土壤直埋110 kV电缆中间接头稳态载流量仿真研究

陈 莉,邵千秋,王然然,唐 军

(1.国网四川省电力公司南充供电公司,四川 南充 637000;2.国网四川省电力公司电力科学研究院,四川 成都 610041)

0 引 言

载流量是高压电力电缆重要的技术指标之一,是指在一定条件下电力电缆允许通过的持续电流值,反映了电力电缆线路承载负荷的能力[1]。高压电力电缆载流量不仅取决于电缆类型和规格,还与其实际安装、敷设条件和运行环境有关,通常以其本体线芯长期允许最高运行温度363 K作为载流量的计算校核标准[2-3]。国内外学者依据文献[4-5]等标准,采用解析算法形成了不同敷设条件和运行环境下的系列电力电缆载流量数据表,为电网规划运行提供了数据支撑[6-7]。

由于电力电缆中间接头结构较本体更为复杂,通常采用数值算法计算其实际载流量。现有研究已表明直埋电缆中间接头和本体的载流量存在差异,若按照电缆本体载流量校核会导致中间接头线芯最高运行温度明显高于363 K,不利于电缆中间接头的长期稳定运行[8-10]。然而现有研究采用轴对称数值计算模型,难以正确反映实际对流散热边界条件,并且现尚无成熟的交流电缆中间接头载流量校核方法。

因此,下面搭建了土壤直埋110 kV电缆中间接头稳态载流量三维仿真模型,利用COMSOL Multiphysics仿真软件研究了环境温度、土壤导热系数和敷设深度对中间接头稳态载流量的影响规律,并与相同条件下的电缆本体稳态载流量相比较,以期为确定多种敷设环境下电力电缆中间接头的载流量提供方法参考。

1 直埋电缆中间接头和本体的温度场模型

1.1 电缆中间接头和本体的结构及参数

选用截面为1200 mm2的64/110 kV电缆中间接头作为仿真对象,如图1所示。中间接头包含线芯、连接管、高压屏蔽层、三元乙丙橡胶应力锥、交联聚乙烯主绝缘、绝缘屏蔽层、硅橡胶增强绝缘、聚氨酯密封胶和铜壳。类似的,选用截面为1200 mm2的64/110 kV电缆本体作为仿真对象,如图2所示。电缆本体由轴心向外依次包含线芯、高压屏蔽层、交联聚乙烯绝缘层、绝缘屏蔽层、铜丝编织玻璃纤维缓冲层、铝护套和外护层。中间接头和电缆本体各部分的热力学参数分别如表1和表2所示[1,9,11-12]。

表1 64/110 kV电缆中间接头材料热力学参数

表2 64/110 kV电缆本体材料热力学参数

图1 64/110 kV电缆中间接头剖面图

图2 64/110 kV电缆本体剖面图

1.2 仿真几何模型及边界条件

搭建土壤直埋110 kV中间接头和电缆本体的稳态载流量三维仿真模型,分别在接头和本体周围添加土壤;在仿真中设置A面为对流热通量边界条件,土壤与空气的对流传热系数取值为10 W/(m2·K);B面、C面和D面与中间接头或电缆本体的距离分别为2000 mm,均将其设置为法向热通量为0的边界条件。仿真模型如图3和图4所示。

图3 土壤直埋110 kV电缆中间接头稳态载流量仿真模型

图4 土壤直埋110 kV电缆本体稳态载流量仿真模型

中间接头或电缆本体的内部热量主要来自电流引起的线芯发热。中间接头或电缆本体的温度场计算公式为:

Q=I2Rt

(1)

(2)

式中:Q为线芯产生的焦耳热;I为线芯电流有效值;t为时间;Q1为材料吸收的焦耳热;ρ为材料密度;C为材料恒压热容;T为材料温度;k为材料导热系数;R为线芯的电阻,计算公式如式(3)—式(7)所示[13]。

R=R0·L

(3)

(4)

R1=R0(1+ys)

(5)

(6)

(7)

式中:R0为单位长度线芯在温度T时的直流电阻;L为线芯长度;ρ20为线芯在温度293 K时的体积电阻率,其值为1.724×10-8Ω·m;S为线芯截面积,其值为1200 mm2;α为线芯在温度293 K时的温度系数,其值为3.93×10-8K-1;R1为单位长度线芯在温度T时的交流电阻;ys为集肤效应系数;xs为集肤效应中频率与导体结构影响系数;ks为系数,取值为0.435;f为电流频率,取值为50 Hz。

1.3 网格剖分及计算方法

仿真中,在中间接头区域采用极细化网格剖分,在土壤区域采用超细化网格剖分,网格剖分平均单元质量为0.68,网格单元格数量为27 591 669。类似的,在电缆本体区域采用极细化网格剖分,在土壤区域采用超细化网格剖分,网格剖分平均单元质量为0.69,网格单元格数量为17 267 128。在中间接头的线芯和连接管上施加电流有效值或在电缆本体的线芯上施加电流有效值,采用“稳态”计算分别获取不同条件下的中间接头或电缆本体稳态载流量。

2 中间接头和电缆本体载流量

2.1 环境温度

环境温度会显著影响中间接头和电缆本体的载流量。以电缆线芯最高运行温度363 K作为载流量的校核标准,计算了土壤导热系数为0.5 W/(m·K)、敷设深度为1.0 m时,不同环境温度下的中间接头和电缆本体载流量,结果如图5所示。可以看出,不同环境温度下的中间接头载流量始终小于电缆本体载流量。环境温度为283 K、293 K、303 K与313 K时,电缆本体载流量分别为1520 A、1422 A、1323 A和1208 A,而对应环境温度下的中间接头载流量分别为1385 A、1295 A、1199 A和1095 A,相同环境温度下的中间接头载流量相较于电缆本体下降了约9%。

图5 不同环境温度下的中间接头与电缆本体载流量

为进一步研究中间接头与电缆本体载流量间差异对中间接头绝缘性能的影响,以本体载流量为实际运行过程中流经线芯的电流,计算了不同环境温度下中间接头的温度分布(土壤导热系数为0.5 W/(m·K)、敷设深度为1.0 m),如图6所示。

图6 不同环境温度下的中间接头温度分布

可以看出,当流经线芯的电流为本体载流量时,不同环境温度下的中间接头最高温度均明显高于363 K。环境温度为283 K、293 K、303 K与313 K时,中间接头主绝缘交联聚乙烯最高温度分别为385.55 K、381.87 K、379.42 K和376.15 K。长期处于这一温度下的中间接头主绝缘老化速率会明显快于本体主绝缘,导致中间接头绝缘故障率偏高。故在实际运行中建议按照中间接头载流量来校准电缆稳态载流量,以保障电缆安全稳定运行。

2.2 土壤导热系数

土壤导热系数是影响电缆载流量的重要参数,随着土壤水分的蒸发,电缆散热效果会逐渐变差。在本节中,以线芯最高运行温度363 K作为载流量校核标准,计算了环境温度为293 K、敷设深度为1.0 m时,土壤导热系数对中间接头和电缆本体载流量的影响规律,如图7所示。显然,不同土壤导热系数下的中间接头载流量小于本体载流量。土壤导热系数为0.5 W/(m·K)、1.0 W/(m·K)、1.5 W/(m·K)和2.0 W/(m·K)时的中间接头载流量分别为1295 A、1525 A、1634 A和1698 A,相较于相同条件下的本体载流量分别下降了8.9%、8.3%、7.8%和7.5%。

图7 不同土壤导热系数下的中间接头与电缆本体载流量

类似的,以本体载流量为流经线芯的电流,研究了回填不同导热系数土壤时的中间接头温度分布(环境温度为293 K、敷设深度为1.0 m),如图8所示。

图8 不同土壤导热系数下的中间接头温度分布

可以看出,当流经线芯的电流为本体载流量时,中间接头最高温度随土壤导热系数的增加而略有降低。土壤导热系数为0.5 W/(m·K)、1.0 W/(m·K)、1.5 W/(m·K)和2.0 W/(m·K)时的中间接头主绝缘交联聚乙烯最高温度分别为381.87 K、380.27 K、379.00 K和378.19 K。

由于中间接头的复杂结构,如按照本体载流量校核电缆载流能力,将导致中间接头主绝缘处于加速热老化状态,因此为确保电缆长期稳定运行,建议以本体载流量确定电缆载流时应留有一定裕度。

2.3 敷设深度

电缆敷设深度会一定程度影响直埋电缆的散热过程,在本节中,以线芯最高运行温度363 K作为载流量校核标准,计算了环境温度为293 K、土壤导热系数为0.5 W/(m·K)时,敷设深度对中间接头和电缆本体载流量的影响规律,如图9所示。可以看出,敷设深度为1.00 m、1.25 m、1.50 m和1.75 m时的中间接头载流量分别为1295 A、1265 A、1241 A和1222 A,相较于对应条件下的本体载流量分别下降了8.9%、10.2%、10.5%和10.8%。

图9 不同敷设深度下的中间接头与电缆本体载流量

类似的,以本体载流量为流经线芯的电流,研究了不同敷设深度时的中间接头温度分布(环境温度为293 K、土壤导热系数为0.5 W/(m·K),如图10所示。

图10 不同敷设深度下的中间接头温度分布

可以看出,当流经线芯的电流为本体载流量时,中间接头最高温度随敷设深度的增加而增加。敷设深度为1.00 m、1.25 m、1.50 m和1.75 m时的中间接头主绝缘交联聚乙烯最高温度分别为381.87 K、385.20 K、386.13 K和386.90 K。上述研究表明,为确保电缆主绝缘长期稳定可靠,建议以本体载流量确定电缆载流时应留有一定裕度。

3 结 论

上面搭建了土壤直埋110 kV中间接头和电缆本体稳态载流量仿真模型,对比研究了环境温度、土壤导热系数和敷设深度对中间接头和电缆本体稳态载流量的影响规律,得到的主要结论如下:

1)不同环境温度下的中间接头载流量始终小于本体载流量。环境温度为283 K、293 K、303 K与313 K时(土壤导热系数为0.5 W/(m·K)、敷设深度为1.0 m),中间接头载流量较相同环境温度下的本体载流量减小了约9%。

2)不同土壤导热系数下的中间接头载流量小于本体载流量。土壤导热系数为0.5 W/(m·K)、1.0 W/(m·K)、1.5 W/(m·K)和2.0 W/(m·K)时(环境温度为293 K、敷设深度为1.0 m)的中间接头载流量相较于相同条件下的本体载流量分别下降了8.9%、8.3%、7.8%和7.5%。

3)不同敷设深度下的中间接头载流量小于本体载流量。敷设深度为1.00 m、1.25 m、1.50 m和1.75 m时(环境温度为293 K、土壤导热系数为0.5 W/(m·K)的中间接头载流量相较于对应条件下的本体载流量分别下降了8.9%、10.2%、10.5%和10.8%。

4)由于中间接头的复杂结构,如按照本体载流量校核电缆载流能力,将导致中间接头主绝缘处于加速热老化状态,为确保电缆长期稳定运行,建议以本体载流量确定电缆载流时应留有一定裕度。