考慮不均勻土壤溫度分布的地下電纜載流量分析

嚴俊韜 田河 何文 鄺凡 徐力斌 柳竺江

【摘 要】為研究不均勻土壤溫度情況下電纜穩態載流量，本文建立不均勻土壤溫度情況下電纜三維模型，采用WORKBENCH仿真出電纜溫度分布，進而利用雙點弦截法精確計算電纜載流量，并采用IEC解析法驗證模型準確性。考慮街道表面溫度、街道寬度、電纜埋深等三種因素，得出與載流量的變化規律，可為實際工程及電力調度提供數據依據。

【關鍵詞】不均勻土壤溫度；電纜溫度；雙點弦截法；載流量

1 研究背景

二十一世紀以來，隨著我國提倡加快城鎮化建設，電纜的利用率不斷增長，在輸配電線路中越來越重要[1，2]。在電纜實際運行過程中，需要了解電纜溫度分布狀態，進而準確計算電纜載流量，確保電纜在運行過程中不至于因載流量過小而造成材料和空間的浪費，也不因載流量過高而導致電纜高溫過熱而損壞，甚至發生火災[3，4]。城市街道、停車場路口等經常會出現直埋電纜通過情況，尤其在夏季炎熱時，街道表面溫度急劇升高，致使電纜附近土壤溫度分布不均勻，不利于電纜散熱，造成電纜載流量降低。

為研究不均勻土壤溫度情況下電纜穩態載流量，以型號8.7/15kV YJV1×400的單回路XLPE電纜為例，根據傳熱學原理，建立不均勻土壤溫度情況下電纜三維模型；采用WORKBENCH仿真出電纜溫度分布，進而利用雙點弦截法精確計算電纜載流量，并在忽略不均勻土壤溫度情況下，通過IEC標準計算出電力電纜載流量解析結果，從而驗證仿真模型的準確性。進而，分析街道表面溫度、街道寬度、電纜埋深等三種因素對電纜載流量的影響，并得一定的變化規律；為實際工程及電力調度提供數據依據，增加電纜使用壽命。

2 分析不均勻土壤溫度情況下電纜載流量數值結果及模型驗證

2.1 建立不均勻土壤溫度情況下電纜模型

根據不均勻土壤區域、街道寬度、管道埋深、電纜埋深、相鄰電纜間距離、電纜結構參數等，繪制出不均勻土壤溫度分布的地下電纜尺寸圖，如圖1所示。

由圖1可得，土壤為區域一、二，溫度分別為T1、T2；區域一x向尺寸為街道寬度，即l；電纜埋深為h；電纜敷設方式為直埋，水平排列單回線路，且相鄰電纜之間距離為s。

2.2 數值結果分析

為實現在滿足精度情況下計算快速、求解簡單的目的，采用雙點弦截法求解電纜載流量[5]。以區域二土壤溫度T2恒為25℃為例，選取型號為8.7/15kV YJV 1×400的XLPE電纜，在已建立不均勻土壤溫度情況下電纜三維仿真模型中，熱源以單位體積生熱率的形式輸入直埋電纜導體內，進而運用雙點弦截法精確求解不均勻土壤溫度分布情況下電纜載流量。

在不均勻土壤溫度情況下電纜三維模型中設定為：第一類邊界條件為模型下邊界土壤，溫度數值為298K；第二類邊界條件為模型左右兩側土壤邊界，溫度梯度始終無變化，即仿真軟件中默認設置為0；第三類邊界條件為模型上表面溫度，換熱系數為12.5W/m2·K。

最終得出不同表面溫度和埋深情況下電纜載流量數值結果，見表1；得出不同表面溫度和街道寬度情況下電纜載流量數值結果，見表2。

由表1和表2可分析出以下結論：（1）區域一溫度T1由20℃至45度升高時，電纜載流量均減小，且溫度越高降低幅度越大；（2）當區域一溫度T1為25℃時，即與區域二溫度T2相等，此時為均勻土壤溫度，則電纜載流量基本無變化；（3）區域一溫度T1不變且大于區域二溫度T2時，電纜載流量隨著埋深增大而增大，否則相反；（4）區域一溫度T1不變時，電纜載流量隨著街道寬度變大而減小；（5）不均勻土壤溫度對電纜載流量影響顯著，例如街道寬20m，區域一由20℃變化至45℃，載流量由641.2降為533.5，下降16.8%。

2.3 模型驗證

在忽略不均勻土壤溫度情況下，考慮環境溫度單一因素變化，根據IEC解析法計算值，與通過仿真求得載流量的對比情況，當環境溫度變化時，仿真值和解析值最大誤差為3.81%，在合理范圍5%之內，證明均勻土壤溫度情況下電纜載流量仿真模型準確。對于非均勻土壤溫度情況下，通過設定不同區域溫度得到本文數值結果。

3 不均勻土壤溫度對電纜載流量的影響分析

3.1 街道寬度對載流量的影響

當街道寬度越大時，即區域一寬度越大，并且隨著區域一溫度升高，電纜所處溫度偏高的距離越大，造成電纜附近土壤散熱效果更差，導致電纜溫度越高而載流量降低。不同街道寬度下載流量隨區域一溫度的變化曲線，如圖2所示。

如圖2所示，電纜載流量隨區域一溫度的升高而降低，且下降趨勢越快；隨街道寬度的增加而減小，但在街道寬度達到15m之后，電纜載流量達到穩定。

3.2 不同區域溫度對載流量的影響

當不同區域溫度不同時，電纜埋深越大，受路面高溫影響越小，電纜周圍土壤散熱效果越好，造成電纜載流量越高。不同區域溫度下載流量隨埋深的變化曲線，如圖3所示。

如圖3所示，電纜載流量隨埋深增大而增加，且埋深減小電纜載流量變化越快，但3m之后載流量趨于穩定；隨區域二溫度降低而增加。

3.3 電纜埋深對載流量的影響

當電纜埋深越小時，隨著區域一溫度升高，造成電纜附近土壤散熱效果更差，導致電纜溫度越高而載流量降低。不同埋深下載流量隨區域一溫度的變化曲線，如圖4所示。

如圖4所示，當區域一溫度小于區域二溫度時，電纜載流量隨埋深增大而降低；當區域一溫度大于區域二溫度，電纜載流量隨埋深增大而升高。電纜載流量隨區域一溫度的升高而降低，且下降趨勢更快。

4 結論

根據傳熱學原理，建立了不均勻土壤溫度分布的電纜仿真模型，利用WORKBENCH模擬街道表面溫度、街道寬度、電纜埋深等三種因素對電纜載流量的影響，得出以下結論：

a.電纜載流量下降16.8%，即不均勻土壤溫度對電纜載流量影響顯著；

b.電纜載流量隨區域一溫度的升高而降低，且下降趨勢越快；隨街道寬度的增加而減小，直至15m之后趨于穩定；隨區域二溫度降低而增加；

c.當區域一溫度小于區域二溫度時，電纜載流量隨埋深增大而降低，反則升高。

參考文獻：

[1]周遠翔，趙健康，劉睿，等.高壓/超高壓電力電纜關鍵技術分析及展望[J].高電壓技術，2014，40（9）：2593-2612.

[2]于競哲.基于有限元法的交流XLPE電纜改為直流運行的溫度場仿真分析[J].電工技術，2017（7）：28-29.

[3]周象賢，蔣愉寬，王少華，等.直埋電纜長期溫升影響因素分析[J].高壓電器，2017，53（10）：178-182.

[4]馬國棟.電線電纜載流量[M].北京：中國電力出版社，2013：39-40.

[5]祝賀，嚴俊韜，于卓鑫.外熱源干擾下電纜載流量計算及通風增容分析[J].水電能源科學，2018，36（04）：195-198+212.

（作者單位：廣東電網有限責任公司東莞供電局）