低频输电高压电力电缆多物理耦合场数值分析及载流量计算

近年来,随着可关断电力电子器件的逐渐成熟和广泛应用,柔性低频交流输电技术受到广泛关注。由于频率越低,交流电磁场的集肤和邻近效应越弱,因此低频运行工况下电力电缆的载流量与工频50 Hz运行工况下电力电缆的载流量将不尽相同。为此,基于多物理耦合场及有限元法,提出了三芯海底电缆埋设方式下磁热流耦合场计算模型和计算方法,分析了不同截面电缆在低频输电工况下载流量数值变化规律及损耗特性。计算结果表明,降低输电频率可有效提升电缆载流量;电缆截面积越大,载流量提升效果越显著;当截面积为500 mm²、1000 mm²和2000 mm²时,相比于工频输电方式,电缆载流量分别提升11.33%、23.26%和34.40%;降低频率可减少电缆总损耗,由环流引起的护套及铠装层损耗平均分别降低了14.85%、6.34%。计算结果为低频输电方式下电缆选型及输电容量提升提供数据决策依据。     

回流导体提升单芯海底电力电缆载流量研究

采用回流导体能提升单芯海底电力电缆载流量,但是目前国内缺少回流导体对海底电缆载流量影响的相关研究。为此,在IEC 60287标准基础上建立两种不同回流导体结构海底电缆的集中参数热路模型以及相应的载流量计算方法,分析了不同结构的回流导体对高压海底电缆损耗和载流量的影响,评估了不同截面积的回流导体对海底电缆损耗和载流量的影响。结果表明,内部回流导体能够有效降低电缆损耗,从而提升电缆载流量;回流导体截面积从0 mm~2增加到500 mm~2,电缆载流量也随之增加34.7%。所研究的结果能够为具有回流导体结构的海底电缆的设计和选型提供理论依据。     

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。     

基于热路解析模型的海底电缆动态温度场计算与短时允许载流量评估

准确计算海底电缆动态温度场和短时允许载流量对保障海缆安全运行具有重要意义。针对现有的解析方法无法精确求解海底电缆动态温度场和短时允许载流量的问题,提出一种最优热路解析模型,将海底电缆的本体和埋设环境进行分层建模,推导出可以计算海底电缆外部环境等效热阻、热容的公式;然后采用热电类比法构建海底电缆本体和埋设环境的热路解析模型,并应用控制变量法确定热路解析模型的最优分层数和最优传热半径。最后,以某500 kV型号的交流海底电缆为例,对所提最优热路解析模型进行分析验证。计算结果表明：该最优热路解析模型具有较好的准确性和高效性;基于该模型对海底电缆的短时允许载流量进行评估,计算发现海底电缆短时允许最大载流量与海底电缆的初始稳态电流和过载时间有关。     

110kV海底电缆不同敷设方式下载流量的对比分析

敷设方式是影响运行电缆允许载流量的主要因素,研究不同敷设方式下海底电缆的允许载流量,对海缆工程的设计及运行、海缆高效率输电有着重要的参考和指导意义。基于对一般海缆工程敷设环境的分析,总结了海底电缆五种不同的敷设方式,以珠海桂山海上风电场110 kV送出海缆工程的敷设环境和HYJQF41-F 110 kV 1×500 mm2的单芯海缆为例,利用IEC 60287标准计算不同敷设方式下的允许载流量,分析对比不同敷设方式对海底电缆载流量的影响,得出海底电缆允许载流量的瓶颈点为带金属保护管埋地的登陆段,对指导海底电缆的安全高效运行有参考意义。     

饱和多孔介质对流特性对高压交流海底电缆载流性能的影响

精确分析海底电缆的载流性能对于提高海上风电系统的经济性具有重要意义，而现有计算方法未能表征多孔介质的对流换热效应对海底电缆温度场和载流量的影响。针对海床沙土的多孔介质属性，构建了海底电缆的电-磁-热-流多场耦合模型，研究了其周围饱和多孔介质中的对流换热过程，分析了多孔介质渗透率对温度场及对流换热强度的影响；结合导热系数、电缆埋深和三相间距等载流量影响因子分析，通过和IEC计算结果对比，讨论了渗透率对海底电缆载流特性的影响规律。分析结果表明，该文模型提高了海底电缆载流量的计算精度；当海床沙土的渗透率大于10^-12m²时，海底电缆的载流量随渗透率变大而明显提升，此时电缆周围介质中对流换热过程占主导地位；而现有方法由于普遍将海床沙土简化为没有空隙的固体，而导致海底电缆载流量计算结果明显偏低且不受渗透率影响。该文研究结果为改善海底电缆载流性能提供了参考。     

提高海底电力电缆载流量的方法探讨

由于海底电力电缆的应用日益广泛,对其载流量的相关问题的研究也越来越重要.从海底电缆的生产和施工角度,提出了影响载流量的原因,包括导体截面大小、运行环境的热阻影响、接地系统环流的影响等环节,并加以分析和归纳,从而提出了提高海底电缆载流量的方法,并对它们的特点进行了论述和比较.     

海底电缆载流量分析

正针对在不同铺设条件下研究海底电缆三相单芯和分相铅包海底电缆载流量计算方法,编写相应计算程序,得到在不同铺设条件下的电缆载流量。根据研究表明电缆的载流量超过额定值10%,电缆的寿命将减小一半,因而电缆载流量的控制,对于提高输电可靠性和延长电缆的使用寿命均具有重要意义。本文主要是针对具体型号的电缆在不同敷设条件下,分别研究三相单芯和分相铅包海底电缆载流量计算方法,编写相应计算程序,得到在不同敷设条件下的电缆载流量。     

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。     

±500kV直流海缆在J型管敷设环境下的稳态载流量仿真研究EI北大核心CSCD

高压直流海底电缆稳态载流量的计算对海底电缆工程的设计和运行非常关键。该文利用COMSOLMultiphysics仿真软件,建立±500kV直流海底电缆在J型管敷设环境下的三维电-热-流耦合模型。针对J型管位于海面之下和海面之上2种情况,分别计算海缆的稳态载流量、温度分布以及电场分布。结果表明,J型管海缆运行在海面之下时载流量比运行在海面之上高约2倍。此外,发现海缆绝缘中的电场分布取决于绝缘内外层的温度差,当绝缘层内、外表面温差等于6.0℃时,整个绝缘层电场均匀分布,大小为16.7kV/mm;当绝缘层内、外表面温差大于6.0℃时,海缆绝缘电场分布沿电缆径向由内向外逐渐增大;当温差小于6.0℃,绝缘电场分布沿电缆径向由内向外逐渐增小。另外,减小J型管壁厚和增大J型管外径可以在一定程度上提升海缆的稳态载流量,对运行在海面之上的J型管内电缆施加通风冷却可将其稳态载流量提升约73%。     

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。     

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。     

海底电缆暂态载流量计算与优化选型

由于传统载流量分析方法在日益严苛的海底电缆选型上面临着巨大的挑战。以HLYJQF41-F 127/220 k V 3×1 600 mm~2交联聚乙烯海底电缆建立分析模型,并利用CYMCAP软件进行稳态和暂态的载流量仿真计算。在指定环境温度、海床热阻系数和电缆埋深条件下,根据实际运行特点突破了传统的分析思路,为实际工程海底电缆载流量的优化提出了依据。与此同时,通过稳态和暂态的结果并结合敏感性分析对电缆的优化选型提供了参考。     

交流500kV海底电缆登陆段载流能力提升

为比较500 kV海底电缆登陆段载流能力不同提升方案的效果,建立了海底电缆登陆段连同电缆沟在内的3维电–热耦合物理和数学模型,分析了电缆沟内电缆周围介质的流速(流体介质)、导热系数、冷却介质的温度和海缆的布置方式等因素对载流能力提升的影响,比较了冷水管循环冷却、回填特殊土壤和充满海水3种方法对海缆登陆段载流量的提升效果。结果表明:电缆沟内的流体介质沿电缆径向强迫流动,能充分发挥电缆沟内冷却系统的吸热作用;海底电缆周围介质的导热系数越大,海缆导体中产生的焦耳热可越快地消散,从而有效降低电缆导体温升,有利于提升海缆载流量。研究结果对海底电缆的选型和工程设计具有指导意义。     

我国发展直流海底电力电缆的前景

例举世界重要的海底电缆工程,表明其中大部分为直流海底电缆工程。叙述直流输电特点,着重以不同类型的直流和交流海缆载流量计算,证明直流海底电缆在输电容量、输电损耗和电缆线路长度限制方面显著优于交流海底电缆。肯定了我国发展直流海底电缆的必要性。有些运行条件下直流海底电缆会是优先的方案,甚至是唯一的选择。提出以发展直流交联聚乙烯(XLPE)海底电缆作为主要目标,并在比较不同类型海缆绝缘中的空间电荷对电场分布和电气绝缘性能影响和深入研究空间电荷积聚、抑制和移去机理基础上,积极研发抑制空间电荷积聚的XLPE绝缘料,作为关键技术突破,用于开发直流XLPE绝缘海底电缆,推进我国直流海底电力电缆的技术发展。     

海底电缆的低频特性分析及仿真研究

分频输电系统在提升输电容量、改善输电通道末端电压质量等方面具有优越性,在大规模深远海风电送出等场合有着广泛的应用前景。为研究分频海上风电系统中海底电缆的低频特性,利用Comsol Multiphysics有限元分析软件建立了海底电缆的磁电热仿真模型,分析了低频环境对其电流分布、运行损耗、运行温度及金属护套接地方式的影响。仿真结果表明:频率降低可改善导体的电流分布,降低海缆各部分损耗,从而降低海缆的运行温度,提高载流量;同时,分频输电可有效改善2种接地方式下屏蔽层的感应电势和环流损耗,能够有效扩大2种接地方式的适用范围。因此,在长距离输送的场景下,采用分频输电方式有助于提高电缆载流量,减少容性充电功率,实现功率传输大幅增长,提升分频海上风电系统的经济性。     

基于电磁-热-流耦合场的非开挖敷设方案的海底电缆载流量计算

海底电缆在登陆处采用非开挖敷设方式时,由于埋深较大、管道内散热较差,该敷设段成为整个海底电缆载流量的瓶颈点,为此搭建基于电磁场、流体场和热场3物理场的耦合模型,计算对比不同敷设方式下海底电缆载流量的受影响情况。首先借助于Comsol软件建立了电磁-热-流耦合物理场的有限元模型,将电磁场、温度场及管道内的空气流速场耦合求解,得到给定负荷电流下的温度分布和管内空气流速分布特性;继而以广东某地2个回路220 kV 3芯交联聚乙烯(polyethlene,PE)绝缘3×500 mm^2海底电缆为例,分析计算海底电缆在水泥顶管和定向钻PE排管2种情况下的载流量。结果表明:采用水泥顶管敷设方案时能满足工程输送容量的要求,而采用PE排管敷设方案的载流量略低于额定值;另外可通过改变管道材质、管道内充水达到提升非开挖敷设方式下海底电缆载流量的效果。     

工作温度和绝缘温差约束下的高压直流电缆接头载流量计算

中间接头是高压电缆线路运行中故障多发的薄弱环节,电缆系统的载流量会因中间接头的结构特点而受到限制。直流下电缆载流量的约束条件与交流不同,不能直接依据交流电缆中间接头载流量的计算方法。为此,文中以直流电缆中间接头的温度场计算等理论研究为基础,提出以接头导体最高允许工作温度和绝缘层内外表面最大允许温差为两个约束条件,确定高压直流电缆中间接头载流量的方法。通过案例分析,将文中方法与IEC 60287标准计算的载流量进行了对比,并就环境温度对载流量的影响进行了分析。结果表明,中间接头的确是电缆系统载流量计算限制条件之一。两个约束条件下的载流量与环境温度的关系曲线将相交于一点,当环境温度小于该点对应温度值时,接头载流量的决定性约束条件为绝缘层内外表面最大允许温差;当环境温度大于该点对应温度值时,接头载流量的决定性约束条件为接头导体最大允许温度。研究结果可为直流电缆系统运行与载流量设计提供参考。     

高压直流XLPE绝缘电缆载流量的数值算法及特性分析

载流量是电缆传输能力的重要指标，直接影响高压直流电缆的运行可靠性和经济性。根据直流电缆绝缘层中电场分布的特点，提出了基于等效电导率的绝缘层内外侧电场分布的解析计算方法，并以±535 kV交联聚乙烯绝缘直流电缆为例，同时考虑电缆导体最高运行温度和绝缘层最大允许温差，得到不同运行工况下高压直流电缆的负载控制域。结果表明：电-热场解耦方法能有效分析直流电缆的载流量和应用特性，其中绝缘层最大温差是限制临界环境温度以下直流电缆载流量的核心因素，在此临界环境温度下，提升导体最高运行温度对载流量影响有限，而优化绝缘材料耐电性能和电缆结构才是提升载流量的关键。     

典型交流高压海缆工程载流量瓶颈分析与仿真研究

海底电缆线路的负载能力由其瓶颈段决定,一般认为登陆段是整条线路载流能力的瓶颈,但海缆登陆段不同区域不同敷设条件下载流量存在明显差异,需要进一步确定海缆线路载流量瓶颈.对于登陆段多处区域受到阳光照射,建立了考虑太阳辐射的载流量有限元模型,并利用500 kV交流海底电缆预鉴定试验回路阳光直射区的负荷循环试验数据进行比对,验...