单芯电力电缆金属护套环流计算及分析*

单芯电力电缆金属护套接地环流将降低电缆的额定载流量、缩短电缆的运行寿命,因此针对金属护套两端接地和交叉互联接地的单芯电力电缆,建立了金属护套接地环流的等值电路和计算模型,并推导了相应模型参数的计算式,在此基础上分析、计算了交叉互联接地方式不同工况下的金属护套接地环流值.计算结果表明,三相电缆系统结构和负荷电流的不对称度越大,则金属护套接地环流越大.     

单芯电缆计及护套环流时载流量的计算

计算了单芯电缆护套两端互联接地计及环流损耗时的载流量 ,得到了计及护套环流损耗时计算电缆载流量较为简单的方法     

高压电缆接地电流的计算及其影响因素分析

单芯高压电缆金属护套接地电流过大会导致其护套上产生大量附加损耗,降低电缆载流量,缩短电缆使用寿命。为分析电缆线路金属护套中的接地电流,建立了单芯电缆交叉互联接地方式下接地电流的数学计算模型,并编制了相应的计算程序,通过与实测值比较,验证了该计算程序能准确得到实际电流值。在此基础上,分析了单芯高压电缆金属护套接地电流与其接地电阻、护套参数以及大地电阻率等影响因素的关系。结果表明,电缆接地电阻对接地电流的影响较大;在工程实际范围内,金属护套参数对接地电流值影响不大;只有当大地电阻率很低时,接地电流值才对大地电阻率比较敏感。研究结果为高压电缆运行维护提供了理论依据。     

单芯电缆金属护套的接地

110kV电力电缆是单芯电缆,必需考虑其金属护套上的环流问题。必须根据实际情况选择合理的金属护套接地方式。金属护套接地不合理会形成环流,加速护套老化,最终影响电缆线路的载流量及运行寿命,并会危及巡检人员安全。     

多回路电缆金属护套环流计算软件的开发与应用

目前城市电网中35kV以上电压等级的电缆线路越来越多,35 kV以上电压等级线路往往使用单芯电缆。单芯电力电缆线芯通过交变电流时,金属护套上会产生感应电势。为了防止感应电压过大对人体造成伤害,需要将金属护套两端牢固接地。当电缆金属护套两端接地时金属护套中会有环流通过,护套环流过大时会严重影响电缆的安全运行。通过MATLAB及LabVIEW软件编程方法实现了计算一至四回路任意排列电缆线路的护套环流,利用环流计算软件提出抑制环流措施和电缆优化敷设方式,为未来电缆敷设提供科学指导意见。     

高压单芯电缆并联运行时金属护层的联接方式分析

随着经济的发展和用电量的不断增加,同相多根单芯电缆并联供电方式多有采用。高压单芯电缆的金属护套联接方式是电缆敷设时必须注意的问题。目前单、双回路电缆线路感应电压及金属护套环流已有计算,但多根电缆并联使用时的金属护套联接方式还未见讨论。文章研究结果显示并联电缆的护层环流在其护层相联时有可能达到单独处理时的2倍多。因此,电缆并联运行时,不应将金属护套相联再进行交叉互联,而应该分别作交叉互联。     

单芯交流海缆不同接地方式下的损耗计算及对载流量的影响研究

为保障单芯交流海缆的运行安全,海缆线路除在两端牢固接地外,有时还需将金属护套和铠装进行分段短接或采用半导电护层,3种接地方式对电缆传输容量的影响尚未有定量分析结论。文中针对大长度平行直线敷设的高压单芯非磁性铠装海底电缆线路展开讨论,建立了金属护套及铠装环流计算的等效模型,采用2种方式对半导电护层的损耗进行评估,在IEC标准基础上,提出了电缆允许载流量的修正计算公式。以交流500 kV充油海缆工程为对象进行了定量计算,结果表明,文中算法可以准确计算海缆线路的允许载流量;3种接地方式对电缆的允许载流量没有显著影响;为避免电流过大导致的加速老化,建议选择电阻率不小于106Ω·m的半导电护层材料。     

多回输电线路下单芯电力电缆护套感应电压和环流计算分析

110kV及以上等级的电缆一般采用单芯结构。为了限制电缆护套上的工频感应电压及环流,往往采用金属护套单端接地或金属护套交叉换位互联两端接地联接形式。理论计算和实际运行经验表明三相交叉互联两端接地均匀分段下电缆护套感应电压和护套环流较小。随着城市电力输电线路和高压电力电缆不断增多,高压电力电缆面临复杂的电磁环境,尤其是多回输电线路下单芯电力电缆护套感应电压和环流偏大,严重影响电力电缆的运行。关于多回输电线路下高压埋地电力电缆护套感应电压和环流的计算和分析,鲜有相关研究报道。本文通过建立电力电缆的护套环流和护套感应电压计算模型,进行了多回输电线路下高压埋地电力电缆护套感应电压和护套环流的实例计算。通过实例分析多回输电线路埋地单芯电力电缆的护套影响。计算分析表明多回输电线路的存在显著增大电缆护套感应和护套环流,与实际测量结果一致。     

电气化铁路27.5kV单相单芯交联聚乙烯电缆载流量计算

电气化铁路单相供电电缆是电气化铁路运行的关键组成部分,为获得铁路专用27.5kV单相单芯交联聚乙烯电缆的载流量,通过仿真计算的方法进行了研究。首先对电缆的运行情况进行分析,用有限元法对比计算了单相供电与三相供电条件下电缆金属护套涡流与环流损耗。在对电缆的环流损耗与涡流损耗计算的过程中,通过对计算单元自由度的修改与温度场的耦合,为电气化铁路单相供电电缆载流量计算建立更为精确的计算模型。在该模型的基础上,根据铁路电缆实际敷设环境,分析了不同接地方式、线芯间距、回路数量、媒质热阻、环境温度下电缆载流量的变化。结果表明:双端接地方式下铁路单相供电电缆金属护套层环流损耗较三相供电提高约75%,单端接地方式下相位影响不明显;电缆温升受相邻电缆间距、周围媒质热阻及温度影响较大;回路数增多,受临近电缆的影响,中间电缆的温升将导致电缆整体载流量下降。     

计及金属护套环流影响的高压电缆温度场及载流量的数值分析

温升和载流量是电缆运行的重要参数,而金属护套环流是影响电缆温升及载流量的关键因素.在综合现有电缆金属护套环流计算理论及电缆温度场和载流量数值计算模型与计算方法的基础上,本文建立了电缆温度场和载流量计算的有限元模型.该模型充分考虑了实际电缆沟工程敷设工况.在此基础上,分析并计算了金属护套环流影响下的典型电缆温度场,讨论了维持三相电缆线芯(或金属护套)最高温度不变前提下金属护套环流影响下的线芯载流量,研究了不同大小环流对电缆温度场和载流量的定量影响规律.结果表明:金属护套环流的增大将导致电缆温度升高,线芯载流量降低;随着电缆金属护套环流的增大,电缆金属护套环流对电缆温度及载流量的影响作用显著增加;相比于维持三相电缆线芯最高温度不变,同一环流影响下维持三相电缆金属护套最高温度不变时计算出的线芯载流量更低.本文的研究成果为保障电缆在工程实际中长期安全高效运行提供了理论指导.     

导体单丝表面处理对高压电缆载流量的影响研究

导体的集肤效应会影响导体的交流电阻,最终影响交流电缆的载流量,基于此,大截面导体通常采用分割导体的结构来降低交流电阻从而提高电缆的载流量。在此基础上对导体单丝表面进行绝缘处理也是降低导体交流电阻的手段之一,但IEC 60287标准中并未给出此类导体电缆的载流量计算方法。分别对220 kV电压等级导体单丝表面未处理的分割导体电缆和导体单丝表面绝缘处理过的分割导体电缆进行了空气中载流量测试,并参照IEC 60287考虑皱纹铝护套两侧空气间隙的影响,建立了220 kV电缆载流量计算方法。研究结果表明,载流量计算结果与试验结果偏差为0.74%,结果较为吻合。基于该方法对导体单丝表面处理后的分割导体的集肤效应系数进行了计算,文中所用导体单丝表面处理后分割导体的集肤效应计算所用因数ks为0.3。     

地下电缆群稳态温度场和载流量计算新方法

根据地表对流和深层土壤温度不变的原则,将地下电缆群开域温度场等效为闭域温度场,应用有限元分析了给定电缆负荷电流的地下电缆群闭域温度场分布.采用热路法将电缆金属套损耗归算到电缆导体,应用调和平均法对电缆导体外的薄层进行处理,最终将电缆等效为导体和外护两层结构,减少了剖分节点数,提高了计算精度和收敛速度.采用弦截法计算了地下电缆群载流量.试验和计算结果表明,利用有限元计算地下电缆群温度场和载流量满足工程实际需求.     

计及轴向传热的中低压单芯电缆导体温升状态空间模型

电力电缆导体温度可为线路载流量及运行状态的评估提供依据。然而,在当前电缆温度计算中,导体的轴向温度分布通常被忽略,无法准确描述电缆运行的热动态过程。为此,基于热平衡原理,在状态空间内提出了计及轴向传热的中低压单芯电缆导体的温升模型。为克服模型参数难以确定的问题,提出了基于粒子群优化算法的电缆热路参数辨识方法。为验证模型精度,建立了电缆温升实验平台,在不同电流下对空气中敷设电缆进行了轴向温升实验。计算结果与实验结果的对比表明,当电缆存在轴向温度梯度时,所提状态空间模型结果精度高于IEC60287标准模型,能够满足中低压单芯电缆导体在不同电流条件下的轴向温升计算要求。     

环境温度和环境热阻对单芯电缆导体温度计算灵敏度的影响分析

为了定量掌握运行环境对电缆导体温度的影响程度,以IEC60287电缆稳态温升公式为基础,推导出环境温度和环境热阻对导体温度影响的局部灵敏度公式。采用局部灵敏度分析法对影响电缆导体温度的2个环境因素进行分析,并进行了电缆温升试验。理论分析与试验结果表明,稳态运行下的电缆,导体温度直接受环境温度影响,环境温度越大则影响越明显,基本呈线性递增;环境热阻对导体温度的影响比较稳定,随着加载电流增大至另一个稳态,灵敏度系数只有小幅升高。     

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。     

Factors influencing ampacity and temperature of underground power cables

This paper presents the factors that influence ampacity and temperature rise of three-phase, single-core 33- and 500-kV XLPE underground cables (UGC) using CYMCAP software. These factors are conductor cross-sectional area, soil thermal resistivity, cable burial depth, cable separation, sheath bonding, bedding and backfill heights and thermal conductivities, nearby parallel heat source, formation of dry zone, loss tangent and segmented conductors. Results reveal that increasing the separation distance between phases gives higher ampacity, contrary to the burial depth. The rate of conductor temperature reduction due to the increase in the bedding thermal conductivity is more pronounced than that achieved by increasing backfill thermal conductivity. Furthermore, increasing the native thermal conductivity and/or the maximum conductor temperature increases the UGC ampacity and consequently increases the induced sheath voltage. Sheath losses are significant in transmission UGC where the load currents are always high. High conductor temperature and hence degradation rate is expected for UGC carrying currents of highly fluctuating loads. UGC must be derated as they age (increasing loss tangent), or when dry zones are formed around them, or when a nearby parallel heat source. Finally, it is found that the increase in the number of conductor segments nonlinearly increases the UGC ampacity.     

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。     

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%。     

电缆导体温度的推算方法及应用

分布式光纤测温(DTS)技术已经在电缆上得到应用,这为准确计算运行中电力电缆导体温度,掌握电缆真实载流量创造了条件。应用集中参数法的数学模型,推出根据电缆外护套温度计算导体温度的算法,对影响计算精度的因素进行了讨论。最后介绍了根据这种算法编制的软件的应用情况。     

高压电力电缆金属护套下的热阻特性分析

IEC60287标准是电力电缆线路温度监测及载流量计算的理论基础与依据,为实现对IEC60287标准在线路载流量计算与电缆线路温度监测上的准确运用,通过对某国产电缆的载流量温升试验,研究了单芯高压电力电缆各层的温度分布并根据温度分布按照IEC60287的热传导模型推算出了单芯高压电力电缆各层的热阻值。利用IEC60287标准计算的单芯高压电力电缆的热阻参数与实际推算值比较表明,电缆导体与金属铝套间热阻的理论值与试验值之间存在有56.8%的差异。研究结果发现,阻水带及金属护套与电缆线芯之间存在的气隙是产生这种差异的主要原因。针对电力电缆的实际结构,在IEC60287标准基础上提出了一种改进的计算方法,该方法将电缆导体与铝套间部分分为热阻值不同的2层进行计算,并根据实际温升试验得到的热阻值提出了电缆导体与金属护套间的组合热阻系数的修正值为20.0Km/W,高于标准规定的6.0Km/W。