采用充水电缆沟敷设方案的海缆登陆段载流量计算

为了检验近海风电场海缆登陆段由土壤直埋改为充水电缆沟敷设的载流量提升效果,建立了充水电缆沟内二维流–热耦合求解的数学模型,利用COMSOL Multiphysics软件对某条置于充水电缆沟的海缆载流量进行计算,得到沟内流场和温度场分布,验证了模型的正确性。由于水的自然对流可有效地改善电缆的散热条件,与直埋时相比,采用充水电缆沟敷设方案的海缆载流量提升了43.8%。基于该模型仿真分析了不同因素对充水电缆沟内海缆载流量的影响规律:电缆沟高度或宽度增大时,载流量均会增大,但增大宽度比增大高度能带来更明显的载流量提升效果;海缆在沟内的放置高度变化对载流量基本无影响。     

送电区段内典型敷设方式下海缆载流量模型分析

海上送电线路中不同段敷设方式的差异性会对海缆载流量造成较大影响，因此从送电区段角度出发研究段内典型敷设方式下的载流量具有重要意义。本文建立了±160 kV直流输电工程送出海缆线路中登陆段、海底段的海缆电-热-流耦合模型，基于有限元用控制变量法研究了登陆段中海缆敷设于电缆沟底部和角钢支架、海底段中铺设和直埋4种典型敷设方式下的空气域尺寸、角钢支架放置位置、海水温度和流速及土壤温度对海缆稳态载流量的影响。结果表明：海缆敷设于电缆沟底部时受空气域尺寸的影响较大，增大对流散热面积可有效提高海缆稳态载流量；计算敷设于角钢支架上的海缆载流量要考虑到支架与沟内壁形成的半封闭区域，埋设于深度浅的支架时海缆的温度更低，载流量更大；在海底段，铺设时海缆温度跟随海水温度的升降发生同向变化，与海水流速增减趋势相反；土壤温度的升高造成埋设海缆载流量降低；登陆段为载流量计算的瓶颈段，电缆沟底部敷设可采用充水电缆沟有效提升载流量；敷设在支架上时加装冷却水管可使其载流量达到工程要求。     

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。     

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建立考虑外界敷设环境影响下的500 kV交流交联聚乙烯(XLPE)超高压海底电缆稳态热路模型,分析不同敷设段、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。有限元仿真结果验证了文中所建立的热路模型计算结果的准确性。     

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...     

±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%。     

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。     

基于耦合场的通风电缆沟敷设电缆载流量计算及其影响因素分析

根据电缆沟通风系统内流体流动与传热的特点,建立电缆沟通风系统三维流体流动与传热耦合计算模型,给出求解域相应的边界条件和假设条件,采用有限元法对流体场和温度场方程进行耦合计算,得到电缆沟内流体速度分布和电缆表面温度分布特性,验证了耦合模型的正确性;并在求得电缆表面最高温度的基础上,利用电缆区域的等值热路法和数值迭代法计算了电缆允许载流量.此外,基于该模型通过实例仿真得出了不同影响因素对通风电缆沟敷设电缆允许载流量的影响规律:电缆载流量随着进风速度的增大而增大;进风温度每升高1K,电缆允许载流量相应下降约5.6 A;随着电缆隧道通风长度的增加,电缆允许载流量随之下降.     

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。     

不同敷设方式下±500 kV高压直流海缆稳态载流量仿真分析

稳态载流量是衡量高压直流海缆电能传输能力的重要指标。为此，采用COMSOL Multiphysics有限元分析软件建立了±500kV直流海缆电-热-流耦合模型，基于控制变量法研究了J型管、电缆沟和隧道3种典型敷设方式下的尺寸参数、材料热导率、排列方式等对海缆稳态载流量的影响。结果表明：在J型管敷设段，减小J型管管壁厚度和增大J型管外径均可有效提高海缆稳态载流量；在电缆沟敷设段，随着埋深的增加，稳态载流量逐渐降低，而空气域截面尺寸和电缆沟材料热导率的增大则可提高稳态载流量；在隧道敷设段，考虑到空气对流换热等因素，当电缆横向排列且间距为900mm时，稳态载流量达到最大值；稳态载流量最低的隧道段为瓶颈段，可通过增加通风设备提升瓶颈段稳态载流量。     

110kV单芯海缆的载流量计算、温度场仿真及其热循环试验研究

由于海底电力电缆独有的结构特性和复杂的敷设环境,其载流量一直是研究的难点。为了深入研究海底电缆的电热特性及其载流量,利用3种方法对典型海缆的载流量进行计算。分析了海底电缆特有的铅包层和铠装层损耗,引出热阻和载流量的计算方法。以型号HJQF41 64/110 k V 1×500的典型海缆为研究对象,对其不同敷设条件、不同环境温度下的载流量进行理论计算。基于有限元分析法,利用Comsol软件对该海缆的温度场进行仿真。设计岸滩环境下海缆热循环试验系统,对被试海缆样品进行载流量试验研究。证实了3种方法对海缆载流量研究的可行性,比较了各种方法的利弊,为海缆运营单位和科研机构提供了参考。     

回填低热阻材料对排管敷设电缆载流量的提升研究

针对排管敷设电缆散热效果差而导致电缆线路载流量瓶颈的问题,以2×3排管敷设2回路110 kV电力电缆为研究对象,通过热路模型和大电流试验分析了管内回填低热阻材料前后电缆载流量的变化情况,并基于有限元仿真模型分析了电缆载流量与回填材料导热系数的关系。结果表明：2×3排管敷设2回路110 kV630 mm2电缆时,相比于管内无回填的情况,管内回填低热阻材料后电缆载流量可提升25.22%。随着回填材料导热系数的增大,电缆的载流量不断增加,但增加的速度越来越缓慢,电缆载流量最终趋于稳定。当回填材料的导热系数由1 W/(m·K)增至7 W/(m·K)时,电缆载流量的提升率为8.99%;当回填材料的导热系数由7 W/(m·K)增至13 W/(m·K)时,电缆载流量的提升率仅为2.00%。     

直流±250 kV海底电缆J型管段载流量提升研究北大核心CSCD

J型管作为新型电力系统中新能源海上风电送出系统海底电缆的保护装置,其存在会阻碍海缆对外散热,制约整条风电送出线路的载流量。为了提高J型管段海缆载流量,文中建立了典型J型管段流体—温度耦合数值模型,仿真分析了环境风速、太阳辐射、环境温度对直流±250 kV海底电缆封闭J型管系统温度场的影响规律,确定J型管载流量瓶颈位置,提出了一种J型管外壁开孔配合平台开孔引入外界风的J型管载流量提升方法,验证了仿真模型与算法的正确性。结果表明与全封闭J型管系统相比,J型管外壁开孔配合平台开孔能有效降低海缆温度,环境风速较低为1 m/s时载流量可有效提升13.98%。研究结果为指导J型管设计提升J型管段海缆载流量提供了新的解决方案。     

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。     

高压直流海底电缆电–热–流多物理场耦合仿真

高压直流电缆运行时径向温度和电场分布是反映其运行状态的重要参数,考虑流场的海底电缆电热耦合规律研究具有重要意义。依据南澳直流工程±160 kV高压直流海底电缆,利用COMSOL Multiphysics有限元分析软件,建立了海缆本体及其敷设环境的3维电–热–流耦合模型,以控制变量法研究了铺设和埋设2种敷设方式下海缆载流量、海水温度和海水流速对海缆径向温度和电场分布的影响。结果表明:载流量是海缆径向温度和电场分布的主要影响因素;在该模型下海缆导体温度和绝缘层温差与海水温度存在线性关系;很小的海水流速能显著降低海缆温度,因此提出静止海水散热的流速修正系数;海水流动有利于海缆散热,导致海缆温度分布发生变化,同时影响海缆绝缘材料电导率而导致电场分布发生改变。     

500 kV交流海底电缆接地方式优化研究

500 kV交流海底电缆通常在线路两端将金属护套及铠装并联后直接接地,此时在护套及铠装上会产生相当大的环流和损耗,进而导致陆上段载流量受限,成为整个海缆线路的输送容量瓶颈。海缆接地方式的选择直接关系着海缆外护层过电压水平、电缆环流水平及电缆输送容量。以南方主网与海南电网第二回联网海底电缆结构型式为例,对锚固点及终端处的接地方式进行优化,即在两侧锚固装置处直接接地,海缆线路两侧终端处经护层电压限制器接地,在满足登陆段外护层感应电压及过电压要求的情况下,提高海底电缆载流量。     

管道内填充导热介质提高电缆载流量

电力电缆排管敷设时,因预埋管中空气热阻较大,使其载流量比直埋方式的载流量有显著下降。为提高预埋管敷设方式下电缆输送能力,可向管道内填充导热介质以改善管道的散热状况。采用基于坐标组合的有限差分法,编制了电缆排管敷设温度场和载流量通用计算程序。程序计算结果与模拟试验及现场试验结果相符。计算结果表明,单回路电缆填充导热介质可提高载流量约5.6%,降低缆芯温度约7°C。多回路电缆由于电缆间的互热效应,填充导热介质对提高载流量的作用显著减小。管道内填充导热介质,可降低电缆运行温度,提高电缆输送能力。     

直埋XLPE电缆在不同敷设条件下的温升与载流量仿真

土壤直埋因具有施工周期短、散热性能好等优点而被广泛应用于电力电缆的敷设。埋设过程中各种敷设条件对电缆的温升和载流量都有着重要影响,文中采用Comsol有限元仿真软件,以110 kV交联聚乙烯(cross-linked polyethylene, XLPE)电力电缆为研究对象,在直埋敷设的基础上考虑回填沙土、加盖混凝土保护板、装设套管等多种因素,建立包含电磁场、热场和流体场的耦合模型,分析这3种敷设条件对电缆温度场变化及载流量的影响。仿真结果表明：回填沙土会提升电缆载流量,随着回填沙土厚度的增加电缆载流量提升速度变缓;加盖混凝土保护板对载流量的影响较小,与不加盖时相比载流量提升幅度在0.5%以下;在排管内填充高导热材料会提升电缆载流量,相比于无填充情况,三相均填充高导热材料与中间相填充高导热材料、其他两相填充低导热材料时载流量的提升幅度均高于50%;在考虑上述因素同时存在情况下,有利于电缆载流量的提升。     

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。     

土壤直埋110 kV电缆中间接头稳态载流量仿真研究

针对目前没有成熟的交流电缆中间接头载流量校核方法,搭建了土壤直埋110 kV电缆中间接头和电缆本体稳态载流量三维仿真模型,利用有限元对比研究环境温度、土壤导热系数和敷设深度对电缆中间接头和本体稳态载流量的影响规律。结果表明：在不同环境温度、土壤导热系数和敷设深度下,电缆中间接头载流量始终小于电缆本体载流量,土壤导热系数为0.5 W·(m·K)^-1、环境温度为293 K以及敷设深度为1.75 m时的中间接头载流量相较于相同条件下的本体载流量减小了10.8%。因此,如按照电缆本体载流量校核电缆载流能力,将导致中间接头主绝缘处于加速热老化状态。为确保电缆长期稳定运行,建议以本体载流量确定电缆载流时应留有一定裕度。