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。     

交联聚乙烯(XLPE)绝缘电缆的敷设

1XLPE绝缘电缆敷设的基本要求 1.1温度要求 由于XLPE绝缘电缆是塑性的,天气寒冷时敷设容易造成电缆护套破裂,绝缘损伤,因此,敷设时的环境温度应大于5℃。冬季施工时,电缆在敷设前24 h内的平均温度若低于0℃,必须对电缆进行加热。电缆加热采取提高周围空气温度的方法：当电缆周围空气温度为5～10℃时,需保持72 h;     

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%。     

10 kV交流XLPE电缆改为直流运行的温度场和电场仿真分析

将交流电缆配电线路改造为直流运行后,准确设计电缆的运行参数能在最大程度上利用原有线路的供电能力。为此,以10 kV电压等级交流配电网中广泛使用的典型3芯交联聚乙烯(XLPE)绝缘电缆为例,根据所选电缆的结构和材料参数,使用有限元分析软件ANSYS建立了电缆温度场和电场耦合仿真模型,并在直流运行方式为双极式的条件下对电缆的温度场和电场进行了仿真。研究结果表明:对于所选典型电缆,为避免空间电荷效应的影响,其直流电压等级的取值范围为±10~±20 kV;当电缆在温度为40℃的空气环境中敷设而且导体的长期工作温度为70℃时,其载流量约为440 A;同时,其最大输送功率约为改造前的1.3~2.6倍。所得结论以及所用设计条件、步骤可为相关工程提供一定参考。     

海上风电送出J型管段海底电缆载流量计算模型研究

海上风电场送出线路从升压站穿出首先需经过散热环境较差的J型管段,目前针对该区段海底电缆载流量的计算主要采用数值模拟法,而三维流体仿真计算非常耗时,因此难以推广使用。该文基于基本热分析方法提出了J型管段海底电缆径向-轴向传热解析模型,考虑温度沿轴向分布的差异,实现J型管段海底电缆载流量的快速计算。在计及导体电阻率随温度变化情况下,利用数值仿真软件建立海底电缆J型管系统三维热-流耦合数值模型,并与径向-轴向传热解析模型进行了对比计算。最后基于两种方法分析了J型管外径、太阳辐射强度和环境温度对J型管段海底电缆缆芯最高温度的影响规律。结果表明,J型管段海底电缆缆芯最高温度与太阳辐射强度和环境温度存在明显的线性关系,而J型管外径与海水温度对J型管段海底电缆缆芯最高温度影响较小,且解析法与数值仿真计算结果误差在5%以内。该文所提出针对J型管段海底电缆载流量计算的解析法高效准确,具有较好的工程应用价值。     

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。     

500kV XLPE海底电缆绝缘及护套暂态电压仿真计算

舟山500 kV联网工程将是世界上首条敷设500 kV交联聚乙烯(XLPE)海底电缆的架空线–电缆混联输电线路。针对500 kV XLPE海底电缆系统绝缘配合问题,基于舟山混联输电线路,应用PSCAD/EMTDC软件建立了全线路系统仿真计算模型,并分析了电缆两端及中间接地体的建模问题,计算了海底电缆绝缘和外(绝缘)护套上各类暂态电压特性及其分布。计算结果和研究分析表明:操作空载线路在电缆绝缘上可产生最高约800 kV的操作暂态电压,通过断路器加装合闸电阻可有效限制操作暂态电压在500kV以下,而最大雷电流(100 k A)直击线路时,电缆绝缘上的雷电暂态电压达到1 230 kV;电缆外护套上产生的最大暂态电压均出现在电缆长度的中间段,雷电直击架空线路时达到11.4 kV,各种操作暂态电压最高达6.45 kV,而最大短路电流为35.6 k A时工频感应电压有效值达到3.04 kV;各种暂态电压下电缆的绝缘配合均满足500 kV电缆标准要求。该研究结果为500 kV XLPE海底电缆的绝缘设计及工程应用中的绝缘配合提供了必要的基础。     

基于IEC 60287和有限元法的高压海底电缆温度场分析方法

高压交联聚乙烯(XLPE)海底电缆结构复杂、敷设环境特殊,分析导体温度时需要考虑较多因素。笔者详细介绍了海缆分层及参数计算注意事项,参照IEC 60287标准进行计算,建立了海缆的精确热路模型,获得了海缆导体温度及各层温度的矩阵方程。采用有限元方法仿真了不同环境温度及负荷下的海缆温度场,环境温度在14~24℃之间、电流在100~500 A之间变化时,热路模型与有限元仿真获得的导体温度偏差小于0.3℃。仿真结果表明,热路模型得到的导体温度及各层温度关系的计算精度满足要求,且与外界环境温度无关,为精确计算海缆导体温度提供参考。     

基于IEC 60287和有限元法的高压海底电缆温度场分析方法

高压交联聚乙烯(XLPE)海底电缆结构复杂、敷设环境特殊,分析导体温度时需要考虑较多因素。笔者详细介绍了海缆分层及参数计算注意事项,参照IEC 60287标准进行计算,建立了海缆的精确热路模型,获得了海缆导体温度及各层温度的矩阵方程。采用有限元方法仿真了不同环境温度及负荷下的海缆温度场,环境温度在14~24℃之间、电流在100~500 A之间变化时,热路模型与有限元仿真获得的导体温度偏差小于0.3℃。仿真结果表明,热路模型得到的导体温度及各层温度关系的计算精度满足要求,且与外界环境温度无关,为精确计算海缆导体温度提供参考。     

220 kV交联海缆的低频载流能力及温度场分布仿真研究

柔性低频输电系统在提升输电容量、减小线路充电无功、改善输电通道末端电压质量等方面具有优越性，可以有效满足中、远距离海上风电高效汇集送出等迫切需求。为研究海底电缆在低频条件下的运行特性，本文搭建了考虑外界敷设环境影响下的220 kV交联聚乙烯电-磁-热-流多物理场耦合有限元仿真模型，分析了不同敷设段中50 Hz和20 Hz频率下运行的海底电缆稳态载流量和温度场分布情况，并基于IEC 60287:1995建立的海底电缆稳态热路模型和低频海缆发热仿真的典型案例，对有限元仿真进行验证。结果表明：在陆地段、入海段和海底段等不同敷设环境下，仿真模型的载流量和温度场分布计算结果与IEC解析公式的相对误差都在3%以内，表明本文提出的220 kV交联电缆温度场仿真模型具有较好的准确性和有效性；频率降低可以减小线芯交流电阻值、改善电缆导体中的电流分布、减小电缆各部分的运行损耗，从而降低电缆的整体运行温度，有利提升电缆的传输容量。     

隧道集群敷设高压电缆多物理场耦合电路仿真及其典型运行状态分析

电缆的隧道集群敷设方式因其具有敷设回路数多、断面负载能力高等优点,在城市电力输电网的应用日益广泛。隧道电缆群相互之间的电磁及热影响大,因此亟需对电缆金属护套感应电压、环流及运行温度等进行深入研究。针对隧道电缆群分析了COMSOL的物理场与电路接口,建立了隧道集群敷设高压电缆线路的电-磁-热-流多物理场耦合电路的仿真模型,并通过实际运行电缆线路的环流实验和温升实验,验证了该模型的正确性。仿真研究某隧道集群敷设电缆线路在典型场景下的运行状态,结果表明:电缆集群敷设时,周围电缆的磁场对环流的影响较大;在空气强制对流条件下,电缆沿轴向产生热量积累,在负荷高、低2种典型运行状态下线芯的轴向最大温升分别为0.23℃/m和0.12℃/m。     

基于灵敏度法的三芯电缆线芯温度影响因素分析

为了动态提高三芯电缆的实时载流量以及保证电缆安全稳定运行,对影响三芯电缆线芯温度的两个主要因素进行了分析,通过利用生物学中局部灵敏度的概念,分析了环境热阻与环境温度对三芯电缆线芯温度的影响。同时,搭建了10 k V三芯电缆载流量试验场,并模拟了空气敷设和土壤敷设下的三芯电缆温升试验。理论分析与实验结果可得:空气敷设时,随着加载电流的增大,环境热阻对电缆线芯温度的灵敏度增加,且都处于灵敏等级;土壤敷设时,环境热阻对电缆线芯温度的灵敏度处于不灵敏等级;同一加载电流下,外界环境热阻的变化对于电缆线芯温度的影响很大。两种不同敷设情况下,当三芯电缆线芯温度相等时,相比空气敷设情况,加载电流为200 A,土壤敷设时,电缆载流量可以提高3.6%;加载电流为300 A,土壤敷设时,电缆载流量可以提高8.1%;加载电流为400 A,土壤敷设时,电缆载流量可以提高9.2%;加载电流为500 A,土壤敷设时,电缆载流量可以提高22.3%。当三芯电缆运行状态未达到稳定时,电缆线芯温度主要由加载电流的大小决定;当三芯电缆运行状态达到稳定时,电缆线芯温度的变化趋势与环境温度变化趋势基本相同,线芯温度由敷设环境温度决定。     

柔性直流输电系统用直流交联聚乙烯绝缘电缆导体最高温度提高到90℃的可行性

以实际直流交联聚乙烯(DC XLPE)电缆工程设计示例,表明将柔性直流输电(VSC)系统用DC XLPE电缆的导体的最高运行温度提高到90℃,其技术经济效果显著。按DC XLPE电缆抑制空间电荷要求,阐明DC XLPE电缆绝缘的直流恒定电流电场中空间电荷密度与绝缘温度梯度和XLPE绝缘的体积电阻率的温度系数成正比而与导体最高温度不直接相关。通过合理的DC XLPE电缆工程设计和正确选用DC XLPE电缆,可以在提高DC XLPE电缆传输功率和减小绝缘温差抑制空间电荷方面取得优化结果。320 kV及以下XLPE电缆在导体最高温度90℃下运行,绝缘损耗远低于导体损耗,DC XLPE电缆发生热不稳定的可能性很低。对VSC系统用DC XLPE电缆导体运行温度提高到90℃的可行性表示肯定的意见,对实现目标提出具体的措施建议。     

10kV交流XLPE电缆在不同直流拓扑结构和敷设方式下的直流载流量仿真研究

为了研究电缆敷设方式、直流拓扑结构以及环境因素对交流电缆直流载流量的影响,以10 kV交流配电网中广泛使用的三芯交联聚乙烯(cross linked polyethylene,XLPE)电缆为例,通过有限元仿真软件建立电缆温度场和流场耦合仿真模型,得到了直埋敷设、排管敷设和沟槽敷设下电缆分别以双极式、单极式、三线双极式(three-wire bipole structure based HVDC,TWBS-HVDC)3种直流拓扑结构运行时的直流载流量、温度分布和流场分布.结果 表明:在相同敷设方式下,电缆以TWBS-HVDC运行时的载流量最大,而以单极式运行时的载流量最小;电缆以单极式运行时的总电流容量最大,而以双极式运行时的总电流容量最小.与直埋敷设和排管敷设相比,沟槽敷设下敷设深度、深层土壤温度和土壤导热系数对电缆载流量的影响较小,而空气温度和空气对流换热系数对电缆载流量的影响较大.随着敷设深度的变化,其余环境因素对电缆载流量的影响程度也随之变化.研究结果可为10 kV交流XLPE电缆的直流改造工程提供理论依据.     

±160 kV直流XLPE海底电缆载流特性仿真及试验

南澳岛±160 k V多端柔性直流输电工程在我国首次采用了高电压、大长度的挤包绝缘直流电缆系统,而目前在国内尚无此电压等级直流电缆工程的运行及维护经验,因此亟需对交联聚乙烯(XLPE)直流电缆的载流特性展开研究,从而为直流电缆线路运行限值的控制以及在线监测系统的定制提供技术支持。通过研究不同敷设环境下直流电缆的散热原理,采用专业有限元软件COMSOL Multiphysics建立了带保护套管埋地敷设方式下±160 k V直流XLPE海底电缆的温度场模型,用以模拟其温度分布和计算其载流量;通过在试验场地开展静态载流试验,对仿真模型的可靠性进行了验证;对试验结果进行讨论,分析得出了直流海缆的载流特性。     

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。     

复杂环境中海底电缆温度场及载流量模型研究

载流量是海底电缆运行调度的重要参数,受最高允许工作温度所制约,建立考虑复杂海洋环境中洋流影响的海底电缆温度场及载流量模型具有重要意义。针对传统解析法计算复杂、仅适用于特定敷设环境等问题,根据电 热 流多场耦合理论,基于有限元分析技术分别建立了埋设和铺设两种敷设方式下的高压三芯交联聚乙烯(XLPE)海底电缆温度场及载流量分析模型,并研究了洋流流速及温度对海缆载流量的影响。研究结果表明,所建模型与传统解析法相对误差在5%以内;相同环境因素下,铺设海缆稳态载流量比埋设高出200~330 A不等,且两者变化率在低流速时更灵敏,但不受洋流温度所影响;此外,短时应急载流量允许运行时间与其大小及初始缆芯温度成反比关系。     

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。     

穿过不利散热区域地下电力电缆周期负荷因数的研究

在实际电缆敷设时,由于受到环境条件的限制,电缆有时会穿过不利于散热的区域,此时电缆线路的周围环境为非均匀介质环境,在不利散热区电缆段的环境温度或者周围土壤热阻高于其线路的其他地方,导致处于此区电缆段导体成为热点,其会呈现电流峰值,从而会影响整条线路的载流量.文中通过分析电缆周围介质不同的热特性,且考虑电缆线路存在轴向热...     

大长度高压电力电缆在海底电缆登陆段的设计与应用

通过对海底电缆线路登陆段不同敷设环境以及敷设方式下金属护套感应电压以及过电压等参数的分析,大长度高压电缆可以在海底电缆登陆段中广泛应用。