±160 kV交联聚乙烯直流海底电缆动态载流特性试验及仿真研究

为了给直流电缆线路运行限值的制定以及运行余量的动态调控提供依据,开展保护套管直埋敷设方式下160k V直流电缆1 h、1. 5 h、4 h下的动态载流试验,获得了直流电缆导体、铅护套以及铠装层温度随着短时过负荷时间的变化规律。同时利用有限元仿真软件Comsol Multiphysics建立了160 kV直流海底电缆的暂态温度场模型,对不同应急负荷情况下的电缆温度进行仿真计算,结合实验数据对仿真模型的可靠性进行验证,并分析直流电缆各部分材料导热系数对仿真结果的影响。     

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。     

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。     

±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。     

提高XLPE高压直流海缆经济性的研究展望

结合我国高压直流海缆工程直流海缆选型、电压等级和输送容量的关系,以单位输送容量所需直流海缆原材料投入作为典型经济性指标,发现随着单回路直流海缆电压等级和载流量升高,直流海缆经济性呈上升趋势.通过对比不同路线提高电压等级和载流量后直流海缆耗材的变化,可知分别通过提高直流海缆绝缘电气水平和导体最高允许运行温度的方式实现电压等级和载流量提升对提高直流海缆经济性更为有效.此外选取导体最高运行温度为70℃的±525 kV直流海缆为典型规格,利用有限元仿真分析外加电压提高至972 kV和导体运行温度提高至90℃后直流海缆绝缘场强分布的变化,结果表明电压等级和导体运行温度的提高均会造成绝缘场强翻转后靠近绝缘屏蔽处的场强进一步升高,且二者存在协同作用,在此基础上,设定绝缘屏蔽与绝缘界面存在向绝缘内尺寸为0.125 mm的半圆形突起,有限元仿真结果表明该点的场强对比无突起情况增大了35.8％.     

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。     

多种敷设方式下集群电缆的直流载流量仿真研究北大核心CSCD

为了研究集群电缆敷设方式、回路间距、回路数以及排列方式对交流集群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(XLPE)电缆为例,通过有限元仿真软件建立集群电缆的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集群电缆以双极式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:随着回路间距和回路数的增大,集群电缆载流量的变化速率逐渐减小。直埋敷设下集群电缆之间的热场相互作用最大,而沟槽敷设下集群电缆之间的热场相互作用最小。增大集群电缆水平间距来提高直流载流量的效果要优于增大垂直间距。随着集群电缆距沟槽壁的水平距离增大,直流载流量呈现缓慢的下降趋势。研究结果可为多回路10 kV交流XLPE电缆的直流改造工程提供理论依据。     

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。     

基于电—热场耦合分析的高压大容量直流XLPE海缆绝缘结构研究北大核心CSCD

随着交联聚乙烯直流海缆向着高电压、大容量的方向发展,其在工程应用中也遇到了温度和电场两方面的挑战。文中结合±160 kV XLPE直流海缆建立了XLPE海缆的电场仿真模型和热路模型,对更高电压等级的XLPE直流海缆的结构特点进行了探讨。通过仿真发现,直流海缆绝缘层的厚度同时影响海缆的温度和场强分布,在对高电压、大容量海缆设计时需要综合考虑绝缘材料能承受的最大场强和最高温度,选取合适的绝缘层厚度。同时,通过仿真对比铜、铝导体电缆对电场、温度的影响发现,铜导体电缆运行温度较低,有利于电缆稳定运行,而铝导体海缆虽然体积更大,但其重量小,更有利于安装敷设。