基于有限元法的電纜支架渦流損耗分析

王 偉，崔宇霆，孫雙倩，田 源，肖琪慧，陳 東，莫 鈞

（1.國網(wǎng)湖南輸電檢修公司，湖南 衡陽421000；2.國網(wǎng)廣水市供電公司，湖北 廣水432700；3.國網(wǎng)竹溪縣供電公司，湖北 竹溪442300；4.南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司紅河供電局，云南 紅河661100）

0 引 言

在電力系統(tǒng)中，電力電纜是重要的輸電設(shè)備，在電纜大電流的作用下，鋼支架渦流損耗不能忽略，且鋼制支架長期發(fā)熱對電纜外護(hù)套的壽命也有一定影響。因此，對鋼制支架渦流損耗進(jìn)行研究，有利于合理選擇電纜布置方式和電纜支架材料、減少損耗、提高電纜運(yùn)行水平。了解局放信號在電力電纜中的傳播規(guī)律對于電力電纜缺陷檢查具有重要意義。

1 模型建立

1.1 建立三維模型

在綜合管廊電纜隧道中，電纜支架上每層放置220 kV電壓等級的電纜，分別通以2 600 A交變電流，相位角相差120°。本文重點(diǎn)關(guān)注纜芯電流在支架上產(chǎn)生的渦流損耗和趨膚效應(yīng)，故簡化了電纜實(shí)際安裝在電纜支架上的抱箍結(jié)構(gòu)，懸于支架上方放置，且地下泥土的磁導(dǎo)率與空氣近似，故將空間環(huán)境設(shè)置為10 m×10 m×10 m的空氣包。圖1給出了在ANSYS中建立的三維模型圖。

進(jìn)行電磁分析所需的物理參數(shù)列于表1。

1.2 網(wǎng)格劃分

根據(jù)研究對象調(diào)整網(wǎng)格劃分的大小尺寸，保證剖分質(zhì)量。對于規(guī)則模型可采用智能剖分命令處理；而對于一些精細(xì)的不規(guī)則模型可選擇特定線、面進(jìn)行等份劃分或設(shè)定首尾步長比率劃分。剖分結(jié)果如圖2所示。

圖1 電纜支架渦流損耗計(jì)算模型

表1 有限元分析材料屬性

圖2 電纜、支架及空氣包剖分模型

2 邊界條件施加

本文給空氣包的六個面設(shè)置為無限遠(yuǎn)場。對于三層電纜線芯，每相施加2 600 A相角相互滯后120°的交變相電流，頻率為f＝50 Hz。具體的施加結(jié)果如圖3所示。

圖3 載荷施加

3 結(jié)果與討論

如圖4、圖5所示，第二層電纜纜芯的電流密度約為第一、三層電纜纜芯的兩倍，這是因?yàn)槿娎|加載的是相位角相互滯后120°的交變電流，幅值要用ANSYS顯示的幅值的絕對值大小乘以±cos120°。

如圖6所示，電流分布在電纜支架表面，支架中心部分電流密度最小，而越靠近電纜的支架橫擔(dān)中心的電流密度最大。結(jié)果使導(dǎo)體的電阻增加，其損耗功率也增加，故渦流損耗的最大值出現(xiàn)在支架橫擔(dān)最靠近電纜部分，為92.36 W。

圖4 電纜和支架的磁通密度分布云圖

圖5 電纜和支架的電流密度分布云圖

圖6 電纜支架的電流密度分布云圖