220 kV电缆支撑系统涡流损耗影响因素研究

崔厚坤， 王庭华， 安增军， 张宇娇， 孔韬

(1．江苏省电力公司电力经济技术研究院，江苏 南京 210000； 2.三峡大学电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002)

220 kV电缆支撑系统涡流损耗影响因素研究

崔厚坤1， 王庭华1， 安增军1， 张宇娇2， 孔韬2

(1．江苏省电力公司电力经济技术研究院，江苏 南京 210000； 2.三峡大学电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002)

随着电力电缆在远距离输电系统的大力发展，电缆支架大规模应用，输电电压等级逐渐增加,电缆输送容量越来越大，成本低廉的普通钢支架涡流损耗不能忽略，讨论了电缆支架涡流损耗的计算原理及方法，针对220 kV高压电缆，建立有限元模型，从载流量、电缆与支架间距离、电缆排列方式、电缆支架材料四个维度考虑，定量的计算了各工况的电缆支架涡流损耗情况，根据计算结果，得出各变量对电缆支架涡流损耗的影响规律，并提出几种降低电缆支架涡流损耗方案。

电力电缆；电缆支架；涡流损耗；有限元；隔磁板

0 引 言

近年来，架空输电线逐渐退出市民视野，电力电缆输电系统得以大力发展，相对于输电线路，电力电缆系统节省了大量地面土地、减少了辐射，符合建设绿色环保的电力网络要求。提高电缆线路的电压等级，能实现电能的远距离传输，减少传输过程中的电能损耗，但在此过程中，电缆系统的安全性、稳定性、经济性值得重点考虑，降低电缆生产、安装成本，优化电缆及其支架的敷设方式，是现阶段的工作重点[1-2]。如表1所示，钢、铝合金、复合材料为三种电缆支架最常见的材料，相关资料显示，不锈钢支架的单价要比钢支架高15 000元/T左右，维护与安装费用基本相同，按照此单价计算，每公里长的隧道内，电缆工程造价相差45万元左右[3-4]，选用电缆支架要从适用性和经济性两方面考虑，选用非导磁导电材料费用较高，而选用电阻率低相对磁导率高的廉价材料又会有较大的涡流损耗，在保证结构及电学性能安全可靠的基础上，选用廉价的钢材料电缆支架，并进行优化，降低其涡流损耗，能保证适用性和最优的经济性要求。

国外学者对电缆支架问题进行了深入的研究，但主要集中在电缆支架的力学性能上，少有人对其电学性能做深入研究[5]。我国学者对电缆支架力学[6-7]及电学性能做了大量研究，但主要集中在新型复合材料[8-9]的研制，国内对涡流损耗的计算大多集中在大型电力设备上[10-11]，部分学者对电缆支架涡流损耗进行了计算[12-13]，但并未从经济性上考虑。

表1 220 kV各种材电缆支架性能比较

基于上述原因，本文针对220 kV高压电缆，从载流量、电缆与支架间距离、电缆排列方式、电缆支架材料四个维度考虑，探索最优化的电缆钢架，并根据计算结果，提出几种降低电缆支架涡流损耗方案。

1 支架涡流的计算与分析

1.1 计算涡流损耗的方法

(1)

(2)

(3)

(4)

本文由实际电缆隧道敷设情况，按1∶1比例建立电缆-支架-空气三维有限元计算模型，使用ANSYS软件计算不同工况下正弦稳态电场和电缆支架的损耗值。

图1 电缆涡流求解区域

图1所示表示电缆及其支架的计算范围，其中Ω1区域内的电缆支架及电缆金属护套内会产生涡流，含有导电煤质，但不含电流；Ω2为不含涡流区域，其中电缆缆芯为电流源也属于非涡流区，对于式(1)～(4)可推导出A,A-φ法场控制方程，在库伦(Coulumb)规范▽·A= 0条件下，在Ω1内：

(5)

在Ω2内：

(6)

1.2 模型与相关参数

图2 电缆三维模型

图3 电缆仿真模型

为更清楚的展示工程实际电缆的敷设情况，本文首先采用CAD软件建立了电缆及其附属结构三维模型，如图2所示，电缆隧道左右为对称结构，相邻两个电缆支架也为对称结构，为简化计算，取单个电缆支架计算即可满足要求，由计算得电缆与其距离支架在1 m以上时，电缆在其支架上产生的涡流可以忽略，由此可知，在计算模型中取电缆长度为1 m可以满足要求(与取2米所算涡流损耗仅差0.9%)。图2所示，电缆夹具多采用非导磁导电材料，在涡流场计算中未考虑其影响。

图4 220 kV电缆截面材料及尺寸

如图3所示，本文按工程实际施工图纸建立电缆及其支架有限元模型，电缆为220 kV单芯交联聚乙烯绝缘铝护套电力电缆，电缆参数如图4所示，由于缆芯结构特点，可忽略趋肤效应，因此缆芯部分电流为均匀分布。

精氨白桦脂酸的制备及其对三阴性人乳腺癌细胞MDA-MB-231增殖的影响 ……………………………… 张丽娟等（7）：906

1.3 电缆电流对支架涡流损耗的影响

采用图3所示的电缆排列方式，对电缆A、B、C三相分别加载600 A、1 400 A、2 000 A、2 600 A交流电流对应的电流密度，相位分别相差120°。钢支架相对磁导率取200 H/m，电阻率取2×10-7Ω·m。电缆支架损耗变化情况如图5所示，其中加载2 600 A电流时计算云图如图6所示，由图5可以看出，电缆流通电流值为电流涡流损耗大小的主要影响因素之一，电缆支架涡流损耗与电缆流通电流大小的平方成正比。经取更多电缆电流值做计算后发现，电缆支架涡流损耗大小与通电电流大小的二次方成正比。

图5 不同电缆电流对支架涡流损耗的影响

图6 2 600 A电流时电缆支架电流密度分布云图

1.4 电缆与支架表面距离对涡流损耗的影响

图7 电缆-支架间距示意图

在采用图3所示的电缆排列方式，对三相A、B、C三相加载2 600 A交流电流对应的电流密度，相位分别相差120°。钢支架相对磁导率取200 H/m，电阻率取2×10-7Ω·m。电缆-支架距离如图7所示，改变电缆-支架距离进行计算，得到支架涡流损耗随着电缆-支架距离改变的折线图如图8所示。由图8可知，电缆-支架间距越大，电缆支架涡流损耗越小，电缆-支架间距改变引起的电缆支架涡流损耗变化与电缆通电电流影响相比，并不是主要因素，由图8，间距为144 mm时比间距为20 mm时电缆支架涡流减少的18.6%，可见电缆-支架间距对支架涡流损耗的影响不可忽略。

图8 电缆-支架间距变化时的支架涡流损耗

1.5 不同排列方式对支架涡流损耗的影响

分别采用竖直排列、水平排列、品型排列三种排列方式，选用相同的电缆支架，对三相A、B、C三相加载2 600 A交流电流对应的电流密度，相位分别相差120°。钢支架相对磁导率取200 H/m，电阻率取2×10-7Ω·m。电缆及其支架排列方式及其电流密度分布云图如图9所示。

图9 不同排列方式的涡流损耗云图

图10 不同排列方式的涡流损耗情况

图10展示了不同排列方式时的电缆支架涡流损耗情况，以竖直排列时为参考值，由图可知，电缆水平排列时，支架涡流损耗较大，较竖直排列增长22.5%～30.8%；而电缆品型排列时，支架涡流损耗大大减小，较竖直排列减少79.2%～80.4%；统一排列方式的电缆分别放在下层、中层、下层对支架涡流损耗较小，其中水平排列电缆下层敷设较上层敷设电缆支架涡流损耗少6.3%，品型排列电缆下层敷设较上层敷设电缆支架涡流损耗少6.0%。因此，选用品型排列方式敷设电缆是最佳选择。

1.6 不同材料属性对支架涡流损耗的影响

采用图3所示的电缆排列方式，对三相A、B、C三相加载2 600 A交流电流对应的电流密度，相位分别相差120°。钢支架电阻率ρ分别取1×10-7、2×10-7、3×10-7Ω·m、相对磁导率μ分别取200、300、500、1 000，。支架的计算结果如表2所示，电缆支架涡流损耗随着支架磁导率增大而增加，随着电阻率增大而减小。

表2 不同支架材料的涡流损耗/W

2 降低损耗的方法

2.1 优化设计

由上文分析可知，对于钢支架来说，电缆通电电流、电缆排列方式对电缆钢支架涡流损耗有较大的影响，应主要考虑；电缆支架-电缆距离，电缆支架钢材料导电导磁属性对电缆钢架涡流损耗影响较小，但不容忽视。由此，本文建议从以下四个方面做优化：

(1)控制流通电流大小：上文中取的2 600 A电流值仅为该电缆在满载电流时所达到的电流大小，正常运行下，电缆通电电流仅为400 A～600 A，在此流通电流下，支架涡流损耗会大大减少。

(2)改变电缆排列方式：采用品型排列方式，由上文可得，采用品型排列方式较竖直排列方式支架电缆损耗减少80%左右。

(3)采用优化的电缆-支架距离：由上文知，增加电缆-支架距离能改变支架涡流损耗，而增大电缆-支架距离就必须选用更大型号的电缆夹具，增加了电缆建设费用，由此建议，需在减少电缆支架涡流损耗和电缆夹具费用之间找到一个平衡点，寻求最优的方案。

(4)合理选用电缆支架材料：相关资料显示，不锈钢支架的单价要比钢支架高15 000元/T左右，维护与安装费用基本相同，按照此单价计算，每公里长的隧道内，电缆工程造价提高45万元左右，选用非导磁导电材料费用较高，而选用电阻率低相对磁导率高的廉价材料又会有较大的涡流损耗，所以在此之间需寻求一个平衡。

2.2 使用隔磁板或屏蔽导电漆

隔磁板对来自电缆能量起着吸收、反射、抵消的作用，即吸收电缆支架感应的涡流损耗，反射电磁、抵消电磁感应在隔磁板上的反向电磁场及部分干扰电磁波，所以隔磁板具有降低电磁引起的电缆支架涡流损耗的功能。隔磁板隔磁能力强却不能对整个电缆支架起到屏蔽作用。

电缆支架屏蔽导电漆是一种能喷涂于电缆支架表面的油漆，干燥形成漆膜后能起到一定的导电的作用，从而能屏蔽电缆对支架产生的电磁。隔离涡流区和电源，控制电缆缆芯产生的电场、磁场和电磁波对电缆支架的感应和辐射。如图11所示用屏蔽漆喷洒于电缆支架表面，防止其受到外界电磁场的影响。屏蔽导电漆能起到对整个电缆的屏蔽作用，却没有很好的隔磁能力。隔磁板、屏蔽导电漆隔磁能力的定量分析有待进一步研究。

图11 隔磁板、屏蔽导电漆示意图

3 结束语

本文探讨了电缆支架计算原理方法，对220 kV特高压电缆支架做了涡流损耗计算，分析了载流量、电缆-支架间距离、电缆排列方式、电缆支架材料对涡流损耗的影响，得到如下结论：

(1)由图5可以看出，电缆流通电流值为电流涡流损耗大小的主要影响因素之一，电缆支架涡流损耗与电缆流通电流大小的平方成正比。

(2)电缆-支架间距与电缆支架涡流损耗成反比，电缆-支架距离对其影响较小，但不容忽视。

(3)相对于竖直排列和水平排列方式，品型排列能大大减小支架涡流损耗。

(4)支架电、磁导率对涡流损耗大小影响不大，但不容忽视，电缆支架涡流损耗随着支架磁导率增大而增加，随着电阻率增大而减小。

(5)本文提出使用隔磁板或屏蔽导电漆来减小涡流损耗，但其效果及成本预算还需进一步探究。

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A Study on the Factors Affecting Eddy Current Losses in 220 kV Cable Supporting Systems

Cui Houkun1, Wang Tinghua1, An Zengjun1, Zhang Yujiao2, Kong Tao2

(1.Jiangsu Electric Power Co. Power Economics and Technology Research Institute, Nanjing Jiangsu 210000, China;2.College of Electrical Engineering and New Energy, Three Gorges University, Yichang Hubei 443002, China)

With rapid development of power cable in long-distance power transmission systems, cable support finds wide application, transmission voltage grade increases gradually and cable transmission capacity is becoming largerand larger, and eddy current loss of low-cost normal steel support cannot be neglected. This paper discusses the principle and method of the calculation of the eddy current loss of cable support. It builds a finite element model for 220kV high voltage cable, and quantitatively calculates eddy current losses of cable supports under different operating conditions under consideration of four dimensions, namely, current-carrying capacity, distance between the cable and cable support, cable arrangement and material of cable support. According to calculation results, the law of influence of the variables upon eddy current loss of cable support is obtained. Several schemes are given for the reduction of eddy current loss of cable support.

power cable;cable support;eddy current loss;finite element;magnet vane

国家自然科学基金项目(51577106)

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.01.015

TM764.1

A

1000-3886(2017)01-0049-04

张宇娇(1979-)，女，江苏丹阳人，博士，副教授，硕士生导师，三峡大学输电线路工程系主任。研究方向为电磁装置的多物理场耦合分析与机辅设计、电力电缆在线监测。

定稿日期: 2016-06-18