基于有限元的电力电缆过负荷运行能力研究

为充分发挥电力电缆裕量,介绍了基于有限元的电缆温度场计算方法,并通过电缆预埋温升试验验证了该方法的正确性及可行性.以东北地区春平甲乙线220 kV 1000 mm2电缆运行实际状况为例,计算了春平甲乙线的额定载流量以及日负荷曲线下的缆芯温升.计算结果表明,线路运行载流量不足额定载流量的26％,缆芯的最高温度不足22℃,电缆存在很大的过负荷运行能力.采用负荷标幺值分析不同电压等级和不同截面积下的过负荷运行能力,结果表明在同一环境下,不同型号的电缆过负荷运行能力基本相同。     

基于迭代算法的220kV麒天甲乙线单芯电缆载流量分析

鉴于IEC 60287系列标准中的电缆载流量计算方法(以下简称IEC 60287算法)较保守和精确度不高,提出采用精确度和适用范围均比IEC 60287算法优越的迭代算法进行电缆载流量计算.利用广东电网公司重点科技项目——电缆载流量研究的土壤温度推荐值,以迭代算法对220 kV麒天甲乙线进行全路径电缆载流量分析,对所有...     

XLPE交流电缆线路改为直流运行的载流量设计与分析

在现役XLPE交流电缆线路的直流改造中,载流量的合理设计是关键问题之一,决定了改造线路的传输容量和运行可靠性。文中对同一线路在交、直流电压下运行时的等效热路模型及载流量解析算法进行了对比,分析了造成交、直流线路载流量差异的关键因素,并以空气敷设的三芯10 kV XLPE电缆为例,进行了同一线路在相同敷设条件下的交、直流载流量模拟试验。研究发现,目前直流改造所涉及的现役XLPE交流电缆线路,在进行直流载流量评估时,绝缘温差要求不成为限制条件,仅需考虑线芯温度限制、按照IEC60287-2017推荐方法进行计算;在线芯电阻、金属护套损耗、载流芯数、环境热阻及线芯允许长期工作温度等影响因素中,交流电缆改为直流运行后线芯允许工作温度由90℃下降为70℃,在很大程度上抵消了其他因素对载流量的有利贡献;10 kV XLPE电缆载流量模拟试验数据和解析计算结果吻合,偏差很小,验证了解析计算方法的有效性。对10、35 kV三芯和110 kV单芯电缆在不同典型敷设情况下的交、直流载流量计算显示,改为直流运行后,三芯电缆的载流量略有增加,单芯电缆稍有下降,变化幅度均未超过6.5%。     

复杂运行条件下交联电缆载流量研究

载流量是决定电力电缆经济可靠性最重要的参数。针对城市地下电力电缆电网运行条件复杂化,电缆线路载流量因素难于确定的状况,首次在国内开展了110 kV交联电缆载流量的试验研究,模拟实际条件进行了110kV交联电缆在大埋深、多回路以及在各种负荷状态等条件下的电缆载流量试验。通过试验研究,给出了不同运行条件下电缆载流量,得到了不同敷设形式、负荷状况下电缆的负荷电流、导体温度、表面温度间的关系数据,并对电缆线路载流量的主要影响因素进行了分析。通过研究得到了几种特定敷设条件下电缆载流量试验的数据,给出了电缆线路典型的外部热环境参数参考值。研究结论能够直接用于城市电网的实际运行,并能作为电缆线路设计、优化以及运行时载流量控制的指导数据。     

长距离隧道敷设电缆载流量仿真计算方法研究*

电网负荷的日益增大使得电缆隧道中敷设电缆回路数逐渐增加,导致电缆隧道温度不断升高,从而限制电缆载流量。对长距离电缆隧道进行强制通风是提高电缆载流量的一个有效措施,但通风状态下的隧道电缆载流量的计算方法还不完善。基于等效热路模型提出多层电缆结构简化计算方法,先求出等效热源Qeq和等效热阻率ρeq,进而建立双层仿真计算模型。为对长距离通风长度的隧道中敷设电缆载流量进行仿真计算,提出分段仿真计算方法,将上一段隧道出口的温度和速度分布作为下一段进口的温度和速度边界条件。进一步地,针对110 kV、220 kV和500 kV电缆,仿真分析得到了不同风速和通风长度对电缆载流量的影响机制。仿真结果表明,对于通风长度为1 km的电缆隧道,10 m/s风速工况下相比静止状态下的110 kV、220 kV和500 kV电缆载流量分别提升了467.05 A、549.18 A和573.4 A;当通风长度从100 m增加到1000 m时,各电缆载流量分别降低了95.34 A、117.54 A和130.6 A。研究成果可为电缆隧道通风设计、在线监测提供参考。     

66kV交流交联聚乙烯电缆线路改为直流运行的直流载流量

将交流电缆线路改为直流运行是提高电缆线路输送功率的有效途径之一,确定交流电缆的直流载流量对电缆的交流改直流运行意义重大。为此,采用解析法和数值法分析了空气中敷设66 kV电压等级交流交联聚乙烯(XLPE)电缆的直流载流量,开展了直流载流试验;同时采用数值法计算了直埋敷设2根平行排列交流电缆的直流载流量,并计算了电缆改为直流运行后的输送功率。计算结果表明:对于空气中敷设的交流电缆,采用解析法和数值法得到的直流载流量与试验测试结果基本一致(780 A);直埋敷设交流电缆的直流载流量约为710 A;当交流电缆改为直流运行的工作电压取57 kV时,其输送功率和原交流系统相等。上述结果验证了解析法在计算高压(66 kV)电缆直流载流量时的适用性,同时为后续66 kV交流电缆线路改为直流运行奠定了基础。     

高压直流电缆直流载流量计算和验证

为了掌握高压直流电缆直流载流量,最大限度的利用电缆的输送能力,通过理论计算与试验测量结合的方式,研究了±535kV高压直流电缆直流载流量。基于IEC60287计算了导体运行温度为70℃和90℃时的直流载流量,同时搭建了载流量试验回路,实测了运行温度为70℃和90℃时的直流载流量。试验表明,自由空气中敷设、电缆不受日光直接照射,70℃的载流量为3 266A,90℃的载流量为3 682A,90℃运行与70℃运行相比载流量提升12.7%;高压直流电缆载流量理论计算结果与实测结果基本一致,两者相差不超过0.5%。     

基于有限元法的交流XLPE电缆改为直流运行的温度场仿真分析

对交流交联聚乙烯(XLPE)电缆配电线路进行直流改造后,确定合理的载流量对电缆的安全稳定运行及配网供电能力的提高具有重要意义。针对10kV和35kV交流配网中的典型三芯XLPE电缆,通过有限元分析软件ANSYS建立电缆温度场仿真模型,对电缆在双极式直流运行方式下的温度场分布进行仿真分析。仿真结果显示,当电缆的长期运行温度为70℃时,所选典型10kV和35kV交流XLPE电缆改为双极式直流运行后的载流量分别取440A和300A为宜,可为相关工程提供一定参考。     

复杂敷设输电电缆线路载流量瓶颈的时空特性

沿途敷设方式、土壤环境等的不同导致电缆线路存在载流量瓶颈,整条电缆线路的负载能力由其瓶颈段决定。在电缆导体温度评估的基础上,提出了电缆线路载流量瓶颈的识别方法。针对广州220 k V麒天甲乙线的实际情况,识别了典型场景下的载流量瓶颈,分析了载流量瓶颈的时空特性,评估了该线路的负载能力。研究结果表明,在持续负荷作用下,电缆线路的载流量瓶颈段与负荷的轻重、季节等有关;在应急负荷作用下,电缆线路的载流量瓶颈段与初始负荷电流大小、应急时间、应急电流大小等有关。研究成果可为复杂敷设电缆线路的负荷调度提供技术支持,提高负荷高峰期电缆运行的安全性。     

电缆典型敷设方式下温度场分布及载流量计算

本文以220kV 2 500mm2截面电力电缆为例,采用有限元方法计算了含4回电缆的电缆群在3种典型敷设方式下加载不同负荷电流时的温度场分布情况,并采用双点弦截法计算了电缆群在不同环境温度时的载流量。通过计算分析得出:隧道敷设时电缆导体最高温度最低,且电缆载流量随环境温度升高而降低,当环境温度为10℃时,电缆的运行载流量超过环境温度为40℃时的20%以上。     

基于迭代法的单芯电缆载流量的研究

为解决电缆导体温度难测问题,采用迭代方法,以单芯电缆主绝缘能耐受的温升为依据,研究了单芯电缆的载流量。编程计算了单芯电缆金属护套两端直接接地及无环流时的载流量;讨论了环流对载流量的影响,并与IEC计算公式所得结果进行比较,验证了计算的正确性。并研究了双回路运行时,一回路电流对另一回路载流量的影响。结果表明,在两端接地方式下,金属护套环流对电缆载流量的影响很大,约为单端接地方式(无环流)的60%~80%。交叉互联接地方式下分段均匀的电缆,环流相对较小,对载流量的影响不大。负荷不均匀的双回路运行时,其中增加一回路负荷将使其临近回路的载流量减小。     

典型敷设环境下超高压交流XLPE海底电缆载流量分析

超高压海底电缆线路跨度大,运行环境复杂多变,不同敷设环境下海底电缆的输送容量也不尽相同,有必要对典型敷设环境下超高压海缆输送载流量进行具体分析。文中基于IEC 60287标准建立考虑外界敷设环境影响下的500 kV交流XLPE超高压海底电缆的稳态热路模型,对不同敷设段、不同敷设方式、不同环境温度以及不同埋设深度对海缆载流量的影响规律进行分析,并建立超高压海底电缆磁-热-流多物理场耦合有限元仿真模型对稳态热路模型计算结果进行验证。结果表明：海缆登陆段为整条线路的载流量瓶颈段,当登陆段海缆采用管道敷设时,其载流量要比采用土壤直埋敷设时的载流量降低约150 A。海缆载流量随着外界温度的升高以及土壤埋设深度的增加而逐渐降低。有限元计算结果验证了文中所建立的热路模型计算结果的准确性。     

A new approach to underground cable performance assessment

This paper presents a new approach to thermal field sensitivities and ampacity computations of underground power cables using a proposed algorithm of perturbed finite-element analysis. The new approach involves the use of derived sensitivity coefficients associated with various cable parameters of interest, and use these coefficients to achieve optimal cable performance. The proposed model provides a quick methodology, based on the finite-element model, to assess the cable thermal performance subject to variations in the cable thermal circuit parameters. The developed algorithm was applied to various practical cable systems. The effect of multilayered thermal conductivities and boundary parameters variations on the actual cable system ampacity was investigated using the proposed methodology. A comparison was made of the obtained results with the conventional finite-element approach in order to show the applicability and usefulness of the developed methodology. Our objective was to assess the effects of operating parameter variations in a straightforward manner, without repeating the thermal field analysis for each parameter change. The thermal field of an underground power cable sample directly buried in the soil was measured in the laboratory using a developed full-size experimental setup. The investigations involve all parts of the thermal circuit parameters representing cable composition, surrounding soil and boundary phenomena. The experimental setup was used to validate the simulation model by comparing the simulation results with the real laboratory measurements. Such experimental verification confirmed the accuracy of the new introduced finite-element sensitivity methodology.     

Steady-state operating conditions of very long EHVAC cable lines: Two case studies

The paper deals with the operation of very long EHV AC cable lines in a well-developed bulk power system, by simulating two 400 kV-50 Hz single circuit cable lines, 80-100 km long, installed at different locations of the Italian transmission network, both standing alone and in parallel to an existing overhead line. The power transmission limits of the considered cable lines are assessed analytically, as well as the required amount of shunt compensation and its location, at line terminals or also at mid-line; a criterion for sizing mid-line shunt compensation is also proposed. In order to check theoretical analyses carried out by analytical formulas, AC load flow simulations of the transmission network with the hypothetical cable lines in place are evaluated, referring to severe loading conditions in both normal and post-contingency operation. Open-ended cable operation and shunt compensation contingencies are also addressed. Results show that power transmission limits due to cable ampacity and higher active power flows due to low cable reactance do not pose special constraints on the operation of the powerful network under examination. Appropriate shunt compensation minimizes the effects of surplus cable reactive power, allowing to operate long 400 kV-50 Hz cable lines (up to 100 km at least) with reactors at line terminals only. Moreover, if shunt compensation is installed also at mid-line, operating capabilities of the long cable lines are enhanced and losses reduced.     

10kV三芯交联电缆载流量的试验研究

三芯电缆广泛应用于城市配电电网,其可靠运行与绝缘温度密切相关,因而电缆载流量的精确计算是电缆安全、可靠运行的保证。由于配电电缆的线路多、结构复杂、敷设方式多样,使得配电电缆线路的管理和载流量计算不像高压电缆那么规范。近几年一些非常规的敷设方式大量使用,使得配电电缆载流量的计算更加困难。为规范配电电缆载流量的计算,模拟了广州地区10kV三芯交联电缆典型敷设条件,在试验现场进行了单根空气、直埋、穿管敷设及2×3多回路密集敷设下的电缆载流量试验;编制了计算三芯电缆载流量的计算软件,将电缆本体各层温度降的试验值与软件计算值进行了对比,试验研究结果验证了理论计算的正确性。三芯电缆载流量的准确计算可为运行中负荷的控制提供参考,保证电缆的可靠性,并最大限度发挥电缆的输送能力。     

排管敷设情况下电缆额定载流量研究之一——载流量试验研究

介绍了模拟南京地区110 kV交联聚乙烯(XLPE)电缆排管敷设情况下的单回路和双回路两种情况下载流量试验,对试验装置、试验线路设计及试验结果都进行了详细的叙述。提出了双回路比单回路电缆载流量下降16%~17%,同时对今后的电缆敷设线路设计中应注意的问题提出了建议。     

电力电缆载流量计算及提升的研究现状及展望

随着电力电缆载流量计算精度要求的提高和复杂敷设方式的出现,载流量的计算及提升成为了电缆的研究热点之一。首先,介绍了电缆载流量计算的系数法、热路法和数值法,讨论了目前的研究对象和研究方法。然后,探讨了电缆载流量的提升方式,包括敷设环境、敷设方案和负荷分配的优化提升。最后,对电缆载流量计算及提升方法进行总结和展望。     

地下电缆载流量评估影响因素数值分析

利用有限元法对影响地下电缆温度场分布的地表空气温度、电缆埋地深度、土壤热阻系数、有无回填土、电缆排列方式、电缆接地方式等因素进行了分析,利用弦截法计算地下电缆群载流量,给出电缆载流量随各项参数变化的关系,为根据实际环境和敷设条件选择合适的电缆载流量提供依据。     

基于多场耦合模型的海底电缆载流量和温度场计算研究

海底电缆将电能输送至陆上升压站过程中,各路径段敷设方式下其载流量和温升都对其输送稳定性有着重要影响,电缆载流量和温度场的准确计算对提升电能输送的可靠性与经济性都有着重要意义。文章结合电缆敷设条件,利用COMSOL有限元分析软件建立了基于电磁场、流体场和传热场的多物理场耦合模型,分析了电缆沟内敷设电缆的温度场变化,研究了不同敷设方式对电缆载流量大小的影响。数据表明,电缆敷设的位置和回路数会对电缆载流量产生影响,不规范的敷设位置和密集的回路数都会降低载流量值。因此在工程中应严格按照规范敷设电缆,同时确定适当的回路数以提升运行经济性。