谐波干扰下的电力电缆电磁-热耦合有限元仿真概论

2020-11-30 08:36钟振鑫赵江帅黄艺英
科学与信息化 2020年30期
关键词:电力电缆谐波

钟振鑫 赵江帅 黄艺英

摘 要 电力系统中谐波问题引发的电缆附加损耗及温升问题不可忽视。本文在采用ANSYS有限元仿真软件对实际电缆敷设情况进行建模仿真。以土壤水平直埋敷设的三相电缆为例,构建了电磁-热耦合2D仿真模型,通过分别施加不同含量和不同次数的谐波电流,探究电流在谐波干扰下其损耗及温度场变化情况,为谐波环境下电缆的选型设计、检测评估提供一定的参考依据。

关键词 电力电缆;谐波;有限元仿真

引言

随着我国电力建设的快速发展,供电部门不仅要保证安全可靠供电,也要保证电能质量。当前电力系统中的谐波污染日益严重[1],导致电力设备发热、减少使用周期、引发谐振等一系列问题,严重危及电力设备的安全运行[2]。

电力电缆逐渐成为输电线路的主要敷设方式之一[3]。电缆中通过谐波电流时会引起附加发热,谐波电流较大时,会加剧电缆的绝缘老化,甚至可能造成电缆的绝缘击穿[4],危及电网运行安全。因此探究严重背景谐波干扰下,探究电缆的温升的变化,具有研究价值。

目前,电力电缆的损耗及温度计算方法主要有两种:解析计算法与数值计算法。本文基于有限元数值仿真方法,建立了土壤水平直埋敷设的三相电缆在谐波作用下的电磁-热耦合模型。探究谐波干扰下对电力电缆损耗情况及温升规律,为谐波环境下电缆绝缘老化评估,以及绝缘击穿评估提供了一定的参考。

1谐波环境下电力电缆的影响

(1)集肤效应。当交流电通过导体时,导体中的电场、磁场作用下导致电流在导体内部分布稀疏,而表面分布最为密集,这种现象被称为导体的集肤效应。显然,集肤效应使得电流向导体的表面聚集,相当于导体的有效截面积减小,导体的等效电阻值增大,从而引起附加的热损耗。

(2)邻近效应。当导体通入交流电时,在导体周围就会产生变化的磁场。三相电缆之间的相互作用使得电流向相邻的电缆位置聚集,这种现象被称为邻近效应。邻近效应同样减少了电缆等效截面积,增大导体温升。

(3)导体损耗。当电缆流过交流电流时,导体直流电阻要转换成交流电阻,产生相应的交流电阻损耗。所产生的导体损耗可以由右式计算:WC=I2R。

考虑上述提到的集肤效应及邻近效应,对应相应的系数YS和YP,则等效交流电阻为:R=R(1+Ys+Yp)。

此外还需要考虑电缆的绝缘介质损耗和金属屏蔽层的介质损耗,具体计算可参考文献。

2ANSYS有限元电磁-热耦合仿真

(1)电缆水平直埋敷设有限元仿真模型。本文采用有限元仿真软件ANSYS,对土壤水平直埋敷设的三相电缆进行电磁-热耦合2D模型构建。土壤直埋敷设方式是将电缆直接埋在一定深度的土壤中,所敷设的电缆距离地表1m,水平排布缆芯之间的间距取0.2m。

(2)结构参数及边界条件。本文选用110kV的高压交联聚乙烯的(XPLE)单芯电缆,型号为 “YJLW03 50/110 1000”,边界条件设置如下:土壤的下边界取2m已符合第一类边界条件,设置为深层土壤温度8°C。土壤的左右边界取2m,可满足第二类边界条件,设置其水平热流密度为0。土壤上层符合第三类边界条件,设置流体温度为空气温度25°C。

3仿真结果

(1)无谐波干擾下的电缆仿真结果。首先对三相电缆分别加载幅值为800A,相位相差120°,频率为50Hz的工频电流,进行仿真。仿真结果证明,土壤内温度呈非均匀分布,中间电缆温度高,两端电缆温度低,电缆最高温度72.096℃,符合实际运行情况。

(2)施加谐波干扰下的电缆仿真结果。在仿真模型不变的情况下,考虑典型的奇次谐波 3、5、7、9次。分别施加1%、3%、5%、7%、9%和10%的谐波电流,对其温度场进行仿真分析,其温度变化情况如图1所示。

由仿真结果可知:①谐波频率和含量是影响电缆温升的主要因素,当谐波频率越高、含量越大时温升越高。②当电缆流过9次的零序谐波电流时,对电缆温度急剧上升,严重时可能会超过电缆的温度极限导致绝缘击穿。

4结束语

本文采用ANSYS有限元仿真的方法探究谐波干扰下对电力电缆的影响,并对实际的土壤水平直埋敷设条件下的三相电缆进行电磁-热耦合仿真。仿真结果表明:

谐波使得电缆的交流电阻增大,导致一定的温升。长期运行于谐波环境下必然加速电力电缆的老化,值得引起重视。

参考文献

[1] 程浩忠. 电能质量概论[M].第二版.北京:中国电力出版社,2013 (2):83-84.

[2] 邢大江.电力谐波对电力设备的影响及其应对策略研究[J].中国设备工程,2018(6):215-216.

[3] 冯琬真.谐波对电缆线路的影响及抑制措施[J]. 四川水泥,2017 (12):268-270.

[4] 乔琨,肖湘宁. 谐波对电力电缆的影响[J].电力学报,2008(1):75-77.

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