不同接地方式對電纜載流量的影響

國網四川省電力公司阿壩供電公司　孫　波

不同接地方式對電纜載流量的影響

國網四川省電力公司阿壩供電公司孫波

本文研究某地區隧道電纜實際運行情況下，不同接地方式對電纜載流量的影響。通過有限元仿真軟件建立了電纜溫度場的仿真模型，仿真計算了單端接地和雙端接地不同接地方式下電纜的溫度場分布，并對比分析了兩種不同接地方式下的電纜的載流量大小。結果表明：兩種不同接地方式下電纜溫度場分布及載流量大小存在明顯差異。相同負荷下，單端接地方式下線芯溫度明顯低于雙端接地時，載流量比雙端接地時時高3.5%。基于以上發現，電纜隧道內高壓電纜采用單端接地方式更利于改善電纜的溫度場分布和提高電纜的傳輸功率。

電纜；溫度場；載流量

0　引言

隨著我國城市電網改造速度的加快，電力電纜因優越的電機械性能及美觀安全等特性在城市電網中得到廣泛的應用［1］。電纜的載流量是當電纜導體達到長期允許工作溫度時的電纜能加載的最大電流，是影響電纜的安全可靠運行的重要因素。電纜載流量加載過大會導致電纜線芯溫度急劇升高，長時間運行會加快電纜絕緣老化，導致電纜擊穿進而造成停電事故。實際運行中，為保證安全電纜加載的載流量遠低于電纜的理論設計值，導致電纜的利用率很低［2］。

針對電纜載流量的問題，國內外專家進行了諸多研究［3-4］，M.A. Hanna教授曾采用有限差分法仿真計算了電纜溝敷設方式下電纜的溫度場分布及電纜載流量大小［5］；重慶大學的楊永明教授利用有限元法仿真分析了電力電纜的溫度場分布及電纜載流量的影響因素［6］，東北電力大學的周曉虎教授詳細比較了地下電纜不同敷設情況下穩態載流量的差異［7］。然而針對不同接地方式對電纜載流量的影響，國內外的專家學者的關注還不夠。因此，研究電纜不同接地方式對電力電纜載流量的影響對提高電纜載流量及線路的使用效率具有十分重要的意義。

本文通過有限元法建立不同接地方式下電纜溫度場的仿真模型，仿真計算單端接地和雙端接地不同接地方式下電纜溫度場分布和載流量大小，并分析了不同接地方式下對電纜溫度場分布及載流量的影響。

1　電纜溫度場計算模型

1.1幾何模型的建立

某地區110KV電纜隧道的寬，高都為3500mm；左、右和下邊界距離隧道墻體3000mm，上邊界距離隧道墻體1300mm；隧道墻體厚350mm； 電纜線芯距隧道底部800mm。根據電纜的敷設參數建立一個如分析計算電纜溫度場的分布以及載流量的大小，敷設模型的參數均在圖中標注。該模型考慮了電纜的敷設方式、土壤導熱系數、隧道中空氣熱阻等載流量影響因素，可根據實際情況在模型中修改這些參數。

圖1　隧道電纜敷設模型圖Fig.1 Cable laying model in tunnel

1.2邊界條件確定

利用COMSOL Multiphysics仿真計算中需要說明導熱物體邊界上的熱狀態以及周圍環境相互作用的情況，常用的邊界條件有三類［8-9］：第一類邊界條件為已知邊界溫度；第二類邊界條件為已知邊界法向熱流密度；第三類邊界條件為對流邊界條件，即已知流體溫度和換流系數。對應的控制方程如式（1）和（3）所示。

結合文獻［3］，圖1所示的隧道電纜，電纜水平方向溫度梯度為0，因此左右邊界屬于第二類邊界；下邊界是地表，與空氣存在對流且空氣溫度可以測得，因此下邊界屬于第三類邊界；下邊界是深層土壤，深層土壤的溫度是恒定的，因此下邊界屬于第一類邊界。

1.3損耗計算

電纜隧道內的熱源主要是電纜的導體損耗、絕緣損耗以及金屬護套損耗，需要分別計算。

導體損耗為：

式中，Wc表示電纜導體單位長度的損耗，I表示電纜線芯導體的載流量，R表示電纜最高工作溫度單位長度的交流電阻。

電纜在最高工作溫度時的交流電阻為：

式中yp為鄰近效應系數，ys為趨膚效應系數，R’為導體在工作溫度下的直流電阻。

絕緣損耗為：

式中，ω為角頻率；U0為電纜導體對地相電壓，單位為V；tanδ為絕緣損耗因素；c為單位長度的電纜的電容，單位為F/m 。

金屬護套損耗系數為：

式中λ1為環流損耗系數，λ2為渦流損耗系數，兩者都是與總的導體功率損耗之比率。

金屬護套損耗為：

2　結果分析及討論

2.1仿真模型的建立

本文以某地區電纜隧道中110kV電力電纜為研究對象，單芯電纜的結構如圖2所示，單芯交聯聚乙烯電纜由線芯導體、內半導電層、XLPE絕緣層、外半導電層、阻水層、皺紋鋁護套以及外護套層構成。電纜的結構參數如表1所示，具體敷設參數如表2所示。電纜溫度場仿真模型如圖3所示，仿真計算中隧道內部空氣溫度設為20°C。

2.2仿真結果分析

通過仿真計算，可得到電纜線芯導體加載800A電流時的溫度場分布，如圖4所示。由電纜溫度場仿真計算可以得出不同負荷下三相電纜ABC線芯的溫度，采用雙弦點法［10］可以計算出三相電纜載流量大小，結果如表3所示。

圖2　110kV電纜結構圖Fig.2 Structure of 110kV cable

表1　高壓電力電纜結構參數Tab.1 Structural parameters of high voltage powe

表2　電纜敷設參數Tab.2 Cable laying parametersl

圖3　電纜溫度場仿真模型Fig.3 Temperature field simulation model of cable

圖4　電纜溫度場分布Fig.4 Temperature field distribution of cable

表2　電纜載流量Tab.2 The ampacity of power cables

由電纜溫度場仿真結果可以看出，同等負荷下，單端接地方式下三相電纜線芯導體的最高溫度比雙端接地時低，三相電纜溫度場分布更加合理。由表3的電纜載流量統計結果可以發現，單端接地電纜的載流量明顯比雙端接地時大，其中AC兩相電纜載流量比雙端接地時大3.4%，B相電纜的載流量比雙端接地時大3.5%。

2.3討論

電纜護層采用單端接地方式時，護層上幾乎沒有損耗，不會對電纜載流量產生影響，鋁護套上的環流損耗為零。而電纜電纜兩端采用雙端接地時，鋁護套環流損耗不為零，會產生環流損耗，進而影響電纜的載流量。

從溫度場仿真結果中可以看出，單端接地時電纜載流量比雙端接地時大。通過仿真分析發現電纜的接地方式對電纜載流量有很大的影響。為了提高電纜的載流量及使用效率，在電纜隧道內盡量采用單端接地方式敷設電纜。

3　結論和建議

本文通過對電力電纜單端接地和雙端接地兩種不同接地方式的電纜溫度場及載流量進行仿真分析，得出以下結論和建議：

當加載相同的電流時，單端接地時電纜線芯導體的溫度比雙端接地時低，電纜載流量比雙端接地時大3.5%，采用單端接地的方式更有更利于改善電纜的溫度場分布和提高電纜的傳輸功率。

［1］周遠翔，趙健康，劉睿等.高壓/超高壓電纜關鍵技術分析及展［J］.高電壓技術， 2014（40）：2593-2612.

［2］劉剛，雷成華.提高單芯電纜短時負荷載流量的試驗分析［J］.高電壓技術，2011（37）：1288-1293.

［3］J.H.Neher and M.H.Mcgrath. The Calculation of the Temperature Rise and Load Capacity Of Cable Systems［J］， AIEE Trans.， Part III， Oct.1957，752-772.

［4］楊永明，程鵬，陳俊等.基于耦合場的通風電纜溝敷設電纜載流量計算及其影響因素分析［J］.電力自動化設備，2013，33（7）： 139-143.

［5］M.A.Hanna， A.Y.Chikhani and M.M.A.Salama .Thermal Analysis of PowerCables inMulti-layered Soil， Part2： Practical Considerations［J］. IEEE Transactions on Power Delivety，1993，3（8）： 772-777.

［6］楊永明，程鵬，陳俊等.考慮空氣流場影響的電纜散熱特性研究及其影響因素與經濟性分析［J］.電力自動化設備，2013（33）：50-54.

［7］周曉虎.地下高壓電力電纜溫度場數值計算［D］.東北電力大學， 2008.

［8］陶文銓.數值傳熱學［M］.西安：西安交通大學出版社，2001.

［9］孔祥謙.有限單元法在傳熱學中的應用［M］. 北京：科學技術出版社，1998.

［10］王有元，陳仁剛，陳偉根等.有限元法計算地下電纜穩態溫度場及其影響因素［J］.高電壓技術，2009，34（12）：3086-3092.