电缆隧道断面风速对隧道内温度的影响

张 敏,刘 哲,苏 康

(1.中国电建集团河北省电力勘测设计研究院有限公司,河北 石家庄 050021;2.石家庄铁道大学机械工程学院,河北 石家庄 050043)

0 引言

随着城市高速发展,对城市规划和景观要求越来越高,因此,从变电站通往城市市区的电力电缆越来越多的采用电缆隧道进行敷设[1]。电缆隧道内各种电压等级的电缆集中布置。由于电力电缆在运行时会产生一定的热量,若电缆长时间处于高温运行容易产生绝缘热击穿现象,造成电缆短路、跳闸等问题,甚至可能引发火灾。另外,电力电缆隧道中常用的为交联聚乙烯(Cross Linked Polyethylene Cable,XLPE)电缆,这种电缆的工作温度超过允许值的8%,会使得电缆寿命下降为其期望寿命的一半;当工作温度超过允许值的15%,会使得电缆的寿命下降为其期望寿命的1/4[2-3]。

因此,需要对电力电缆隧道的温度场进行研究,保证电缆运行的合理温度,为电网的安全可靠运行提供保障。DL/T 5484—2013《电力电缆隧道设计规程》(简称“规程”)中要求,排风温度不应高于40℃,进、排风温差不宜大于10℃。该规程仅对计算电缆隧道的通风量提出了进排风温差的要求,但是对于电力电缆隧道内的风速、温度控制及通风系统没有专门的要求,同时,现行规范也并未对该方面内容作出规定。现阶段对隧道内通风着重考虑的是对总通风量是否满足要求,并未对相应的风速和气流组织条件有相关的要求[4]。本文主要运用CFD数值模拟的方法,对隧道内的通风换热进行分析,为后续隧道内的通风设计提供设计参考依据。

1 电缆隧道的模型构建

1.1 工程概况

以雄安新区某500 k V电力电缆隧道为研究对象,该隧道是雄安新区内建设的第1条长距离电缆隧道,是为昝岗组团、雄县组团以及组团联络提供电力保障的重要通路。隧道的截面按照电力隧道的实际截面进行建模,断面尺寸为3.65 m×2.8 m,截取隧道一个长度200 m作为计算物理模型进行研究。

由于合理的电缆相位排列可以降低邻近效应的影响提高载流量[5-6],同时由于“品”字形排列布置的对称性最佳[7-8],因此隧道内电缆敷设方式采取“品”字型敷设。通过数值模拟的方式,分析隧道在不同断面风速的情况下隧道内高温区域的变化规律。

1.2 物理模型

本次模型采用Solid Works建立隧道的基本模型,隧道内空间尺寸为200 m×3.65 m(H)×2.8 m的长方体,壁厚按照0.3 m墙体,具体隧道断面情况见图1,隧道整体模型情况详见图2。本次主要研究不同风速对电缆散热的影响,因此对电缆隧道内的进风口位置,排风口位置进行固定,仅考虑风速(风量)变化的影响。隧道内的主要热源为隧道内的电缆发热,散热量为220 W/m。根据规程规定,排风温度不宜大于40℃(即313 K)。

图1 隧道断面布置(单位:mm)

图2 隧道模型

在模拟过程中,为了便于计算将模型进行了一定的简化,简化后将单回“品”字形敷设的电缆断面近似为一个等边三角形,并进行了网格划分,总网格数约为231万,具体网格划分见图3。

图3 隧道网格划分示意

1.3 数学模型及求解条件

模型控制方程采用以下3个方程[9]。

(1)质量守恒方程

式中:u、v、w分别为x、y、z3个方向的速度;ρ为密度。

(2)动量方程[10]

(3)能量方程

式中:h为流体的导热系数;S h为流体的内热源;p div U为表面力对流体微元体所做的功,一般可以忽略;Φ为由于粘性作用机械能转化为热能的部分,称为耗散函数。

本次模拟中采用空气作为模拟介质,对各个边界条件进行适当的简化,边界条件简化为速度入口、压力出口,不考虑壁面传热的影响,为了方便计算,对模型进行如下假设[9]:

(1)采用Boussinesq假设,不考虑压力对密度变化的影响,仅考虑密度变化对浮升力的影响;

(2)室内的气流属于稳态的湍流,为常温常压及低速下的流动,可以视为不可压缩理想流体流动,因此忽略有流体粘性力做功引起的耗散热;

(3)由于本次模拟主要研究的是不同通风方案的优劣,壁面导热通风方案产生的影响不大,且夏季由于隧道内的温度要高于土壤温度,其传热方向为向外传热,有利于隧道内的温度降低,因此在本次研究中,研究其极限不利情况,对于壁面按照绝热进行处理;

(4)湍流模型选用Launder及Spal ding等提出的模型和壁面函数法进行计算。

隧道的模拟计算边界条件分别为:速度入口为等速度入口,其值设为隧道内的断面风速;出口为压力出口,初始值为标准大气压;温度值取GB 50019《工业建筑供暖通风与空气调节设计规范》中当地夏季通风计算温度,经查为30.4℃;电缆的发热为第2类边界条件,采用定热流密度;隧道内壁面的摩擦阻力按照混凝土的相关参数选取。模拟分析流程见图4。

图4 数值分析求解流程示意

2 计算结果及分析

2.1 断面风速的影响

本次模拟中,隧道的进风温度取当地的夏季通风计算温度30.4℃,电缆发热量按照220 W/m进行计算,经计算进风速度为3.48 m/s时,换气次数满足隧道内换气次数不小于6次/h的要求,此时断面风速为0.34 m/s。胡康等[11]的研究表明提高隧道内的通风换气次数,对于电缆表面的对流换热效果越好,电缆表面温度会越低。对于隧道内温度场的研究,可以利用多物理场耦合模型进行。

从隧道纵断面温度分布图(图5)中可看出,隧道内的温度随着气流流动方向呈上升趋势,在接近排风口附近温度最高。同时从隧道横断面温度分布图(图6)中可以看出,隧道内会有局部温度较高区域,此区域温度高于40℃,而此处温度无法通过排风温度进行判断。

图5 隧道纵断面温度分布

根据横断面温度分布图,目前暂定高度1.7 m、3.4 m处2点为隧道内的高温区域,着重研究不同风速下此部分区域内的温度分布情况,2点的坐标为x=0.4 m,y=1.7 m及x=0.4 m,y=3.4 m。具体位置见图6。

图6 隧道内电缆高温区域测点位置分布

1.7 m处高温区域主要是由于隧道内电缆间距较小,导致的热空气流动不畅产生的热气流集聚现象;3.4 m处高温区域主要是由于热空气密度较小,集中在隧道上部,并且和电缆散热综合产生的温度较高现象。

如图7、图8所示,取1.7 m、3.4 m2处位置在隧道轴向方向上的温度分布,观察其在不同隧道断面风速情况下轴向的温度变化情况,可知,在断面风速为0.38 m/s的情况下,由于隧道内的断面风速较低,隧道内这两个高温区域位置处的温度升高较为明显,特别是在靠近隧道出口1.7 m、3.4 m处的最高温度分别为41.67℃、41.53℃,超过规程中要求的隧道排风温度40℃,温度较高。规程中虽然只对排风温度进行了低于40℃的要求,却并未对隧道内通风系统布置和环境温度有具体要求,研究表明隧道内的温度升高时,会使隧道内敷设电缆的允许载流量下降,当隧道避免温度每升高5℃时,载流量下降约5%,因此适当的减少隧道内高温区域的温度十分必要。

图7 1.7 m高处高温区域在不同风速下温度变化规律

图8 3.4 m高处高温区域在不同风速下温度变化规律

在原有模型的基础上通过提高隧道内的断面风速,观察隧道内1.7 m、3.4 m 2处高温区域的温度变化情况。模拟的断面风速分别取0.5 m/s(通风 量18396 m3/h)、1.0 m/s(通 风 量36792 m3/h)和1.5 m/s(通风量55188 m3/h),并与上述结果进行比较。从图7、图8中可知,当隧道断面风速提高时,隧道内的温度会随着断面风速的升高而降低,因此可以看出提高断面风速可有效改善隧道内的温度分布,降低隧道内高温区温度。同时可以看出,当隧道的断面风速较小时(0.38 m/s),提高断面风速可以有效改善隧道内的温度场。例如,当断面风速提高到0.5 m/s时,断面风速提高了0.12 m/s,隧道内高温区温度由原来41.67℃下降到38.5℃,下降了3.17℃,温度较原有温度有了明显下降,有利于电缆的散热。当断面风速继续提高到1.0 m/s时,高温区域温度下降到34.86℃,下降了3.64℃。当断面风速提高到1.5 m/s时,高温区域温度下降到33.56℃,下降了1.3℃,可以看出随着断面风速的提高,隧道内高温区温度会有所下降,但是下降的幅度会逐渐减小。

同时,通过图9可以得出,随着断面风速的增加,排风口的温度会下降,温度下降幅度在开始较为明显,但是在1.0 m/s变为1.5 m/s时,速度增加了0.5 m/s,温度仅下降了1.22℃,下降幅度较小,变化不明显。通过以上分析可以得出,电缆隧道内的断面风速并非越大越好,应在考虑能效比等多方面因素后确定,对于本次工况,推荐的风速为1.0 m/s左右较为合适。

图9 不同风速条件下排风口温度变化

2.2 相间距对散热影响

研究表明,当相间距增大可以使得损耗功率因数下降[12]。电缆隧道中的散热方式有:电缆本体与土壤间的热传导、隧道内因温度梯度而产生的自然对流、电缆表面向隧道内壁的热辐射3种形式[13],且这3种导热方式是相伴存在的。隧道内电缆相间距对电缆散热有一定影响,图10可以看出当隧道内的间距增大时,电缆间的温度会下降,有利于电缆的散热,因此在电缆隧道内断面允许的情况下,尽量增大电缆的相间距,有利于电缆的对流散热。

图10 不同电缆间距下电缆间温度变化

3 结论

(1)从模拟结果可以看出,当隧道内的断面风速为0.38 m/s时,隧道的排风温度小于40℃,满足规程的要求,但是隧道内的高温区域温度为41.67℃,超过规程要求的排风温度。

(2)当隧道内的断面风速较低时,提高隧道断面风速可有效降低隧道内高温区域温度,保证电缆的安全运行。

(3)当隧道内的断面风速提高到1.0 m/s以后,继续提高隧道的断面风速对于高温区域的温度影响不明显,而且会提高通风系统设备的造价及运行能耗,因此,针对本次模拟工况,推荐的断面风速不宜大于1.0 m/s。

(4)当电缆相间距较小时,不利于电缆表面与周围空气的对流换热,使得电缆间空气温度变高,合理增大电缆相间距对电缆的表面的对流散热有积极影响,也有利于电缆的安全运行。