考慮三芯電纜不平衡電流的溫度分布控制研究

李峰 方敏 周軍俊 沈斌 陳金強 馮樂坪

摘 要：當前，三芯配電電纜在使用的時候不同相位上相應的用戶需求總是存在著或大或小的區別，因此會存在三相電流不平衡的問題。為了使得人們的用電需求得到最大程度的滿足，電力企業需要采取積極措施準確的評估在不平衡電流下電纜溫升的實際情況。本文采用有限元法，建立了相應的電纜溫度場計算模型，并且利用該模型對溫度的具體分布情況進行了全方位的分析工作。

關鍵詞：三芯電纜;不平衡電流;溫度分布;控制

1不平衡電流溫度場及系統計算方法

1.1XLPE電纜溫度場計算方法

由于電纜在實際使用過程當中的一系列需求，其長度要遠遠大于其截面積。因此在實際計算的過程當中，為了使得計算過程能夠變得更加方便，人們往往把三維的溫度場通過一定的方式方法轉化成為二維計算。在實際計算的過程當中，充分的利用到了傳熱方程以及熱能連續性定理，從而進一步得到泊松方程為：

（1）

而對于電纜來說，在實際使用的過程當中其內部導電的部分 qv滿足焦耳定律，可用式2表示：

（2）

而對于電纜的絕緣層區域， qv主要是介損所產生的。而這一值比起電纜的總體功耗來說非常的小，因此為了使得整個計算過程變得更加簡單方便，一般來說都對其進行忽略。對（1）式進行相應的推導，假設：

（3）

（4）

然后將是（3）和（4）帶入（1）中進行二維積分計算，可以進一步得到：

（5）

通過變形可得：

（6）

對于我國各地區來說，在電力電纜實際使用的過程當中，考慮到當地的實際需求，人們往往將電力電纜采用排管、溝槽、隧道這三種方式進行相應的敷設工作。其中排管敷設方式在實際使用的時候，電纜所產生的溫度很難傳導到外界環境當中。考慮到實際需求，本文采用排管敷設這一方式進行全方位的研究工作。為了讓整個分析過程變得更加簡單方便，選取了排管敷設下單根電纜進行相應的計算工作。最終得到各個溫度節點的計算公式：

（7）

1.2電流不平衡時損耗計算

在實際計算的過程當中，考慮到各個方面的實際需求，一般將負荷電流的不平衡度定義為：

（8）

通過一系列公式的推導可以得到當電流處于不平衡狀態當中的時候，相應的損耗計算公式為：

（9）

2電纜有限元模型建立

2.1電纜幾何及物理參數

為了使得計算結果更加具有代表性，本文選取浙江地區最常使用的YJV22–8.7/10–3×300 交聯聚乙烯電纜。電纜的主要幾何結構參數如表1所示。在實際計算的過程當中假設電纜所采用的埋設深度為L=700mm，相應的土壤熱阻系數取? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 。

2.2電纜模型剖分設定

在正式熱分析工作進行的過程當中，該地區溫度梯度的變化范圍相對來說比較小，考慮到一系列實際情況電纜模型設置刀鋒形狀為三角形。

3計算結果及分析

3.1不同不平衡度假的溫度分布

通過對該地區全面的調查分析后，本文采用對A相不平衡度 取-1～1.9進行相應的仿真工作。仿真結果顯示，當電力電纜在實際使用的過程當中，處于三相平衡這一狀態當中的時候，電纜周邊溫度場的分布處于均勻的情況。與此同時，由于各方面的因素影響其溫度的梯度相對來說比較小，當電力電纜在實際使用的過程當中由于各種因素的影響，僅有A相電流的時候，周邊溫度場的分布處于最不均勻的情況，與此同時其溫度梯度的具體數值也相對來說比較大。而當A相電流等于0的時候，電纜的溫度分布以及相應的梯度處于兩者之間。在實際工作的過程當中，當電力電纜的載流量能夠處于最優的配置當中，電纜各項都接近90攝氏度的時候，電力電纜的電流總和處于最大值。因此， 等于0時三芯電纜的總電流為最大。

3.2不同不平衡度下的電流及損耗分析

通過一系列的計算后發現，雖然電力電纜在實際使用的過程當中如果處于三相平衡這一狀態當中，相應的總電流處于最大值。然而當 等于0.6的時候，所對應的損耗率卻比 等于0的時候降低了10.5%。這一結果和高壓領域損耗計算的結果有著非常明顯的區別。之所以會出現這樣的現象，最根本的原因是由于10KV配電電纜中性點是處于不接地這一狀態而造成的。在這樣的情況下，現場工作人員不需要考慮中性線在實際使用過程當中所造成的電能損耗。

4結束語

綜合文章上面所描述的內容，本文以10KV三芯電纜作為實例對不平衡電流下電纜的溫度場分布計算公式進行了全方面的推導工作，并且進一步結合實際情況建立了排管敷設下單根電纜溫度場計算的數值模型，對相應的計算結果進行了全方位的分析工作。

參考文獻：

[1]王航. 考慮非線性負荷的電纜溫度和載流量評估[D].武漢大學，2019.