线路载流量（通用7篇）
线路载流量 篇1
0 引言
电力供应短缺是经济发展的主要制约因素,因此如果能够通过一定的措施提高电力供应的容量,扩大输电线路的载流量,则可很大程度上解决电力供应短缺的问题,因此研究多条件下配网线路的载流量很有必要[1]。
本文主要从稳态热平衡模型和暂态热平衡模型的角度开展多条件下配网线路载流量的研究,在稳态热平衡模型中分析了日照因素、直流电阻、交流电阻、散热因素对线路载流量的影响;在暂态热平衡模型中分析了输电线路在发生故障,引起线路载流量变化,导致线路运行温度变化的故障状况。
1 线路载流量的分析模型
实际运行的输电线路中存在两种发热状况[2,3]:
(1)线路在稳定运行过程中产生的发热状况;
(2)线路在故障时流过很大的故障电流引起的发热状况。
针对实际运行的输电线路两种发热情况,可用稳态热平衡模型分析第一种发热状况,用暂态热平衡模型分析第二种发热状况。
1.1 稳态热平衡模型
稳态热平衡模型适用于分析输电线路在稳定运行过程中引起的发热状况。
目前,计算输电线路载流量的方法使用较为广泛的是ISO/IEC-1597中推荐的Morgan公式,该公式确定的导线热平衡方程如下[4,5]:
式(1)中:qc为单位长度导线的对流散热功率(W/m);qr为单位长度导线的辐射散热功率(W/m);qs为单位长度导线的日照吸热功率(W/m);R为温度为T(℃)时单位长度导线的交流电阻(Ω/m);I为架空导线电流。
由式(1)可知,当输电线路的温度T确定时,输电线路的载流量与导线的对流散热、辐射散热和日照吸热有关。
我国对载流量的计算考虑了日照强度、直流电阻、交流电阻、散热因素。
(1)日照强度
日照因素对输电线路载流量的影响主要表现在日照强度和日照功率的转化吸收程度。日照强度越大,日照功率的转化吸收程度越高,则日照因素的影响越大。
对于日照强度,我国DL/T5092规定晴天、日光直射吋日照强度取值为1 000 W/m2。
(2)直流电阻
输电线路的直流电阻可按式(2)所示计算:
式(2)中:Rd为输电线路直流电阻;ρ为电阻率;l为导线长度;A为导线的横截面积。
架空导线一般用多股单导线进行绞合,导致导线的尺寸结构发生改变,多股导线绞合的架空线路的直流电阻可按式(3)进行计算:
式(3)中:Rd20为多股导线绞合的架空输电线在20℃时的直流电阻;ρ20为20℃时的电阻率;λm为平均绞入系数;d为单股导线的直径;n为绞线的总股数。
由式(3)可知,多股导线绞合的架空线路的直流电阻受到导线的电阻率,导线的直径,平均绞入系数,及绞线的总股数的影响。
当架空线路建设完成后,导线的直径,平均绞入系数,及绞线的总根数就确定了,且不受其他因素影响。而导线的电阻率会受到温度的影响,其随温度变化的规律如式(4)所示:
式(4)中,α20为20℃时导线电阻温度系数;
(3)交流电阻
当导体通过交变电流时,电流集中在导体表面流过,导致导体的交流电阻会大于其直流电阻,这就是趋肤效应。导体的交流电阻与直流电阻之比ks可由式(5)计算:
式(5)中,Rs为导体交流电阻;r0为导体的半径。
由式(5)可知,导体的交直流电阻之比受到导体的尺寸结构及交流频率的影响。
(4)散热因素
导线散热是影响导线温度的另一重要原因。导线表面的辐射散热功率的计算方法为:
式(6)中,ε为导线表面辐射系数;S为斯蒂芬-玻尔茨曼常数,为5.67×10-8;D为导线外径(m);T为导线温度(℃);Ta为环境温度(℃)。
由式(6)可知,导线表面的辐射散热功率受到导线表面辐射系数,导线的尺寸结构,导线温度及环境温度有关。
目前,计算输电线路载流量的方法使用较为广泛的是式(1)所示的Morgan公式。而若采用ISO/IEC-1597推荐的Morgan公式,则需考虑的影响因素很多,需要对多个参量进行综合确定,不利于其在现场的实际运用。因此,国际上对式(1)所示的Morgan公式进行了简化,以适应于多条件下的载流量的计算。简化Morgan公式如式(7)所示:
其中,qc=9.92(T-Ta)(VD)0.485;qs=αsIsD。
式中,V为风速(m/s);D为导线外径(m);αs为导线吸热系数;Is为导线的日照强度(W/m2);
式(7)适用的条件如表1所示。
考虑到导线通过交变电流时的趋肤效应,导线的交流电阻可采用式(8)计算:
式中,l为趋肤效应系数;Rd20为导线20℃时的直流电阻;α20为20℃时导线电阻温度系数。
考虑到导线通过交变电流时的趋肤效应,导线的交流电阻可采用式(8)计算:
式(8)中,l为趋肤效应系数;Rd20为导线20℃时的直流电阻;α20为20℃时导线电阻温度系数。
我国现行应用的载流量标准利用式(7)所示的简化Morgan公式计算的,其应用条件如表2所示。
1.2 暂态热平衡模型
暂态热平衡模型是用来分析线路在故障时流过很大的故障电流引起的发热状况。线路在稳态运行时发生故障引起电流骤升,流过运行导线的电流从之前的稳态电流跃迁到故障大电流,在这个过程中,导线的运行温度会随着电流的变化而发生变化,直至趋于另一个稳态温度。运行导线由于故障引起的温度变化是暂态过程,因此用暂态热平衡模型进行分析[6]。大中型截面的导线发热时间常数多在10~15分钟[7,8]。运行导线由于故障引起载流量变化,进而引起温度变化的暂态过程由暂态热平衡方程表示为[9]:
式(9)中,m为单位长度导线的质量(kg/m);Cp为导线综合热容系数或综合比热容(J/(kg·℃));t为时间(s)。
由式(9)可知,暂态过程的热平衡状态受单位长度导线的对流散热功率,单位长度导线的辐射散热功率,单位长度导线的日照吸热功率,单位长度导线的质量及综合比热容的影响。当其中某个因素发生变化时,热平衡状态即被打破,导致温度变化。
由以上分析可知,暂态热平衡模型可用来分析输电线路在发生故障,引起线路载流量变化,导致线路运行温度变化的故障状况。
2 多条件下的导线载流量情况分析
2.1 载流量计算的边界条件
不同国家计算载流量的方式并不相同,根据自身的环境条件选取不同的载流量计算的边界条件。主要考虑的参考因素有:环境温度、风速、日照强度、吸热系数、辐射系数及导线温度。典型国家选取的载流量计算的边界条件如表3所示。
2.2 环境因素对导线载流量的影响
在选取了载流量计算的边界条件后,分析环境因素对导线载流量的影响。采用控制变量法分析日照强度、风速及环境温度对导线载流量的影响,即固定某个影响变量,其他的影响因素按照选取的边界条件保持不变,单独分析某个因素对载流量的影响情况。
选择的样本为钢芯锅绞线LGJ400/35的参数为例进行分析。其相关参数取值如表4所示。
(1)日照强度对载流量的影响
当日照强度发生变化,其他环境因素按照选取的边界条件保持不变时,载流量的变化情况如图1所示。
由图1可知,随着日照强度的上升,导线载流量呈现下降趋势。
(2)风速对载流量的影响
当风速发生变化,其他环境因素按照选取的边界条件保持不变时,载流量的变化情况如图2所示。
由图2可知,随着风速的增加,导线载流量上升。
(3)环境温度对载流量的影响
当环境温度发生变化,其他环境因素按照选取的边界条件保持不变时,载流量的变化情况如图3所示。
由图3可知,随着环境温度的上升,导线载流量呈现下降趋势。
3 结论
本文主要从稳态热平衡模型和暂态热平衡模型的角度开展多条件下配网线路载流量的研究,在稳态热平衡模型中分析了日照强度、直流电阻、交流电阻、散热因素对线路载流量的影响;在暂态热平衡模型中分析了输电线路在发生故障,引起线路载流量变化,导致线路运行温度变化的故障状况。
在确定了各国载流量计算的边界条件的同时,分析了日照强度、风速及环境温度对导线载流量的影响:
(1)随着日照强度的上升,导线载流量呈现下降趋势;
(2)随着风速的增加,导线载流量呈现上升趋势;
(3)随着环境温度的上升,导线载流量呈现下降趋势。
摘要：根据现有输电线路实际情况,充分挖掘配网线路载流潜力,可在用电高峰期和线路故障等情况下提高线路输送能力。主要从稳态热平衡模型和暂态热平衡模型的角度开展多条件下配网线路载流量的研究,在稳态热平衡模型中分析了日照强度、直流电阻、交流电阻、散热因素对线路载流量的影响;在暂态热平衡模型中分析了输电线路在发生故障,引起线路载流量变化,导致线路运行温度变化的故障状况。在确定了各国载流量计算的边界条件的同时,分析了日照强度、风速及环境温度对导线载流量的影响,结果表明:随着日照强度的上升,导线载流量呈现下降趋势;随着风速的增加,导线载流量呈现上升趋势;随着环境温度的上升,导线载流量呈现下降趋势。
关键词：配网,多条件,载流量,热平衡模型
参考文献
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电缆长期允许载流量的影响因素 篇2
关键词：电缆,长期允许载流量,影响因素
0 引言
随着我国经济的迅猛发展,城市化建设的推进,各种市政基建工程不断展开,电缆作为输电媒介得到了越来越广泛的应用。由于是采用理论数据设计电缆回路,而实际运行中表现出的载流量往往和电缆回路的理论载流量有较大差异,因此对运行电缆的载流量在不同条件下的变化情况进行准确快速的计算分析,对提高电缆的容量利用率,以及电力系统安全、可靠、高效运行有着很重要的意义。
1 载流量的计算
载流量是指在规定条件下,电缆导体能够连续承载而不致使其稳定温度超过规定值的最大电流,是电缆安全运行过程中非常重要的动态参数之一,涉及到输电线路的安全可靠、经济合理的运行以及电缆使用寿命等问题。
当电缆长期负载电流达到稳态后,电缆各部分产生的损耗热量继续向周围媒质散发,因电缆各部分及周围媒质都存在热阻,热流将使这些部分的温度升高;当各部分温度升高使导线的温度等于电缆最高允许长期工作温度时,则负载电流为电缆的长期允许载流量,其理论计算公式如下［１－３］:
式中θ为电缆最高长期工作温度,单位为℃;θａ为环境温度,单位为℃;Wｄ为单位长度电缆每相的介质损耗,单位为W/cm;n为电缆的芯数;T１,T２,T３,T４分别为单位长度电缆的绝缘热阻、衬垫热阻、外被层及外部热阻,单位为℃·cm/W;r为电缆导线交流电阻,单位为 Ω/cm;λ１,λ２分别为电缆金属护套及铠装层的损耗系数。
2 载流量的影响因素
影响电缆长期允许载流量的因素非常之多,本文仅针对几种典型影响因素进行分析。
2.1 材料因素
2.1.1 导体材料
电力电缆常用的导体材料有铜和铝两种,其中铜20 ℃最大电阻率为0.017 241Ω·mm２/m,铝20℃最大电阻率为0.027 59Ω·mm２/m。电阻R计算公式为:
式中ρ为导体电阻率,L为导体长度,S为导体截面积。由式(2)可知,当导体截面积相同时,单位长度的导体电阻铝是铜的1.6倍。根据式(1),电缆的长期允许载流量与导体电阻成反比,即长期允许载流量随电阻增大而减小,故导体截面相同时,单位长度的电缆在相同的状态、参数下运行,导体材料电阻率越大,电缆的长期允许载流量越小;导体材料电阻率越小,电缆的长期允许载流量越大。
2.1.2 绝缘及其它材料
在电力电缆中,电缆最高长期工作温度是由绝缘材料决定的,而绝缘材料的热阻系数是衡量材料温度等级的重要参数之一。绝缘热阻T１、衬垫热阻T２及外被层T３热阻的计算通式为:
式中Gｉ为热阻系数;Dｉ为外径;dｉ为内径;下标i=1,2,3时分别为绝缘、衬垫、外被层。由式(3)可知,电缆各部分的热阻与材料的热阻系数成正比,即电缆各部分的热阻随材料的热阻系数增大而增大。根据式(1),电缆的长期允许载流量与电缆各部分材料的热阻系数成反比,即电缆的长期允许载流量随着电缆各部分材料的热阻系数减小而升高。在选择电缆绝缘、护套及其他辅助材料时,应选择热阻系数小的材料。 表1 为电缆各部分常用材料的热阻系数［４］。
2.1.3 提高方法
为了提高电缆长期允许载流量,电缆的导线应选择电阻率较小的材质(如优质铜),降低导线本身的阻抗;绝缘、护套及其他辅助材料应选择热阻系数小、温度等级高的材质(如交联聚乙烯),降低各部分的热阻。这种从材料方面直接改进的方法,可明显提高电缆长期允许载流量。
2.2 敷设因素
电力电缆的敷设是一项复杂的系统工程,在敷设过程中需考虑城市电网的未来发展状况,其敷设方式多种多样,常见的有直埋敷设、电缆沟敷设、电缆隧道敷设以及排管敷设等。在选择敷设方式时,应充分考虑电缆的敷设环境、经济性、可靠性、载流量以及检测性等因素的影响。
电缆敷设方式对其长期允许载流量的影响,本质上是通过热传递来实现的。通常热传递的方式可分为传导、对流、辐射三种。传导发生在温度不同的两个相互接触的物体或同一个物体各部分之间,其特点是物体各部分之间不发生相对位移,依靠粒子的热运动进行热量传递;对流仅发生在流体中,工程上常常发生的是对流换热,即流体流过另一与之温度不同的固体表面,通过对流和传导联合作用,使流体与固体表面发生热量传递;辐射是通过电磁波传递能量,在产生能量转移的同时,还伴随着能量转化,即发热时从热能转为辐射能,吸收时从辐射能转为热能。
电缆任何一种敷设方式都是通过上述一种或多种热传递方式影响电缆自身温度,从而影响电缆长期允许载流量。例如直埋敷设时,电缆直埋于土壤中,电缆导体因存在阻抗而在通电后产生热量,热量随着电流的增大而增加,当热量积聚到一定程度时,开始向绝缘、护套等材料以及外部土壤进行传导和辐射;随着电流的增大和时间的推移,电缆导体产生的热量逐渐增多,热量通过传导和辐射以一定的效率在一定范围内进行传递;若电缆导体产生的热量不能及时传递,就会引起电缆导体表面温度急剧升高,破坏绝缘、护套等材料,存在安全隐患,严重时会引发重大事故,造成损失。
为了提高电缆长期允许载流量,在电缆敷设时,应对敷设环境加以优化,创造良好的散热条件,例如填充膨胀土、降阻沙,或者利用天然的地下水,降低环境温度,从而达到降低热阻系数,加快散热;采用布局最合理的电缆的排列方式,以减少电缆与电缆之间相互影响散热。这种从敷设方面直接优化的方法,是目前工程中提高电缆长期允许载流量应用最广的方法。随着时间推移,电缆敷设后所处的环境可能日益复杂,各种热力管道纵横交错、土壤水分含量变化大、空气日夜温差大、外部热源多、电缆排列方式混乱等,这些均会严重影响电缆的正常运行。针对电缆各种变化的运行环境,必须从改善电缆散热条件着手,提高电缆的长期允许载流量。
2.3 安装因素
电缆线芯连接一般采用围压和冷连接工艺,在电缆安装的导体压接环节,导体截面、接线端子、压模的配合度成为压接作业的关键步骤,任何一件的不配套,都将产生不良后果。过盈配合,会导致接触电阻过大;过紧配合,会压印不均匀,产生凸边。在保证电缆线芯与接线端子连接后的机械强度前提下,应对连接后的线芯导体直流电阻进行控制,确保导体的损耗在正常范围内,能在额定载流量下,避免过热。为了提高电缆长期允许载流量,在电缆安装阶段,应对主要工序加以改进和控制,例如在导体与接线端子压接时,确保足够的接触面积和压强,降低电缆阻抗产生的损耗。这种从安装方面进行控制的方法,也是目前工程中提高电缆长期允许载流量应用广泛的方法。
3 结论
线路载流量 篇3
关键词：海缆,采油平台,载流量,温度场建模
0 引言
为了确保光电复合海缆的使用寿命,预防海缆发生过热故障,业界制定了最大载流量来保证其寿命和可靠性,且海缆的长期最高工作温度不能超过90℃[1]。海缆的载流量与其导体温度有着密不可分的关系,想要最大限度地发挥海缆传输电能的能力,需在不超过其长期工作温度的情况下,尽量提高工作电流(即载流量),因此载流量的计算有着重要的意义。
1 载流量计算现状
1985年,IEC (国际电工委员会)发布了标准60287来计算电缆的载流量[2],但该标准只能对特征代表性下运行状态的载流量进行计算。为解决这一问题,人们通过有限元建模软件模拟电缆结构进行温度场建模来获取其载流量。 相较于标准IEC60287,该方法可以对复杂多样的敷设环境进行模拟,突破了它的局限性。
求解载流量的数值计算方法有两种,即有限差分法[3]和有限元法[4]。有限差分法需对每一个节点写出微分方程,并且在处理偏微分方程上,使用差分方程代替,由此建立线性方程组。有限差分法在处理简单问题上效率很高,历史上最初采用此方法来解决简单几何形状中的流动与换热问题。
相较于有限差分法,有限元法更适合处理复杂边界条件及多载荷的情况。随着计算机技术的普及,有限元分析在热传导、电磁学和应力分析等工程应用中崭露头角,许多大型的有限元分析软件也应运而生,如ANSYS、ABAQUS等。本文将介绍一种利用ANSYS软件计算载流量的方法[5]。
2 有限元建模计算载流量
有限元建模计算载流量的主要步骤如下:根据海缆结构参数与敷设环境,建立复合海缆几何模型;输入海缆各组成材料的物理性能参数;对海缆进行网格划分,建立复合海缆的有限元模型;根据海缆的敷设环境条件,设置环境温度取值范围为[T1,T2],温度间隔为 ΔT;对流换热系数的范围为[h1,h2],间隔 Δh;设定初始环境温度T为T1,初始对流换热系数h为h1;设定海缆工作电流I的初始值为I0;输入I、T和h,通过ANSYS软件建模获取温度场分布[6],得到光纤温度T0与导体温度Tc;判断|Tc-t|是否大于ε,t为海缆绝缘材料允许持续工作的最高温度值,ε为实际工程所允许的误差;判断Tc-t是否大于0,并根据结果调整I0值;取最后符合条件的工作电流I为此环境条件下的载流量Iz。
上述方法有效地解决了标准IEC 60287的局限性,能够根据季节和环境变化灵活地计算海缆的载流量,最大限度地发挥其传输电能的能力。但建模所用的海缆组成材料参数、环境温度以及对流换热系数等边界条件的不准确均会导致误差,虽然环境温度、对流换热系数等因素均为变量,但可通过外接仪表测得,因此获得准确的海缆组成材料参数至关重要。
3 参数修正算法
3.1 参数选取及修正条件
在温度场建模中,海缆材料的物理性能参数主要包括:材料密度、材料比热容和导热系数,其中导热系数对热稳态分析结果影响较大。
考虑到边界条件以及材料参数过多导致的复杂性,首先选取对结果影响较大的填充层以及外披层的导热系数进行误差分析,暂时忽略影响较小的其他因素。 填充层导热系数取值范围为[0.135,0.315](单位为W/(m·℃)),在其他条件一定的情况下,改变填充层的导热系数K ,通过ANSYS建模输出结果,得到光纤温度T 。
令T =f(K),实际光纤温度值为T0,则修正参数的条件为:判断|T-T0|的值是否在允许误差范围内,误差限为ε,若|T-T0|≤ε,则K为准确值;若|T-T0|>ε,则修正K值,重新建模获取新的T值,重复上述步骤,直至|T-T0|≤ε。
由于T =f(K)的具体形式无法得知,可通过建模获取各个节点的函数值来修正参数,其参数修正流程图如图1所示。
3.2 弦截法
令g(K)=f(K)-T0,上述问题可转化为求解方程g(K)=0时的解。考虑到f(K)的未知性,利用弦截法进行迭代求解[7]。
利用f(xk)、f(xk-1)构造一次插值多项式p1(x),并用p1(x)=0的根作为f(x)=0的新的近似根xk+1。由于
式中,xk、xk-1为f(x)=0的近似根,因此弦截法的迭代公式为
式中,xk+1为迭代后近似根,其弦截法几何意义如图2所示,曲线y=f(x)上横坐标为xk、xk-1的点分别记为Pk和Pk-1,则弦线的斜率等于差商值
因此,按式(2)求出的xk+1实际上是与x轴交点的横坐标。
若设每次修正后的参数为Ki(i=0,1,2,…),迭代形式如下:
式中,Ki+1为修正后参数值,f(Ki)为Ki时的建模温度值,T0为实际温度值,g(Ki)为建模输出温度与实际温度之差。由于参数在允许的误差范围内即可,因此只需要当|f(Ki)-T0)|≤ε时,即可停止迭代。
3.3 利用分布式光纤传感技术获取光纤温度
进行参数修正的标准即建模获取的光纤温度与实际测得的光纤温度值是否在误差范围内。而获取光纤温度的实测值需要用到分布式光纤传感技术,目前分布式光纤传感器主要有拉曼光纤传感器和布里渊光纤传感器两类,其中,布里渊散射对温度的灵敏度较高,散射强度较强。因此实验采用BOTDA(布里渊光纤时域分析)技术对温度进行测量[8]。
3.4 实验结果及分析
在实验室中,设置水槽温度即环境温度为20 ℃,通过大电流发生器调节输入电流,分别对工作在500和700A电流下的海缆进行分析。对于导热系数初始值,在[0.135,0.315]范围内随机选取,实验中选取K0=0.15,误差限ε=0.01℃。分别用f1(K)、f2(K)表示500和700A电流下的光纤温度T值,对应光纤实际温度分别为19.378、22.169 ℃,代入式(2)得到迭代表如表1和表2所示。
可以看出电流在500和700A的情况下,迭代两次即可达到精度要求,误差在0.01℃以下。数值准确的收敛于0.210 W/(m·℃)。表3 为参数修正前后以及实际光纤温度数据表。在其余边界条件稳定的情况下,将修正后和修正前的数值分别代入ANSYS建模分析,并通过MATLAB软件做出不同导热系数下光纤温度T与电流I的散点图,对比实际温度做误差分析。修正前后数据表及散点图分别如图3、图4所示。
由图3、图4可看出,当输入电流较低时,填充层的导热系数对温度影响较小,随着电流增大,误差也不断增大。而参数修正后,误差也随着电流的增加而增加,但上升速度比修正前有明显的降低,当电流增加到1 000A时,误差依然稳定在较小值。验证了该参数修正方法的有效性。
利用得到的新参数值建立复合海缆几何模型,进行温度场建模,获取光纤温度与铜芯温度的映射表。依据有限元建模计算载流量的方法可得到更为精确的值。
4 结束语
利用有限元建模和BOTDA实测海缆光纤温度数据,采用弦截法迭代修正得到的参数值,通过与实际数据对比,进行误差分析,验证了该算法的有效性。该算法能够提高海缆载流量计算的准确性,且易于实现,能够更好地保障海缆高效、安全地运行。
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线路载流量 篇4
目前应用于国内外轨道交通的架空接触网分为柔性接触网和刚性接触网两大种类, 而柔性接触网又按照悬挂系统的导线组成形式分为简单悬挂、弹性简单悬挂、简单链形悬挂、弹性链形悬挂、复链形悬挂等几种形式, 其中弹性链形悬挂和复链形悬挂主要应用于国外高速电气化铁路, 而应用于城市轨道交通的架空接触网类型通常按照不同的使用场合分别采用简单悬挂、弹性简单悬挂、简单链形悬挂和刚性悬挂几种类型。
本文主要针对轨道交通工程正线区间常用的简单链形悬挂接触网及其组成导线 (接触线、承力索、并联馈线) 进行载流量计算分析。
2 接触网组成
简单链形悬挂接触网的组成主要包括接触线和承力索, 对于大运量轨道交通线路, 一般还增加并联馈线以提高整个接触网系统的载流量, 满足高行车密度的列车授流需求。接触线常用银铜合金或镁铜合金导线, 承力索和并联馈线一般为硬铜绞线, 上述导线截面基本分为120mm2、150mm2两种, 但各导线数量不尽一致, 需要根据列车牵引电流大小确定。以深圳地铁龙华线二期接触网为例, 正线接触网组成具体如下表1所示:
3 单根导线载流量计算方法
单根导线载流量计算主要参考IEC1597-1995⑴, 根据导线的电气参数及运行环境工况计算, 按照不同运行环境分为地下区段、地面及高架区段。详细环境参数如下:
3.1接触线载流量计算
以接触线为例, 示范计算在地下区段, 持续运行工况下的导线载流量。
1) 接触线结构及电气参数
接触线规格:AC120 (Cu Ag0.1)
接触线计算截面A:121mm2, 考虑磨耗A′=A· (1-20%) =96.8mm2
接触线外径Dc:12.9mm, 20℃电阻率
电阻温度系数α:0.003811/K, 导线体积热容系数σc:3.45·106J/K.m3
2) 持续载流量
接触线的持续载流量 (即额定载流量) 即是已知环境温度和给定的接触网线工作温度下的最大稳态电流。
(1) 最高工作温度下交流电阻
20℃时直流电阻
最高工作温度时直流电阻:
R'=R20·[ (1+α· (θc-20) ], R'=2.745×-4Ω/m
最高工作温度下交流电阻:
R=R'· (1+Ys) =2.748×10-4Ω/m
(2) 接触线吸收的太阳辐射热能Ps, Ps=γ·Dc·Si=6.45×10-3
(3) 接触线表面辐射传热散发到周围空间的热能Pr
(4) 接触线表面对流传热散发到周围空间的热能Pc
由于自然风的存在, 以强迫对流方式散热
参照上述计算方法, 可以得到承力索及并联馈线在不同运行环境下的持续载流量。3) 接触网总载流量计算方法
整个接触网由不同导线组成, 各导线的材料、规格、阻抗及工作温度均不同, 因此, 流过各导线的负荷电流也就不尽一致。接触网总载流量是根据上节得到的单线载流量值换算而得到, 主要原理是依据并联导线的电流分配与电阻成反比的关系⑵。
总载流量的折算公式如下。
折算公式:
其中:Ita, Itb--不同导线折算得到的接触网总载流量 (A)
Ia--接触线 (AC120) 载流量 (A) , Ib--铜绞线 (JT150) 载流量 (A)
Ra--接触线 (AC120) 单位电阻 (Ohm/km) , 考虑20%磨耗和温升ΔQ
Rb--铜绞线 (JT150) 单位电阻 (Ohm/km) , 考虑20%磨耗和温升ΔQ
Rt--总电阻 (Ohm/km) , Rt=Ra·m+Rb·n (n、m分别为Ra、Rb导线根数)
由于各导线的最高工作温度不同, 因此, 接触网总载流量应取最高工作温度较低的导线所折算得到的数值, 即It=min (Ita, Itb) 。
根据上述持续载流量, 折算得到地下、地面及高架接触网的总载流量, 分别为3025A及2562A。
结语
通过本文介绍的计算方法, 可以得到接触网各组成导线的理论载流量值, 根据列车牵引电流要求核算, 确定接触网类型及导线数量, 为后续设计奠定基础。
参考文献
[1]IEC1597-1995, Overhead electrical conductors-Calculation methods for stranded bare conductors.
线路载流量 篇5
本文介绍2005年厦门电业局和北京兴迪仪器公司联合研究开发的电缆表面温度监控和实时载流量计算系统(型号为CTM4000,下称光纤测温系统)。
1 光纤测温系统概述
光纤测温系统包括电缆表面温度监测系统和电缆导体温度计算、载流量计算软件两部分,其中电缆表面温度监测系统采用分布式基于光频域反射法的OFDR光纤测温技术,可以做到在线实时、全程监测电缆表面温度,并记录电缆表面温度变化情况,当出现电缆表面温度异常时发出报警信息。通过对电缆温度的监视,随时掌握电缆的运行温度,既可避免电缆在过载的情况下长期运行,又可根据运行的温度及时调整电缆的负荷。电缆导体温度计算、载流量计算软件部分,采用国际标准中的计算方法,可以通过电缆表面温度计算出电缆导体温度,再通过电缆导体温度计算载流量,进而对电缆最大负荷做出预测,为电力调度提供技术依据,提高电缆的传输能力,发挥电缆的最大潜力。
2 光纤测温系统基本工作原理及构成
光纤测温系统采用分布式光纤测温技术,所用温度测量控制系统采用的是光频域反射法(OFDR)。OFDR系统只有在整个测量时间内当所探测到的背散射信号被测出是频率的函数的复杂形式,并且符合傅立叶变换,才会提供局部特性的信息。OFDR技术的最大优势是准连续波长的激光探测模式,可以获得比传统的脉冲技术更高的信噪比。这一技术优势使系统可以用半导体激光二极管和电子器件进行组装可以用作信号均衡。快速傅立叶变换(FFT)计算对电子器件有更高的线性要求。
光纤测温系统由测温系统、载流量分析与计算软件两部分构成。其中测温系统包括测温光纤(光纤有3个通道,其中两个是测量通道,一个是参考通道,从两个测量通道得到的幅值关系即可得到沿传感器电缆的光纤温度)、多路光转换开关带激光光源的控制器、工业计算机与相应的软件。光纤测温系统接入TCP/IP办公网络。在每个相关人员的电脑上安装光纤测温软件,相关人员可以通过测温软件监测电缆的实时温度,并使用测温软件的所有功能。
系统从调度自动化系统Web发布的数据中获取被测电缆的电流数据,以提供给载流量分析计算软件,进行载流量分析计算。光纤测温载流量分析计算软件是基于客户端/服务器(Client/Server,C/S)结构的软件系统,整套软件运行在由当地(变电站)和远程计算机组成的计算机网络系统上。光纤测温的计算机网络系统的示意图如图1所示。
3 光纤测温系统特点及其验证
3.1 温度测量及定位精度高
OFDR是20世纪90年代以来一项新技术,它将调制接收到的频谱。光纤测温系统应用这一技术,使系统技术指标可以达到:空间分辨率为±1 m;温度分辨率为±1℃。
为了验证上述指标,我们在武汉高压研所院(下称武高院)做了比对试验。试验按照《Q/MYXDY001—2006线型分布式光纤感温火灾探测系统》进行,其中5次试验的数据见表1。从表1可知,在90℃范围以内温度测量精度不超过±0.9℃;空间定位精度不超过±0.8 m。
在测量电缆的表面温度时,我们发现,本光纤测温系统的温度测量数据与标准温度计测得的数据有一定的偏差。经分析可知,在电缆表面的温度接近环境温度时,二者的测量误差在±0.5℃以内,电缆表面的温度越高,二者的测量误差越大,误差值与电缆表面温度成正比的线性关系。这是由于电缆表面与周围的介质(环境)存在一定的温差,从电缆表面到周围的介质形成了一定的温度梯度所致,造成电缆表面温度越高,光纤测温系统的测量数据越来越偏低。但在本光纤测温系统的使用中,由于光纤测温的测量误差的数值变化与电缆表面的温度化基本成线性关系,所以对光纤测得有偏差的温度数据,可以用线性拟合处理进行修正。电缆的实际敷设情况为排管、直埋、隧道等情况时,电缆周围介质的(环境)空气对流相对很弱,电缆表面与周围介质(环境)形成的温度梯度很小,此时可以忽略周围介质(环境)的影响,可以认为光纤测温测得的温度数据就是电缆表面的温度。随着电缆制造技术的发展,测温电缆也可以直接埋入电缆金属护套和绝缘外屏蔽之间。
3.2 载流量计算准确性高
为验证光纤测温系统温度监测和载流量计算结果的准确性,武高院对该系统做了长达两个月的比对试验。试验所用的电缆与现场敷设的电缆完全一致。试验回路如图2所示。
3.2.1 恒定电流的稳态温度试验
在试验电缆中施加不同的恒定电流,待电缆达到热稳态状态后,由武高院试验测得的和由光纤测温系统测得并计算得到的电缆的表面温度及电缆导体温度,见表3和图3。
3.2.2 单芯载流量预测试验
电缆环境温度为26.6℃,计算稳态载流量取2 250 A(导体允许温度为90℃)。实际测量结果见表4。
3.2.3 紧急负荷运行时间预测比对试验
初始条件:试验电缆施加80%的负载电流(1800 A),电缆运行达到热稳定状态。
紧急状况:将试验电缆上的电流增加到2 540A,根据光纤测温系统计算,3 h后电缆导体温度达到电缆导体最大允许温度90℃。
试验结果见表6。
通过上述试验,表明该系统载流量分析软件的导体温度计算模块、载流量计算模块、紧急状态负载计算模块,其计算结果与试验结果基本一致。可以对电缆线路运行的状态进行监测,以掌握其运行情况,为电力调度和电缆线路的选择提供依据。
4 系统应用情况
本光纤测温系统首先在厦门电业局应用,测温系统主机安装在220 kV厦禾变电站。测温系统通过网络,可从多台客户端计算机上查看电缆的实时温度曲线。系统每天以短信方式定时将每条电缆的最高温度和发生的区域发送给电缆维护人员,有效地提高了工作效率。目前该系统监测厦禾变电站220 kV电缆2回(2 572、2 586 m),110 kV电缆1回(2 583 m),10 kV电缆1回(300m),运行稳定。2006年经福建省科委和福建省电力公司鉴定,该科技成果为国内先进科技水平。
2007年11月2日以来,厦门电业局运行人员通过光纤测温系统每天定时收到的温度短信,发现220kV禾半Ⅱ回线路30号接头工井处(距厦禾变电站2 020 m处)电缆的表面温度开始缓慢持续上升,维护人员开始关注这一区域的温度异常变化。11月7日开始,电缆表面温度上升加快,至11月12日晚6时,30号接头井内电缆表面温度已达48℃。该线路的全线温度曲线、历史温度曲线、30号接头井温度报警等,都在计算机上显示出来。
11月13日,送电部立即派特巡人员赶赴现场,打开井盖后发现30号接头工井内积水严重,水温异常,初步判断为交叉互联接地箱进水引起的短路发热。立即组织进行抽水处理,此时电缆的表面温度已达到设定的报警温度58℃,接头井表面水的水温竟高达84℃。
图4为计算机显示的从11月13日10时到11月14日18时本次抢修过程电缆表面的温度曲线。从以上抢修期间的温度分析说明,分布式光纤温度监测技术具有高精度、高分辨率的特点。我们从温度的变化曲线上甚至可以看出午餐时间和夜间休息时间。本次抢修过程中,厦门电网正好处在非正常运行方式下,禾半Ⅰ回线路和禾半Ⅱ线路回负荷电流达到560 A,为了确保电缆不至于因过热而发生热击穿,也曾考虑过对电缆停电,但这样势必造成大面积限电。当时,正因为有了这套系统,经分析和计算,确定抢修过程不会使电缆导体温度超过90℃,因此始终坚持带电处理,避免了停电损失。
5 结语
分布式光纤测温系统具有稳定、可靠、操作简单、使用方便、测温精度高、过热点位置测量准确等特点,运用在电缆线路运行监测上可以使我们对整条线路的状态一目了然,对过热点心中有数,可以有效预防重大事故的发生。基于分布式光纤测温技术开发的电缆表面温度监控和载流量计算系统,能提高电缆运行维护和检修效率,能充分利用电缆的输送能力而减少不不要的投资。在紧急情况下,依靠该系统可以帮助调度人员确定在当前紧急负载电流下电缆能安全运行的最长时间,防止电缆出现过热而损坏或加速老化,保证了供电的安全,同时也可以避免不必要的停电损失,从而产生了巨大的经济效益和社会效益。
参考文献
[1]彭超，杨黎明，赵健康．分布式光纤测温技术在电缆线路上应用技术研究[C]．CIGRE中国国家委员会D1专家组第一次工作会议，论文集．
[2]肖传强．分布式光纤温度监测系统[C]．全国电力电缆运行监测与试验技术研讨会资料．
线路载流量 篇6
1 模型的建立与计算原理
1.1 模型的建立
三芯电缆的结构如图1所示, 由3根导体、绝缘层组成的圆柱体互差120°对称排列, 然后再包以包带、内护层、铠装层、外护层, 并在中间间隙加填充层支撑。
1-线芯;2-绝缘层;3-金属屏蔽;4-填充层;5-内护层;6-铠装层;7-外护层
利用有限元法能任意布置结点和网格的特点, 把计算区域分成一系列元体, 在每个元体上取数个点作为节点, 然后通过对控制方程做积分来获得离散方程。用有限元方法中三角形单元格对三芯电缆内部进行划分如图2所示。
三角形单元可以很好适应电缆各层圆形的边界形状。可以灵活改变三角形单元的形状和尺寸:在形状复杂和温度变化剧烈的地方把单元划分小些, 而在其余地方把单元适当放大一些。这样就可以在不增加单元和节点数量的条件下提高计算精度。
1.2 计算原理
为了准确计算建立的三芯电缆温度场数学模型, 可通过其结构与热源给出单值性条件:
1) 几何条件。给出导热过程中的物体大小和形状。如果是各向同性质的材料, 还应给出主轴方向的导热系数。
2) 物理条件。确定物质之间各种关系的物性量的值, 例如有无内热源的大小和分布情况, 随温度变化的函数关系等。
3) 时间条件。描述导热过程在时间上的特点。对于稳定状态过程中不需要时间条件;而对于非稳定状态过程, 则要给出初始温度分布状况, 可称为初始条件。
4) 边界条件。表述在区域边界上导热发展过程的特点。
第一类边界条件是指已知边界温度, 即
式中:Г为积分边界条件, Tw为已知边界温度, ℃。
第二类边界条件是指已知边界法向方向的热流密度, 即
式中:λ为导热系数, W/ (m·℃) ;q为热流密度, W/m2。
第三类边界条件是指已知对流换热系数和流体温度的对流边界条件, 即
式中:h为对流换热系数, W/ (m2·℃) ;Tf为流体温度, ℃。
利用加权余量法对三类边界条件进行处理, 本文采用加权余量法中的Galerkin法对方程三类边界条件进行处理变换, 得出相应的线积分方程为
式中:Wl为加权函数, l=i, j, m;e为平面温度场的定义域。
有限元法计算的最终结果是要求出域中的温度场分布。把域划分有限个三角形单元以及n个节点, 并把温度场离散到这n个节点上, 通过总体合成求出节点上的温度值。对整个区域进行总体合成得
kij、Pi可利用三角面积积分进行求解, 其中i=1~n, j=1~n, n为剖分节点。最后利用迭代法或高斯消去法迭代求解, 就可以得到在温度场上每个节点的温度值。
1.3 缆芯发热率计算
计算温度场的分布, 就需要知道热源的发热率。电缆的主要热源有导体交流损耗、绝缘层介质损耗和金属套涡流损耗。
单位长度 (m) 电缆线芯损耗为
式中:S为热流密度, W/m;I为电缆中通过的电流, A;R为单位长度 (m) 电缆线芯的有效电阻, Ω/m。
单位长度线芯的有效电阻R一般可以采用如下方程计算:
式中:R'为单位长度电缆缆芯在θc℃时的直流电阻, Ω/m;ys为集肤效应系数, 即由于集肤效应线芯电阻增加的百分数;yp为临近效应系数, 即由于临近效应线芯电阻增加的百分数。
式中:R0为单位长度电缆缆芯在20℃时的直流电阻, Ω/m;α20为线芯导体材料以20℃为基准时的电阻温度系数, 1/℃ (对于铜导体为0.003 93, 铝导体为0.004 03) ;θc为线芯温度, ℃。
2 方法验证
采用文献[7]中提供的三芯电缆稳态实验数据来验证算法的准确性。文献中实验电缆为35 k V电压等级, 导线电缆芯标称截面240 mm2, 导体半径9.2 mm, 其他结构参数如表1所示。
在文献相应条件下 (土壤温度为20℃) , 应用本文计算方法计算三芯电缆的线芯温度值, 与其实验数据进行对比, 具体如表2所示。
从表2中可知, 本文计算结果与试验数据基本一致, 误差不超过5%。
3 结语
以直埋三芯单根电缆为例, 建立了其载流量及温度场计算的有限元模型, 通过计算得到的数据与试验数据对比, 说明采用有限元方法分析电力电缆载流量及温度场是可行的。而且利用此方法可以很好适应电缆各层圆形的边界形状进行划分网格, 计算精度高。同时, 能较好地模拟分析各种复杂工况下电力电缆的载流量及温度场, 确保电缆在安全温度范围内工作, 对电缆的敷设和运行具有指导意义。
摘要：针对直埋方式的三芯交联聚乙烯 (XLPE) 电力电缆利用有限元法能任意布置结点和网格的特点, 建立了地下电缆温度场计算模型, 阐述了其计算原理。通过实例计算结果与实验数据对比表明, 采用有限元法分析电力电缆载流量和温度场切实可行, 且计算精确度高。
关键词：三芯电力电缆,有限元法,温度场,载流量
参考文献
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线路载流量 篇7
随着城市电网的发展,交联聚乙烯电力电缆(简称XLPE电缆)在增加城市美观的同时,也增强了送电的可靠性,因此,中国的各大城市都在努力提高电缆地下化率,各种电压等级的电力电缆的数量正在增加,电缆的敷设形式也日益复杂[1,2,3]。由于电力电缆的大量使用,而地下空间有限,电缆沟敷设方式被广泛使用。
试验研究表明,电缆载流量与其导体温度密切相关,所以根据电缆导体温度准确确定其载流量,对于提高电缆的输电能力、加强电网的安全以及节约社会资源等方面都是十分必要的[4,5]。目前,国内外对电缆载流量的计算主要有2种方法:一种是基于国际电工委员会提供的标准计算法(IEC60287),该方法计算速度快,但计算结果存在一定误差[6,7];另一种是数值计算法,它能根据实际情况确定电缆区域的温度场分布。常用的数值计算方法有边界元法、有限差分法、有限容积法以及有限元法等。对于边界条件较为复杂的XLPE电缆,由于有限元方法能任意布置结点和网格,因此更适合于对地下电缆的温度场分布进行分析。国内外学者运用有限元法对地下直埋敷设方式电缆的温度场及载流量已进行过大量分析,并取得了一系列研究成果,但是对于应用越来越广泛的电缆沟敷设方式的电缆,该方法应用很少,几乎没有文献记载[8,9,10,11,12]。因此,基于该方法有必要建立一个电缆沟中电缆温度场及其影响因素分析的模型。
在充分考虑电缆沟中复杂敷设条件以及各种外界环境因素的基础上,根据传热学基本原理,采用COMSOL Mutiphsics仿真软件建立了基于有限元法的电缆沟电缆温度场模型,该模型可通过修正相关参数来分析不同影响因素对电缆温度的影响,进而确定其载流量。以型号8.7/15 k V YJV1×400的XLPE电缆为例,分析并总结了不同敷设条件以及外界环境条件下,各种影响因素对电缆沟电缆载流量的影响规律,并与基于IEC60287标准的计算结果进行对比分析,验证了该模型的准确性、可靠性以及实用性,为工程实际中电缆敷设方案的选取提供了理论指导。
1 模型的建立
1.1 建立模型的基本假设
a.稳态假设:当电缆发热与散热达到平衡时,电缆温度场分布不随时间改变。
b.常物性假设:电缆各组成材料均为各向同性均匀介质,且各部分物性参数均为常数。
c.电缆轴向上无温度梯度,只在径向上存在热量的传递。
d.忽略电缆各组成部分间的接触电阻。
e.电缆单位时间、单位体积发热量为常数,且导体温度为均一值。
1.2 物理模型的建立
根据电缆沟的尺寸以及电缆的结构参数、敷设参数,对电缆区域建立一个闭域场的几何模型,如图1所示。该模型考虑了外部热源、电缆敷设方式、电缆与热源敷设区域土壤水分迁移、电缆沟中空气热阻等载流量影响因素,且这些可变因素可根据实际情况在模型中通过更新相应的参数进行更改。
图中,r为电缆直径,d1为电缆间距离,d2为电缆或热源到模型左、右以及下边界的距离,d3为热源敷设深度,d4、d8分别为上、下层电缆到电缆沟上、下表面的距离,d5为电缆沟中各层电缆间距,d6为热源到电缆沟距离,d7为电缆沟左、右排支架间距。
1.3 导热微分方程的建立
根据传热学中傅里叶基本定律和能量守恒定律[13,14],图1中热源区域(外部热源、电缆导体、绝缘层、金属屏蔽层)的导热微分方程可以表示为
其中,T为(x,y)点处的温度,下式同;qv为热源单位体积发热率;λ为介质导热系数。
模型中无热源区域(电缆其他层、外部土壤等)的导热方程可以表示为
2 网格划分及边界条件的确定
2.1 有限单元网格划分
在保证计算精度的前提下,为了节省计算时间,网格划分采用三角形单元划分法。对于形状复杂和温度变化剧烈的地方(例如电缆和土壤之间的边界区域以及电缆内部层与层之间的边界区域),网格划分得较为密集;而对于周围的敷设区域以及电缆内部各层区域,网格划分得相对稀疏,符合有限元法网格划分的基本原则。
2.2 边界条件的确定
传热学中的边界条件有3类:第1类为已知边界温度;第2类为已知边界法向热流密度;第3类为对流边界条件,即已知对流换热系数和流体温度[13,14]。
对图1所示的电缆沟模型,其下边界为土壤,温度与深层土壤温度一致,满足第1类边界条件,对应的控制方程为
其中,T(x,y)襔τ为边界τ上(x,y)点的温度;τ为积分边界,下同;f(x,y)为已知边界面上随时间位置变化的温度函数。
上边界为地表,温度与边界处的空气温度一致,为对流边界,满足第3类边界条件,对应的控制方程为
其中,为边界τ上(x,y)点的热流密度;为该点温度值;T为边界温度;Tf为流体温度;本模型中为空气温度,一般通过测量获得;n为边界法向量;α为对流换热系数,可由传热学公式求得[13,14]。
当电缆、外部热源等热源与左、右边界的距离为d2时,它们对左、右边界的影响可以忽略,此时电缆水平方向温度梯度为0,属于第2类边界条件。对应的边界条件控制方程为
其中,q2为热流密度。
距离d2可根据传热学中有关不同介质间温度降的计算公式加以确定。其计算公式为[15]
其中,R为热阻系数;Q为热流;ΔT为不同介质间的温度降。
3 载流量计算
3.1 损耗计算
电缆区域的热源包括导体损耗、绝缘层介质损耗以及金属套和屏蔽损耗等,这些损耗参数可按照IEC60287标准进行计算[16,17,18,19]。
3.2 电缆载流量计算
电缆载流量是由电缆导体温度确定的,准确计算电缆导体温度具有重要意义。为求得电缆导体温度值,需要给定一个初始值,考虑到二分法在满足一定精度的基础上具有计算简单、快速的优点,本文采用二分法求解电缆导体温度值,进而求得载流量。
设电缆导体温度与通过其电流的关系为T=f(I),通过额定电流时的电缆导体温度为T0,则其求解步骤为下述4步。
a.确定一个电流区间[I1,I2],验证[f(I1)-T0]×[f(I2)-T0]<0,并给定精确度ε。
4 实例分析及模型验证
4.1 模型的建立
以型号为8.7/15 k V YJV1×400的XLPE电缆为例,电缆在沟中按照图1的方式排列,其结构参数如表1所示,具体敷设参数如表2所示。
mm
假设电缆和热源的最大发热量Q为100 W(通常情况下小于此值)[11,15,16],则由式(6)(7)可知,当d2=1.2 m时,电缆表面温度为363 K(通常情况下小于此值),土壤温度为298 K,和深层土壤温度基本相等,此时电缆不会对土壤温度产生影响,即满足边界温度已知的条件。因此,其下边界属于第1类边界条件;左、右边界水平方向温度梯度为0,属于第2类边界条件;而上边界空气温度已知,为313 K,属于第3类边界条件。
4.2 载流量计算
利用二分法得到当电缆导体温度为363 K时,导体电流为180 A,与表1中电缆的相关参数及3.1节中计算出的损耗参数一并代入由COMSOL Multiphysics软件所建的模型中并求解,得到电缆区域温度场的分布情况。
4.3 仿真分析
由分布情况可知外部热源对电缆沟左排各层电缆导体温度影响较大,左排3根电缆中中间电缆导体温度最高,比右排相应导体温度高7 K,模型中电缆与热源所处临近区域内土壤温度明显高于周围敷设区域,土壤中水分发生迁移,导热系数相应地变小。在本算例中,该区域内土壤的热阻系数取2.0 m K/W,其他部分土壤取1.0 m K/W。图2为电缆沟中中间层电缆从左到右温度分布曲线,由于受到左、右电缆产生温度场的影响,中间电缆导体温度最高。
4.4 模型验证
在除去外部热源的情况下,当电缆敷设区域土壤热阻系数和空气温度发生变化时,本文模型所计算出的载流量值与IEC60287标准法计算值的对比结果如图3、4所示(图中,曲线1为仿真计算值;曲线2为IEC60287计算值),其最大误差分别为3.2%和2.8%;同理,可以验证其他影响因素变化时,2种方法的计算误差也都在5%以内,且变化趋势一致。因此,本模型具有较高的准确性和可靠性。
对于含有外部热源的电缆区域,IEC60287标准法没有给出相关计算公式,无法对该类情况进行分析。因此,与基于IEC60287标准的电缆温度场计算法相比,当模型参数发生变化时,本模型可方便地通过修改相关参数得到与实际条件相对应的仿真结果,具有较强的实用性。
5 影响因素分析
影响地下电缆温度场分布的因素较多,例如敷设条件以及外界环境条件等,每种因素的变化都会使得电缆温度场分布按照一定规律变化,因此,分析这些影响因素的变化并找出与之相应的温度场变化规律对于准确计算地下电缆载流量以及优化电缆敷设方式等具有重要的实际意义。
仍以型号为8.7/15 k V YJV1×400的单回路XLPE电缆为例,在改变不同影响因素的条件下,计算电缆缆芯温度,并分析各个因素对缆芯温度的影响。
5.1 土壤热阻系数的影响
土壤热阻系数直接影响电缆沟中电缆的散热能力,是影响电缆温度场分布的主要因素之一。当电缆周围土壤温度较高时,其周围水分大部分发生迁移,热阻系数急剧上升,电缆向外散热的能力也变差,从而使电缆导体温度升高,载流量下降。由图5可知,在其他电缆敷设条件相同情况下,电缆载流量随土壤热阻系数的增大而减小,且减小的幅度变小。当土壤热阻系数由0.5 m K/W增加为1.0 m K/W时,载流量减小42.68 A;当热阻系数由2.5 m K/W增至3.0 m K/W时,载流量减小8.52 A。
5.2 环境温度的影响
环境温度主要是指电缆敷设场所周围介质的温度。对于地下电缆,环境温度的影响主要考虑空气温度的影响。空气温度越高,土壤与空气的对流换热能力越差,其散热能力越差,电缆导体温度随之升高,反之降低。由图6可知,当其他敷设条件相同的情况下,电缆载流量与空气温度近似呈线性关系,且随空气温度的升高而减小,空气温度每升高1 K,电缆载流量则相应减小2.2 A。
5.3 外部热源的影响
外部热源(如热水管道或蒸汽管道等)是影响电缆温度场的另一重要因素。当电缆敷设区域周围存在其他热源时,一方面会使其周围敷设区域内土壤热阻系数增大,另一方面热源自身散发热量会对电缆本身的温度场产生影响,使电缆的散热性变差,从而使电缆导体温度升高,载流量变小。在一定敷设条件下,当没有热源时,相同导体电流下,电缆导体温度最低。电缆载流量与外部热源的关系如图7所示,由图可知,电缆载流量随着与热源距离的增加而逐渐减小,且减小的幅值逐渐变小。例如,当距热源由1 m变为1.5 m时,电缆载流量增加11.31 A,即此时距离每增加0.1 m,载流量增加2.26 A;而当间距由2.5 m变为3 m时,载流量增加2.73 A,即距离每增加0.1 m,载流量相应增加0.546 A。
5.4 电缆敷设方式的影响
对于地下电缆而言,电缆回路数以及电缆间距的不同都会影响电缆敷设区域的温度场分布,从而对电缆载流量产生影响。
当电缆间距增大时,电缆相互之间的热效应减弱,其散热能力增强,载流量变大,反之变小。图8显示了在电缆沟尺寸一定的情况下,单排电缆沟中相邻电缆间距的距离与载流量之间的关系。由图可知,在图中所示的电缆间距范围内,电缆载流量随着电缆间距的增加而增大,且增大的幅值变小。当电缆间距由0.3 m每隔0.1 m增至0.6 m时,载流量依次增加19.3、16.1、11.8 A,增加的幅值越来越小;而当电缆间距大于0.65 m时,载流量增加幅值不再明显,基本趋于稳定值。图9显示了电缆回路数的变化对载流量的影响。随着回路数的增多,回路间的热效应增强,各回路中电缆散热性变差,导体温度升高,从而使载流量减小。由图9可知,当回路数由1增加到8时,对应的电缆载流量依次减小41.21、31.45、26.27、22.45、18.61、11.3、7.25 A,即减小的幅值逐渐变小;当回路数大于8时,载流量趋于稳定。
5.5 深层土壤温度的影响
对于地下电缆而言,深层土壤温度是影响其温度场分布的另一重要因素。深层土壤温度越高,其中水分散发越多,则散热能力变弱,从而导致电缆导体温度变高,载流量变小。图10为电缆载流量与深层土壤温度关系曲线,由图可知,在其他敷设条件相同的情况下,电缆载流量与土壤温度近似呈直线关系,当土壤温度在263~303 K范围内时,土壤温度每升高1 K,电缆载流量减小0.95 A。
6 结论
基于电缆沟敷设方式下电力电缆的广泛应用,本文根据传热学的基本原理,利用二分法建立了基于有限元法的电缆载流量计算模型,并分析总结了各因素对载流量影响规律。实例表明,该方法能够根据实际情况对模型参数进行修改,具有计算精度高、建模简单方便的优点,对优化电缆沟电缆敷设方案具有较高的理论指导意义。
摘要：根据传热学的基本原理,利用有限单元自动划分法,建立了一种基于有限元法的电缆载流量计算模型,能按照实际敷设情况的变化对模型参数进行修改。根据电缆的结构参数和周围敷设区域的物性参数分析了电缆沟中电缆区域温度场分布情况,并提出基于二分法计算电缆载流量的方法。对比分析结果表明,相对于IEC60287中的热路法,该模型不仅计算结果准确,而且能更方便地考虑外界环境因素对电缆载流量的影响。通过实例仿真得出不同影响因素对电缆温度场分布的影响规律,并验证了该模型的准确性和可靠性。