的仿真工作。仿真結(jié)果顯示，當(dāng)電力電纜在實(shí)際使用的過(guò)程當(dāng)中，處于三相平衡這一狀態(tài)當(dāng)中的時(shí)候，電纜周邊溫度場(chǎng)的分布處于均勻的情況。與此同時(shí)，由于各方面的因素影響其溫度的梯度相對(duì)來(lái)說(shuō)比較小，當(dāng)電力電纜在實(shí)際使用的過(guò)程當(dāng)中由于各種因素的影響，僅有A相電流的時(shí)候，周邊溫度場(chǎng)的分布處于最不均勻的情況，與此同時(shí)其溫度梯度的具體數(shù)值也相對(duì)來(lái)說(shuō)比較大。而當(dāng)A相電流等于0的時(shí)候，電纜的溫度分布以及相應(yīng)的梯度處于兩者之間。在實(shí)際工作的過(guò)程當(dāng)中，當(dāng)電力電纜的載流量能夠處于最優(yōu)的配置當(dāng)中，電纜各項(xiàng)都接近90攝氏度的時(shí)候，電力電纜的電流總和處于最大值。因此， 等于0時(shí)三芯電纜的總電流為最大。

3.2不同不平衡度下的電流及損耗分析

通過(guò)一系列的計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，雖然電力電纜在實(shí)際使用的過(guò)程當(dāng)中如果處于三相平衡這一狀態(tài)當(dāng)中，相應(yīng)的總電流處于最大值。然而當(dāng) 等于0.6的時(shí)候，所對(duì)應(yīng)的損耗率卻比 等于0的時(shí)候降低了10.5%。這一結(jié)果和高壓領(lǐng)域損耗計(jì)算的結(jié)果有著非常明顯的區(qū)別。之所以會(huì)出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象，最根本的原因是由于10KV配電電纜中性點(diǎn)是處于不接地這一狀態(tài)而造成的。在這樣的情況下，現(xiàn)場(chǎng)工作人員不需要考慮中性線在實(shí)際使用過(guò)程當(dāng)中所造成的電能損耗。

4結(jié)束語(yǔ)

綜合文章上面所描述的內(nèi)容，本文以10KV三芯電纜作為實(shí)例對(duì)不平衡電流下電纜的溫度場(chǎng)分布計(jì)算公式進(jìn)行了全方面的推導(dǎo)工作，并且進(jìn)一步結(jié)合實(shí)際情況建立了排管敷設(shè)下單根電纜溫度場(chǎng)計(jì)算的數(shù)值模型，對(duì)相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了全方位的分析工作。

參考文獻(xiàn)：

[1]王航. 考慮非線性負(fù)荷的電纜溫度和載流量評(píng)估[D].武漢大學(xué)，2019.

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