110 kV電纜排管敷設下載流量變化規(guī)律研究

梁惠娟 薛云鵬 竺鵬飛

（內蒙古工業(yè)大學 電力學院，呼和浩特 010051）

交聯(lián)聚乙烯電力電纜被廣泛應用于各級電力系統(tǒng)[1]。由于交聯(lián)聚乙烯最大耐受溫度為90 ℃，XLPE電纜的載流量受到了限制。載流量過大會使交聯(lián)聚乙烯材料發(fā)生形變，影響絕緣性能，嚴重時可能引起火災。研究表明，有限元方法[2-5]能夠被廣泛應用于電纜的溫度場計算，從而確定載流量大小。但是，絕大部分情況研究的是直面情況下的電纜載流量，而排管敷設情況下的電纜載流量鮮少有研究。隨著季節(jié)的改變，電纜的運行環(huán)境也會發(fā)生改變，再加上地下恒溫層的溫度和深度不同，這會對載流量造成很大影響。針對此問題，本文研究了地表溫度、恒溫層深度和溫度等因素對電纜載流量的影響規(guī)律。

1 模型的建立

1.1 參數(shù)確定

本文選取110 kV電纜，電纜型號采用比較常見的64/110 kV-YJQ03-800 mm2，依據研究問題簡化實際電纜，只考慮電纜芯線、絕緣和電纜外皮。其中，電纜導體直徑約為35 mm，絕緣厚度和半導體總厚度約為19.5 mm，金屬外殼厚度為2 mm。

本文采用COMSOL Multiphysics軟件進行仿真，并采用固體傳熱模塊進行計算，忽略排管中的氣體流動，地表散熱采用第三類邊界條件，模擬地表溫度散熱過程。本文考慮的熱源包括有導體損耗、介質損耗和電纜的護套金屬殼的損耗，忽略渦流和環(huán)流損耗。主要考慮介質的比熱容、導熱系數(shù)和密度對溫度場的影響。電纜采用水泥排管敷設，其中水泥排管高0.5 m，長1.4 m；三孔均勻結構，孔徑20 cm，A、B、C三相電纜均勻分布在3個電纜孔中。水泥排管埋于地下1.25 m的位置，計算的區(qū)域為以水泥排管為中心左右各4 m，土壤深度為4 m的區(qū)域。

1.2 邊界條件的確定

對于模型的上邊界，即對于地面采用第三類邊界條件（熱通量邊界條件），設定相應的傳熱系數(shù)和外界溫度，分別為氣象的最高溫度40 ℃和最低溫度-30 ℃。對于深層土壤的溫度采用第一類邊界條件，本文設定下邊界深層土壤溫度為25 ℃。模型的左右邊界為第二類邊界條件，即設定成熱絕緣的邊界條件。電纜有限元模型和計算結果如圖1所示。

圖1 電纜有限元模型和計算結果示例

2 計算結果及分析

為了模擬不同環(huán)境溫度下的情況，本文設定從-20 ℃到40 ℃模擬不同季節(jié)的溫度，每隔10 ℃計算一個點。由于季節(jié)不同地下恒溫層的溫度和深度會有變化，本文將地下恒溫層的深度由4 m改成8 m，重新計算分析載流量，結果如圖2所示，并將模型的恒溫層溫度從25 ℃依次變?yōu)?0 ℃、15 ℃研究恒溫層溫度對載流量的影響，結果如圖3所示。計算不同載流量下電纜模型的穩(wěn)態(tài)溫度場，確定相應條件下的載流量。

圖2 恒溫層深度對載流量的影響

圖3 恒溫層為8 m溫度對載流量的影響

從圖2中可以看出：恒溫層的深度對電纜載流量的影響較??；在環(huán)境溫度較低時，恒溫層深度加大載流量略有增加；在地表溫度較高時，載流量隨恒溫層深度增加而略有增加。可以看出，隨著恒溫層的溫度下降載流量略有升高。圖2和圖3都能看出，隨地表溫度的升高電纜載流量呈線性下降規(guī)律。地表溫度每上升10 ℃，根據具體情況不同，載流量下降50～60 A。由此可見，地表溫度對載流量的影響比恒溫層深度和恒溫層的溫度影響大。

根據上述分析結果，通過仿真進一步分析。這里設定用轉熱系數(shù)來模擬不同類型的土壤，不同傳熱系數(shù)下溫度分布仿真結果分別如圖4和圖5所示。通過圖4和圖5可以看出，傳熱系數(shù)對電纜的溫度分布影響較小。當載流量不變、地表溫度相同、傳熱系數(shù)為20時，電纜模型的最高溫度為86.2 ℃。當傳熱系數(shù)設定為40時，電纜模型的最高溫度為86.1 ℃。在傳熱系數(shù)翻倍的情況的下，電纜的最高溫度只降低了0.1 ℃，因此可以得出結論，傳熱系數(shù)對電纜溫度分布的影響較小，可忽略不計。對應到實際工程中，在敷設電纜時，土壤的種類對電纜的散熱情況影響較小。

圖5 傳熱系數(shù)為40時溫度分布

3 提高載流量的工程措施

排管敷設電纜在運行穩(wěn)定時，其溫度分布如圖6所示。通過圖6可以直觀地看到，穩(wěn)態(tài)運行時，纜芯的溫度最高為84.3 ℃，以纜芯為中心向外的溫度逐漸降低。在實際工程應用中，降低纜芯的溫度顯得尤為關鍵，在現(xiàn)有的電纜類型中，充油電纜是較為合適的選擇。因為絕緣油的導熱系數(shù)相較于土壤和建筑物的導熱系數(shù)更高，所以對電纜的降溫效果更好。但是這種電纜面臨的現(xiàn)實問題是，其造價相對較高，在實際施工過程中，應當就現(xiàn)實問題選擇合適的電纜類型。

圖6 電纜溫度等值線

現(xiàn)有的電纜制作材料中，纜芯大多是銅和鋁，但絕緣層的種類較為寬泛，并且其環(huán)流損耗根據金屬的材質也有所不同。通常情況下，鉛、鋁護套產生的環(huán)流損耗較小。對于纜芯，較為有發(fā)展前景的是超導材料。在一定的條件下，超導材料的電阻值可以降為零，在電纜運行時不會產熱，從而可以大幅度提高電纜的載流量。

電纜間距也是影響電纜溫度的關鍵因素，電纜間距較小時不利于電纜的散熱。在上述仿真中，所構建的電纜模型間距為300 mm。通過圖4和圖5的仿真結果可以看出，3根電纜的截面圖中，中間電纜的纜芯顏色最深，兩側的電纜的纜芯顏色較淺。在工程中，應當在工程技術允許的情況下，適當增加電纜間距，一方面可以減少電纜之間磁場的相互影響，從而減小電纜間的電抗；另一方面通過增加電纜間距來增加散熱系數(shù)，能夠降低電纜運行時的溫度，提高載流量。

通過上述仿真分析發(fā)現(xiàn)，影響排管敷設電纜載流量的主要原因是地表的環(huán)境溫度。因為城市建設地下管網眾多，且縱橫交錯，所以影響地下電纜載流量的因素也隨之增多，因此環(huán)境對電纜載流量的影響是不能忽略的。例如：對于中國西北地區(qū)來說，四季的溫度變化幅度較大，因此對于供電公司來說，在夏季和冬季時需要制定較為合適的供電方案，防止用戶用電過多時造成電纜電流突增的情況，從而造成大面積停電，帶來嚴重的經濟損失。

4 結語

基于有限元仿真軟件建立了電纜載流量與溫度場的有限元模型，分析了載流量與溫度場分布情況，以及電纜載流量與溫度場的關系。地表溫度是影響排管敷設電纜載流量的主要因素，而恒溫層的深度和恒溫測的溫度對電纜載流量的影響較小。在實際工程中，應當根據實際問題選擇合適的施工方案。