谐波干扰下的电力电缆电磁-热耦合有限元仿真概论

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.