柔性直流輸電電纜溫度場建模及載流量分析

徐海寧，史令彬，盧志飛，韓 磊，高 震

（國網浙江省電力公司舟山供電公司，浙江 舟山 316000）

柔性直流輸電電纜溫度場建模及載流量分析

徐海寧，史令彬，盧志飛，韓 磊，高 震

（國網浙江省電力公司舟山供電公司，浙江 舟山 316000）

以舟山柔性直流輸電工程中±200 kV直流電纜為研究對象，利用有限元軟件ANSYS建立電纜溫度場模型，并將理論建模與現場實測數據進行比對，驗證了建模的正確性。在溫度場建模的基礎上對電纜載流量進行分析，指出在滿負荷情況下，電纜載流量仍有提升空間，可以為用電高峰或者維修時的電力調度提供風險評估參考。

電纜；溫度場；建模；載流量

0 引言

電纜載流量應滿足在電流作用下纜芯工作溫度不超過電纜絕緣耐熱壽命允許的溫度值，且符合導體連接可靠性要求。故在選擇和使用電纜過程中，應分析其電纜的溫度場特性，使電纜在保證傳輸容量的條件下各部分溫度均不超過電纜容許溫度。若載流量偏大，纜芯工作溫度超過容許值，將使電纜的絕緣壽命縮短或損壞。若載流量偏小，則電纜的輸電能力得不到充分利用，導致投資浪費。電纜制造廠商往往會提供保守的載流量數值以確保溫度保持在安全范圍內。而電纜運行中，則希望最大程度挖掘電纜傳輸能力，特別是用電高峰或維修時，但這需要評估風險，而不能冒然提升電纜載荷。

ANSYS軟件被廣泛運用于有限元分析建模，也可對于電纜建模進行溫度分析，文獻[1]以上海長江隧橋敷設的220 kV電纜為研究對象，進行ANSYS建模仿真計算，并且驗證了建模的高精確性；文獻[2]利用ANSYS建立三芯海底電纜模型進行溫度場分析，實現海底電纜溫度實時監測；文獻[3]利用有限元分析軟件ANSYS模擬多回路敷設下電纜溝內溫度場分布；文獻[4]利用ANSYS軟件對電纜有限元模型進行仿真計算，驗證電纜溫度場有限元模型能否準確計算電纜暫態線芯溫度。

以下運用ANSYS仿真軟件，根據電纜現場敷設環境進行電纜的溫度場建模，建立不同載荷下的光纖和纜芯的溫度映射表，結合實時采集的光纖溫度驗證建模仿真的正確性，溫度場建模為電纜載流量預測和靈活調度負荷提供了數據支持[5-7]。

1 傳感設備選型

1.1 光纖選型

光纖傳感技術是20世紀70年代伴隨光纖通信技術的發展而迅速發展起來的，以光波為載體，光纖為媒質，感知和傳輸外界被測量信號的新型傳感技術。激光在光纖中傳播時會產生3種散射分別為：瑞利散射、布里淵散射和拉曼散射，如圖1所示。

圖1 光纖傳播中的散射光

分布式光纖監測有兩大類：基于拉曼散射的溫度傳感和基于受激布里淵散射的溫度、應變傳感。二者對光纖材質要求不同，拉曼散射使用的是多模光纖，只能進行溫度傳感；布里淵散射使用的單模光纖，可以同時進行溫度和應變傳感。二者的關鍵性能指標對比如表1所示。

表1 分布式傳感指標參數對比

海島之間敷設電纜的距離近則幾千米，遠則幾十千米，使用單模光纖可以滿足監測要求。

1.2 BOTDA原理

BOTDA（基于受激布里淵散射的布里淵光時域分析儀）作為測溫設備，工作原理如圖2所顯示。

圖2 BOTDA工作原理

光纖兩端的激光發射器分別給光纖注入一束脈沖光和一束連續光，當脈沖光與連續光的頻率差與光纖中某個區間的布里淵頻移相等時，該區域就會發生受激布里淵放大效應，兩束光之間發生能量轉移。根據光纖布里淵頻移與光纖變、溫度之間的關系，對兩激光的頻率進行連續的調節，監測從光纖一端耦合出來的連續光功率，可以確定光纖各小區間上能量轉移達到最大時的頻率。研究發現，布里淵頻移與應變、溫度存在線性關系，其計算表達式如式（1）所示。

式中：ΔνB（z）為z點處布里淵光頻移變化量；Δε（z）為z點處傳感光纖處的應變變化量；ΔΤ（z）為z點處傳感光纖處的溫度變化量；C1，C2為光纖的布里淵頻移應變系數和溫度系數[7-8]。

通過BOTDA實時采集光纖溫度數據，采樣周期大約為1 min。

2 ANSYS溫度場建模流程

ANSYS主要包括3個部分：前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊。前處理模塊主要完成模型的建立，即實體建模及網格劃分；分析計算模塊即施加相應的載荷執行運算任務；后處理模塊即建模圖像直觀顯示和計算結果的導出。可以將建模結果以彩色等值線、梯度、矢量等圖像形式描繪，也可將結果以圖表、曲線等數據表達形式顯示輸出。

對電纜建立有限元模型進行溫度場分析，可采用圖3的建模流程。

圖3 ANSYS建立電纜溫度場模型流程

3 電纜仿真實驗

利用ANSYS仿真軟件，建立±200 kV型號為ZB-DC-YJQ03-200 kV-1×1 000 mm2的直流電纜的模型。電纜參數如表2所示。

根據ANSYS有限元建模流程，建立圖4模型，經過一系列前處理操作后得到網格劃分后的模型界面如圖5和圖6所示。

表2 直流電纜參數

圖4 電纜模型

圖5 ANSYS建立電纜模型-整體網格

圖6 ANSYS建立電纜模型-光纖單元局部網格

根據實際運行環境電纜為直埋水平敷設，纜間距0.25 m，埋深0.7 m，直埋土壤熱阻系數1.5 K·m2/W，空氣對流換熱3 K·m2/W，地表溫度10℃，土壤1.5 m深處溫度15℃，添加電壓邊界條件，仿真得到的電纜不同載流量條件下溫度場分布。不同載荷下的光纖與纜芯溫度映射關系如表3所示，由表3可知，隨著電流增大，光纖和纜芯溫度隨之升高。

4 仿真數據驗證

為了對有限元仿真結果進行驗證，在電纜試運行階段進行加載測溫實驗。在相同敷設的條件下，即相同埋深、相同邊界環境溫度、相同對流換熱等條件下，對實際運行的埋地電纜加載設定的電流（0～610 A），利用BOTDA監測光纖溫度，記錄電纜溫度場進入穩態后的光纖溫度，得到表4的電流與光纖溫度的映射。

表3 不同電流下的溫度映射表

表4 現場實測電流-光纖溫度映射

將相同邊界條件和電流載荷下光纖溫度的有限元仿真值與實測光纖溫度值進行比較，得到溫度對比圖如圖7所示，其中點集表示光纖理論溫度值，叉集為BOTDA實測得到的光纖溫度值。

圖7 理論建模與現場實測光纖溫度對比

將實測溫度數據（T1）與理論仿真溫度數據（T2）根據下式求解相對誤差（E）：

結果如表5所示，誤差趨勢如圖8所示。

表5 誤差分析

圖8 光纖溫度誤差趨勢

從表5的誤差分析表發現相對誤差均小于5%，符合工程誤差范圍要求，可認為建模數據正確具有參考意義。

5 載流量分析預測

為分析制造廠商給定的滿載荷電流是否為真實的電纜額定載流量，對于同一根海纜，在相同敷設的條件下（相同的環境溫度、對流換熱），導體施加滿載荷（1 120 A）時進行建立溫度場建模，得到建模結果如圖9。

圖9 滿載荷電流（1 120 A）時的溫度場分布

從仿真結果可以得到在廠商給定的滿載荷狀態下，其對應的光纖溫度與纜芯溫度如表6所示。

由數據分析可知：對于廠家規定的滿載荷電流1 120 A，實測的纜芯溫度為70.198℃，未達到海纜最高的運行溫度90℃，可得出電纜的極限運載能力未被充分利用。

為預測海纜真實的額定載流量，不斷增加電流，得到當電流為1 262 A時，纜芯溫度接近最高運行溫度90℃。對應的光纖溫度與纜芯溫度如表7所示。

表6 滿載荷電流下溫度映射

表7 過載電流下溫度映射表

對應的仿真如圖10所示。從圖10的建模結果可以得到，電流施加到1 262 A時，纜芯溫度才到達海纜的安全運行至高溫90℃。對比廠家給出的載流量，電纜實際載流量還有140 A的提升空間。

圖10 過載電流（1 262 A）時的溫度場分布

6 結語

針對柔性直流輸電的電纜進行溫度場建模，利用ANSYS仿真出溫度場分布，得到給定電流載荷下的電纜光纖溫度與纜芯溫度的映射關系表，仿真結果與實測數據的相對誤差滿足工程應用要求。在此基礎上，對給定海纜的載流量進行預測和分析，可以得到在給定工作環境下海纜的最大載流量，為今后在用電高峰或者維修時，需要在某一個電纜回路上增加輸送負荷提供了相應技術支持。

[1]殷瀟波，朱愛鈞，江秀臣.基于ANSYS混凝土箱梁結構內敷設電纜熱場仿真[J].微計算機信息，2010（28）∶136-138.

[2]劉頻頻，安博文，周靈，周蓉蓉.基于有限元法的復合海纜溫度場的仿真計算[J].計算機仿真，2013（10）∶288-292.

[3]陳誠.電纜溝敷設10 kV三芯電纜溫度場計算及試驗研究[D].廣州：華南理工大學，2012.

[4]馮海濤.電力電纜線芯溫度估算方法研究[D].大連：大連理工大學，2013.

[5]李小峰，唐興佳.高壓交聯聚乙烯絕緣海底電纜載流量分析[J].實用技術與管理，2010（6）∶39-42.

[6]李榮偉，李永倩.高壓電纜用分布式光纖傳感器檢測系統[J].光纖與電纜及其應用技術，2010（1）∶38-42.

[7]陳軍，李永麗.應用于高壓電纜的光纖分布式溫度傳感新技術[J].電力系統及其自動化學報，2005，17（3）∶48-51.

[8]沈一春，宋牟平，章獻民.長距離光纖布里淵散射研究[J].光子學報，2004，33（8）∶931-934.

原標題：基于BODTA技術的柔性直流電纜載流量及溫度場分析

（本文編輯：楊 勇）

Temperature Field Modeling and Ampacity Analysis of Flexible DC Transmission Cable

XU Haining，SHI Lingbin，LU Zhifei，HAN Lei，GAO Zhen
（State Grid Zhoushan Power Supply Company，Zhoushan Zhejiang 316000，China）

In this paper，±200 kV cable used in Zhoushan flexible DC transmission project is taken as research object.The finite element software ANSYS is used to establish cable temperature field model.Besides, the theoretic modeling and filed measured data are compared to validate the correctness of the modeling.On the basis of temperature field modeling，the cable ampacity is analyzed.The paper indicates that the cable ampacity can be improved further even in full load，which provides risk assessment for power dispatching during peak hours or maintenance.

cable；temperature field；modeling；ampacity

TM247

B

1007-1881（2015）11-0052-04

2015-09-17

徐海寧（1983），男，碩士，從事海纜運行檢修工作。