電纜上桿對直埋敷設配電電纜載流能力影響研究

牛榮澤，謝芮芮，尹軼珂，張周勝，劉 超

（1.國網河南省電力公司電力科學研究院，河南鄭州 450052；2.國網河南省電力公司洛陽供電公司，河南洛陽471009；3.上海電力大學，上海 200090）

引言

目前，配電線路電纜覆蓋率水平逐年增加，河南近5 年年均增長率達到20%。配電網存在大量的架空線電纜混合線路。架空線和電纜的連接處需要電纜上桿。直埋敷設是最為常見的配電電纜敷設類型，如果不考慮電纜上桿對整體電纜載流能力的影響配置電纜載流量，容易導致電纜出現卡脖子環節，負荷大時局部過載造成電纜損傷[1-3]。本課題就電纜上桿對直埋敷設電纜整體的載流能力影響開展研究，確定影響程度，指導實際載流量配置。電纜一般采取單根上桿模式。選取型號為YJV22-8.7/15kV-3×400 的典型配電電纜，由內到外分別是銅芯導體、絕緣保護層、填充材料層、電纜外部環境（包括包帶護套、保護板）等。

1 計算算法和依據

直埋敷設的電纜熱量只在固體中傳遞，包含熱傳遞、熱輻射、熱對流3 種方式，屬于流固耦合的傳熱過程，采用不可壓縮流體數值求解[4-7]，本課題采用有限元法利用ANSYS 軟件對架空入地電纜進行數值計算；搭建SIMPLE 算法模型，利用fluent 軟件對電纜上桿各情況下的電纜載流量進行計算。

1.1 直埋電纜傳熱方程和算法

熱傳遞屬于固體傳熱過程，二維導熱控制公式為：

式中：參數ρ、c、T、k 分別為密度、比熱、溫度和導熱系數；Q 為單位體積內產生的熱量。

1.2 熱對流方程和算法

（1） 封閉腔場景下，自然對流換熱物質質量方程（守恒）：

（2） 動量方程（守恒）：

式中：u、v、Fx、Fy分別為速度和力在兩個坐標上的分量，ρ 為密度。

（3） 能量方程（守恒）：

式中：cp、λ 分別為熱容和導熱系數。

1.3 熱輻射方程和算法

本課題物體輻射熱流量的計算可以采用斯特藩-波爾茨曼定律計算，具體公式如下：

式中：ε、A、σ 分別為輻射率、輻射表面積和斯特藩-波爾茨曼常數。

2 電纜上桿建模分析

2.1 SIMPLE 模型搭建與科學算法

電纜上桿求解，存在流固耦合問題，SIMPLE 模型搭建和其改進算法，是局放模型計算流固耦合不可壓縮流場的主要方法，采用SIMPLE 模型算法進行速度分量和壓力方程的分離式求解[8-10]。流程圖見圖1。

圖1 SIMPLE 模型算法流程

2.2 電纜直埋敷設溫度場模型

電纜直埋敷設時，熱傳導以傳熱方式為主，熱傳導控制方程下邊界符合第一類邊界條件，左右邊界符合第二類邊界條件，上邊界符合第三類邊界條件，具體模型見圖2，整個區域為閉域場，近似于半無限大溫度場。

圖2 電纜直埋敷設溫度場模型

對SIMPLE 模型求解計算得到地埋電纜周圍環境溫度場分布。電纜采取等負荷運行，在計算時采取有限元法與弦截法結合來確定電纜載流量。

經仿真軟件得出電纜XLPE 絕緣層最高允許工作溫度90 ℃時，單根至四根并行電纜載流量分別為501 A、438 A、397 A 和372 A。

2.3 電纜上桿溫度場模型

以電纜保護桿外側為邊界形成閉域場進行求解，保護管外側符合第三類邊界條件，對流換熱系數取7.29（W/m2·℃）和空氣溫度取40 ℃，設置好邊界條件后利用SIMLPE 模型算法進行迭代求解，得到電纜上桿時周圍溫度場分布。

當電纜XLPE 絕緣層最高溫度達到90 ℃時，經過有限元法和弦截法結合求解得到電纜上桿時的載流量為409 A。如表1 所示，電纜上桿段載流量較單根、兩根并行電纜直埋敷設情況下小，所以電纜上桿時需要降低單根、兩根電纜直埋敷設時的載流量；較三根、四根電纜直埋敷設，電纜上桿不會影響三根、四根電纜并行直埋敷設時電纜的載流量。

表1 電纜上桿對直埋敷設電纜載流量的影響

3 影響因素分析

3.1 環境溫度的影響

溫度對電纜載流量影響的仿真結果見圖3，隨著溫度的變化，電纜上桿主要影響單根、兩根電纜直埋敷設時載流量[11]。

圖3 環境溫度變化時電纜上桿對單根- 四根電纜直埋敷設載流量的影響

3.2 直埋電纜敷設間距的影響

本課題以兩根電纜并行敷設為例來研究敷設間距對直埋電纜載流量的影響，并分析在不同敷設間距下電纜上桿對兩根電纜直埋敷設載流量的影響[12]，仿真軟件得出結果見圖4。

圖4 敷設間距對兩根直埋電纜載流量的影響

3.3 太陽照射使得上桿電纜保護管外部發熱影響

太陽照射會使上桿電纜保護管外部發熱，改變上桿電纜載流量計算的邊界條件，從而改變上桿電纜的最大允許載流量。太陽照射導致模型的大氣環境溫度邊界條件的改變，數值計算不同大氣環境溫度下的上桿電纜最大允許載流量即可獲取太陽照射的影響大小。

當環境溫度為40 ℃時，上桿電纜的載流量為409 A，考慮不同保護管外表面溫度時的上桿電纜載流量數值計算結果見表2，上桿電纜的載流量按照公共配電變壓器組的備用可靠性規劃方法，隨保護管外表面溫度的升高而線性減小。

表2 太陽照射對上桿電纜載流量的影響

4 創新點

通過搭建SIMLPE 模型，利用fluent 軟件對電纜上桿各情況下的電纜載流量計算，指導現場生產中配電電纜整體載流量配置，避免電纜上桿出現局部故障。

5 結論

（1） 電纜上桿時，電纜載流量減小。電纜上桿時保護管周圍是空氣，通過軟件仿真計算，電纜載流量變小。

（2） 電纜上桿會降低直埋敷設時的載流量，直埋電纜的敷設間距增大載流量隨之增大。直埋電纜的敷設間距增大，電纜之間的影響會越來越小，電纜的載流量會逐漸增大。

（3） 電纜從地下上桿時，電纜載流量受到空氣溫度變化影響較大。電纜從地下上桿時，保護管四周都與空氣有直接接觸，都能與空氣產生熱交換，電纜上桿時的載流量受到空氣溫度影響較大，電纜載流量的影響也越來越大。