隧道電纜載流量計算及其影響因素分析

李巍巍，侯振奇，吳 科，張星海，甘德剛

(1. 國網四川省電力公司 電力科學研究院，四川 成都 610072；2. 四川大學 電氣信息學院，四川 成都 610065)

隧道電纜載流量計算及其影響因素分析

李巍巍1，侯振奇2，吳 科2，張星海1，甘德剛1

(1. 國網四川省電力公司 電力科學研究院，四川 成都 610072；2. 四川大學 電氣信息學院，四川 成都 610065)

研究了某地區電纜隧道內110 kV電纜實際運行情況下，不同排列方式對電纜載流量的影響。通過有限元仿真軟件建立了隧道內電纜溫度場的三維有限元仿真模型，計算了水平和三角形兩種不同排列方式下電纜的溫度場分布，對比分析了不同排列方式下的電纜載流量大小，并通過電纜溫升實驗驗證了仿真結果的可靠性。結果表明：兩種不同排列方式下電纜載流量大小存在明顯差異，水平排列三相電纜載流量明顯大于三角形排列，其中水平排列時B相電纜載流量提高5.0%，AC兩相電纜載流量提高9.5%。基于以上發現，電纜隧道內高壓電纜采用水平排列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；排列方式；溫度場；載流量

0 引言

隨著我國城市電網改造速度的加快，高壓電力電纜逐步取代架空線路成為城市輸配電的主要途徑[1]，電纜載流量是影響電力電纜安全運行的重要參數。實際上，電纜載流量的影響因素很多，很難準確獲取電纜的實際載流量，載流量過大會導致電纜導體溫度急劇上升從而破壞電纜絕緣縮短電纜使用壽命[2]。實際運行中為了保證電纜的安全，電力電纜加載的載流量遠沒有達到理論設計值，通常為載流量的20%～30%，電力電纜的利用率很低[3-4]。

針對電纜載流量，國內外專家進行了諸多研究[4-6]，Neher發展和完善了電纜溫度場和載流量的計算理論，并用場的概念計算了電纜及其周圍的溫度分布情況[7]； M.A. Hanna采用有限差分法來求解電纜溝敷設方式下電纜的溫度場分布及電纜載流量[8-9]；張磊等人利用實驗研究了海底電纜載流量的影響因素，并提出提高海底電纜載流量的方法[10]。然而過去的研究主要集中在電纜載流量的計算方法[11-12]、敷設環境對電纜載流量的影響[13]以及敷設方式對電纜載流量的影響[14]等方面。針對電纜隧道中110 kV電力電纜不同排列方式對電纜載流量的影響，還需要進一步研究。因此，研究電纜隧道中電纜不同排列方式對電力電纜載流量的影響對提高電纜載流量及電纜線路的傳輸功率具有十分重要的意義。

本文通過有限元法建立電纜溫度場的三維有限元仿真模型，仿真計算三角形和水平排列兩種不同排列方式下電纜溫度場分布及載流量大小，研究兩種不同排列方式對電纜載流量的影響，并通過電纜溫升實驗驗證了仿真結果的可靠性。

1 實驗

1.1 樣本制作

選取型號為YJLW02-64/110-1×60 mm2交聯聚乙烯(XLPE)電力電纜，按照以下步驟制作電纜樣本：(1)將電纜切割成長度為300 cm的試樣，剝去電纜兩端的絕緣層，使兩端漏出8 cm的線芯；(2)電纜樣本兩端的線芯導體用ST線夾固定。

1.2 電纜溫升實驗平臺搭建

為研究不同負荷下電纜線芯溫度變化情況，搭建電纜線芯導體溫升實驗平臺，實驗原理如圖1所示。

圖1 電纜溫升實驗原理圖

實驗室搭建的溫升實驗平臺如圖2所示，電纜線芯導體溫升實驗平臺主要由交流大電流發生器、電流互感器以及測溫系統等組成。

圖2 電纜溫升實驗平臺

其中，HRBSQ-5型交流大電流發生器輸入電壓為380 V，輸入端電流為132 A，最大輸出電壓為10 V，最大電流為5 000 A，電流調節最大誤差5～15 A，PT100型溫度傳感器的參數如表1所示。

表1 溫度傳感器參數

1.3 電纜線芯導體溫升實驗

恢復電纜線芯導體ST線夾連接處的絕緣，通過交流大電流發生器給電纜加載不同大小的電流，利用溫度傳感器測量不同大小電流下電纜導體線芯的溫度。兩只溫度傳感器分別用于監測左側線夾、右側線夾處的溫度數據。由于電纜溫度的上升存在著一定的時間常數，其時間常數一般取決于電纜線芯的本體參數以及外部環境的熱阻系數以及電纜的熱容常數，在穩定電流下電纜線芯導體溫度最終都降趨于穩定。實驗過程中規定電纜線芯導體的溫度在4 h內小于1 ℃時，認為電纜導體線芯的溫度達到穩定，讀取溫度傳感器的示數。

2 結果和分析

2.1 實驗結果

電力電纜線芯導體溫度變化直接反映電纜載流量的變化，測量不同負荷下電纜線芯導體的溫度可以確定電纜載流量的大小。通過交流大電流發生器給電纜線芯導體加載不同大小的電流，可以測得不同負荷下電纜線芯導體的溫度。實驗結果如表2所示。

表2 不同負荷下電纜線芯溫度

由表2可以發現，兩只溫度傳感器測得的電纜線芯導體溫度基本保持一致。隨著電纜線芯加載電流的增大，電纜線芯導體溫度逐漸增大。電纜導體線芯加載的電流從200 A增加至400 A時，導體線芯溫度增加比較緩慢，當導體線芯溫度從600 A增加至800 A時，導體線芯溫度急劇增加。

2.2 電纜敷設模型的建立

某地區電纜隧道110 kV電纜的敷設情況如圖3所示，電纜的排列方式為水平排列。根據電纜的敷設參數建立一個閉域場的幾何模型，分析計算電纜溫度場的分布以及載流量的大小。

圖3 電纜隧道110 kV電纜敷設結構圖

隧道電纜敷設模型如圖4所示。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，各參數均在模型中標注，可根據實際情況在模型中修改這些參數。電纜溫度場仿真中的損耗計算按照IEC 60287標準，電纜載流量計算可以參照文獻[3]，仿真計算出不同負荷下電纜線芯導體溫度，然后利用弦截法計算電纜的載流量。

2.3 單根電纜溫度場仿真結果

電纜載流量的影響因素很多，為了準確地分析三角形排列和水平排列兩種不同排列方式對電纜載流量的影響，先利用COMSOL Multiphysics數值仿真軟件建立了如圖5所示的單相電纜溫度場仿真模型，采用磁場求解器仿真計算單相電纜溫度場分布，并與實驗結果對比。仿真計算中電纜為YJLW02-64/110-1×630 mm2交聯聚乙烯(XLPE)電力電纜，具體參數如表3所示。

圖4 隧道電纜敷設模型圖

圖5 單相電纜溫度場仿真模型

材料名稱尺寸/mm線芯直徑29.9絕緣層半徑16.5阻水層半徑5.0鋁護套半徑2.5外護套半徑4.8

通過電纜溫度場仿真可以得到不同負荷下電纜線芯導體溫度。仿真結果如表4所示。

表4 電纜溫度場仿真結果

由表4可以發現，可以發現電纜溫度場仿真得出的線芯導體溫度和實驗測出的線芯導體溫度大小基本保持一致，說明仿真結果是比較可靠的。

2.4 不同排列方式下電纜溫度場和載流量仿真計算

不同排列方式的三相電纜溫度場仿真模型如圖6所示。仿真計算中電纜的下邊界是深層土壤，深層土壤的溫度基本保持不變，為第一類邊界條件，因此將底部深層土壤的溫度設為8 ℃；仿真模型左右垂直于土壤邊界的熱流密度設置為0，為第二類邊界條件；地表與空氣接觸且空氣溫度可以測得，設置為第三類邊界條件，隧道內部空氣溫度設為20 ℃，空氣的對流換熱系數設為5 W/m2·K。

圖6 三相電纜溫度場仿真模型

空氣溫度為20 ℃，通過電纜的負荷電流為1 000 A時，不同排列方式下電纜本體的溫度分布如圖7所示。

通過電纜溫度場仿真計算，可以得到不同負荷下電纜線芯導體溫度，采用弦截法可以計算不同排列方式下電纜載流量大小。弦截法計算如式1所示：

(1)

式中：f(xk)、f(xk-1)分別為根據加載電流xk、xk-1利用有限元計算得到的導體溫度減去90 ℃(交聯聚乙烯長期工作所能承受的溫度)所得到的溫度。

圖7 三相電纜本體溫度場分布

弦截法計算步驟如下：

(1)選擇合適的電流xk-1，計算其對應的溫度f(xk-1)，如果滿足要求，那么xk-1即為所求載流量，否則轉到步驟(2)。

(2)再選擇合適的電流xk，計算其對應的溫度f(xk)，如果滿足要求，那么xk即為所求載流量，否則轉到步驟(3)。

(3)根據式(1)計算電流xk+1，再計算f(xk+1)，如果滿足要求，那么xk+1即為所求載流量，否則轉到步驟(4)。

(4)xk-1=xk，f(xk-1)=f(xk)，xk=xk+1，f(xk)=f(xk+1)，轉到步驟(3)。

不同排列方式下載流量計算結果如表5所示。由表5可以看出，水平排列時三相電纜載流量不一樣，AC兩相電纜的載流量比B相大4.3%，三角形排列時ABC三相電纜載流量一樣大。水平排列時三相電纜載流量比三角形排列時大，其中AC兩相電纜載流量比三角形排列時大9.5%，B相電纜載流量比三角形排列時大5.0%。

表5 電纜載流量大小

2.5 仿真結果分析

傳熱表面的形狀、位置及大小等因素會影響物體間的對流傳熱。電纜三角形排列時，ABC三相電纜通常安裝成三角形的形式并通過電力金具進行固定，電纜相與相之間的間距較小；而水平排列時電纜水平排列時電纜ABC三相之間的間距相對較大。因此電纜三角形排列時電纜相間的熱場效應比水平排列時強，電纜及其周圍物質的散熱性能差，電纜敷設間距會影響電纜載流量的大小。

從仿真結果中可以看出，水平排列時電纜載流量相比三角形排列時明顯增大。電纜水平排列時，B相電纜夾在AC兩相電纜之間，相比AC兩相電纜B相電纜散熱性能較差，因此B相電纜的載流量小于AC兩相電纜。三角形排列時，電纜ABC三相之間通過金具緊緊的固定在一起，ABC三相電纜的散熱性能基本一致，因此ABC三相電纜的載流量也基本保持一致。通過仿真分析發現電纜的排列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水平排列的方式鋪設電纜。

3 結論

(1)水平排列時電纜ABC三相載流量不一樣，AC兩相載流量比B相大4.3%，三角形排列時電纜ABC三相載流量一樣大。

(2)兩種不同排列方式下電纜載流量不同，水平排列時電纜AC兩相載流量比三角形排列時大9.5%，B相載流量比三角形排列時大5.0%。

(3)電纜隧道內高壓電纜采用水平排列方式更利于改善電纜的溫度場分布及提高電纜的傳輸功率。

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Ampacity Calculation for Cable in Cable Tunnel and Its Influencing Factors

LI Weiwei1, HOU Zhenqi2， WU Ke2, ZHANG Xinghai1, GAN Degang1

(1. State Grid Sichuan Electric Power Research Institute, Chengdu 610072, China；2. School of Electrical Engineering and Information, Sichuan University, Chengdu 610065, China)

In the case of the actual operation of a 110 kV tunnel cable in a certain area, the influence of the different arrangement modes on the ampacity of power cables was investigated. A simulation model is set up to calculate the temperature field distribution for the tunnel cable by the finite element simulation software, and the ampacity of the power cables with two kinds of arrangement modes is analyzed as well, and the reliability of the simulation model is also proved through the cable temperature rise experiment. The result shows that there are obvious differences between the ampacity of power cables under two different arrangement modes. The ampacity of B phase cables is 5.0% higher while the ampacity of AC phases cables is 9.5% higher than that of triangular arrangement. Based on the above findings, compared with the triangular arrangement, the horizontal arrangement of the high-voltage cable is of greater advantage to better the temperature field distribution and improve the transmission power of the cable.

cable; arrangement; temperature field; ampacity

趙子東(1990-)，男，碩士研究生，主要研究新能源發電技術。

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.05.011

2016-12-12。

TM73

A

1672-0792(2017)05-0055-05