高压电缆缓冲层的设计与工艺研究

高压与超高压交联电缆金属护套与电缆缆芯之间的缓冲层是电缆的重要组成部分,对电缆的机械、热性能具有重要的影响。为研究缓冲层对电缆性能的影响,分析了不同的阻水带的热阻特性与工艺特点,对国产两种同型号不同厂家的电缆进行了对比温升试验,最后讨论和分析了现在国内外高压交联电缆缓冲层的结构与工艺特点。研究表明,具有不同结构与材料的缓冲层,对电缆本体的热阻有显著影响,也对电缆载流量有着很大的影响。在此基础上,对国产电缆的缓冲层设计与工艺提出了一些建议。     

单芯电缆热路模型的改进及其在载流量计算中的应用

基于IEC 60853的理论基础,减小传统热路模型中用集中性参数代替分布性参数所带来的误差,并充分考虑电缆实际结构中,缓冲层存在一定的空气介质,通过建立改进的热路模型,自行编制计算载流量的应用程序。在计算电缆载流量程序中,将动态的电缆热参数代入计算,减小了利用传统的经验公式和估算值计算各层热参数所引起的误差。为了进一步提高电缆载流量求解精度,利用分布式光纤测温系统(DTS),测量电缆表面温度大小,进而代入程序中求解。该计算程序能够处理各种不同型号的电力电缆,以电缆的实际运行条件为依托,方便了电缆载流量的计算。     

高压XLPE绝缘电力电缆缓冲层与金属护层结构设计仿真计算与优化

针对近年来电力系统运行的XLPE绝缘高压电缆因缓冲层发生的故障与隐患增多,就缓冲层、金属护层对电缆的作用,通过测量缓冲层等材料的相关参数,运用有限元(Ansys)软件仿真计算了高压电缆的电场分布,分析了不同优化条件下缓冲层结构的影响,提出了高压电缆缓冲层与金属护层结构设计优化建议。     

高压直流海底电缆三维仿真模型简化等效研究

温度分布和载流量是反映海底电缆运行状态的重要参数。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,建立了电缆的三维(three-dimensional,3D)仿真模型,提出了电缆暂态模型的简化方法。在整个厚度不变的基础上,将多个薄层与邻接介质作为3个等效层,采用调和平均法计算等效层的导热系数,利用IEC 60287标准计算等效层的比热容和密度,解决了电缆薄层网格剖分过密的问题。通过对比研究仿真模型简化前后不同载流量下的电缆温度分布,验证了简化方法的正确性和有效性。     

不同金属屏蔽形式XLPE高压直流电缆载流量计算与试验验证

为了明确不同金属屏蔽形式对高压直流电缆载流量的影响,并对比热分析法和有限元仿真两种理论计算方法结果的准确性,选取导体截面3 000 mm~2的铜芯±525 kV交联聚乙烯(XLPE)绝缘直流电缆,分别通过热分析法和有限元仿真计算皱纹铝套和铜丝屏蔽结构下直流电缆的载流量,并设计直流载流试验对两种电缆样品进行载流量测试。结果表明:相同条件下铜丝屏蔽结构电缆载流量大于皱纹铝套结构,但是两种载流量的理论计算结果均小于试验结果,且存在明显偏差。基于热分析法计算得到的铜丝屏蔽结构电缆在空气中28℃条件下的载流量为2842A,对比有限元仿真结果和试验结果分别偏小7.5%和15.8%;基于热分析法计算得到的相同条件下皱纹铝套结构电缆载流量为2 836 A,对比有限元仿真结果和试验结果分别偏小5.3%和8.6%。造成热分析法计算结果偏小的主要原因在于其仅考虑电缆热传导过程中的热阻影响,无法计算外部空气对流产生的热辐射对载流量的提高,且无法考量电缆结构内部空气对热传导的作用;有限元仿真计算方式在热传导作用之外还具备识别热辐射作用的能力,计算结果更为接近试验结果,差异来源主要为该文所建立的模型未准确表征电缆实际存在的空气隙和皱纹铝套结构,此外有限元仿真计算无法准确模拟实际试验时空气对流产生的电缆表面散热情况。     

长距离隧道敷设电缆载流量仿真计算方法研究*

电网负荷的日益增大使得电缆隧道中敷设电缆回路数逐渐增加,导致电缆隧道温度不断升高,从而限制电缆载流量。对长距离电缆隧道进行强制通风是提高电缆载流量的一个有效措施,但通风状态下的隧道电缆载流量的计算方法还不完善。基于等效热路模型提出多层电缆结构简化计算方法,先求出等效热源Qeq和等效热阻率ρeq,进而建立双层仿真计算模型。为对长距离通风长度的隧道中敷设电缆载流量进行仿真计算,提出分段仿真计算方法,将上一段隧道出口的温度和速度分布作为下一段进口的温度和速度边界条件。进一步地,针对110 kV、220 kV和500 kV电缆,仿真分析得到了不同风速和通风长度对电缆载流量的影响机制。仿真结果表明,对于通风长度为1 km的电缆隧道,10 m/s风速工况下相比静止状态下的110 kV、220 kV和500 kV电缆载流量分别提升了467.05 A、549.18 A和573.4 A;当通风长度从100 m增加到1000 m时,各电缆载流量分别降低了95.34 A、117.54 A和130.6 A。研究成果可为电缆隧道通风设计、在线监测提供参考。     

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。     

铝护套结构对XLPE电缆绝缘屏蔽层悬浮电位影响

为研究电缆铝护套结构对绝缘屏蔽层悬浮电位以及缓冲层间电场强度的影响,优化电缆铝护套结构进而降低缓冲层烧蚀缺陷的严重程度,本文建立缓冲层分压模型以及Comsol仿真模型,分析在缓冲层白斑缺陷出现后,计算不同电缆铝护套结构下的绝缘屏蔽层悬浮电位以及缓冲层电场强度。仿真和理论分析结果表明铝护套最小内径φmin和铝护套波谷处曲率K与绝缘屏蔽层悬浮电位以及缓冲层间电场强度有如下关系：φmin和K越小,绝缘屏蔽层悬浮电位越小,缓冲层间电场强度降低,其中φmin的影响更明显;以本文缺陷电缆为例,仿真定量分析得出φmin和K优化后绝缘屏蔽层悬浮电位分别下降了30%、13.7%;缓冲层间电场强度分别下降了30.3%、13%。     

梁箱结构内的电缆温度场及载流量仿真

桥梁通道敷设远距离高压电力电缆,已经成为跨海输电工程中常用的电缆敷设形式。电缆长期在梁箱内工作时产生的热量导致电缆温度过高,从而影响电缆载流量。基于COMSOL多物理场仿真工具,首先对梁箱结构敷设电缆进行有限元建模、仿真及计算,并研究电缆长期在梁箱内工作时的温度场分布,以及温度场对电缆载流量的影响。其次分析影响电缆载流量的关键因素,提出提高电缆载流量的方案。     

基于磁-热-流耦合模型的不规则排列电力电缆温度场与载流量计算

由于电缆不规则排列导致其温度场和载流量与规则排列电缆不同,针对沟槽内不规则排列电缆群的温度场和载流量计算,提出了电缆的磁-热-流耦合模型。该模型以110 k V交联聚乙烯电缆为例,利用多物理场耦合分析软件COMSOL Multiphysics对沟槽内规则与不规则排列电缆群的温度场和载流量进行计算。结果表明:电缆不规则排列可能导致其缆芯温度升高,载流量降低;利用电缆的磁-热-流耦合模型,可以准确计算沟槽内不规则电缆群的流场和温度场分布,从而准确计算沟槽内不规则排列电缆群的载流量。     

基于阻抗评估电缆缓冲层间隙状况的实验与分析

为了研究高压电缆缓冲层的间隙状况与缓冲层阻抗的相关性,分别建立高压电缆缓冲层间隙模型和电缆的外屏蔽层端部至铝护套端部的分布式电路模型。通过Simulink平台分析不同缓冲层间隙状况下的缓冲层阻抗变化规律及原因。设计并搭建高压电缆缓冲层阻抗的实验平台,对6条不同间隙状况的目标电缆进行实验分析。结果表明:优质的、紧密接触的电缆缓冲层阻抗曲线均为向内凹陷的平滑抛物线,在端口电压为10 V时,其缓冲层阻抗值小于150Ω;劣质的、较为松动的电缆缓冲层阻抗曲线无固定规律,在端口电压为10 V时,其缓冲层阻抗值大于200Ω。实验结果可供电缆质量评估与安全投运提供参考。     

绝缘层厚度对高压直流电缆电场和温度场分布的影响

高压电缆电场和温度场分布是绝缘层厚度设计需要重点考虑的因素。该文建立了高压直流电缆电-热耦合仿真模型;测量并分析电缆绝缘层和半导电屏蔽层的电阻特性和导热特性随温度的变化规律;计算绝缘层厚度对电缆电场和温度场的影响规律,讨论了载流量和敷设方式对不同绝缘层厚度电缆温度场分布的影响。实验结果表明,随着温度的升高（25～90℃）,XLPE电阻率下降2～3个数量级,半导电屏蔽层则由21.4Ω·cm增加至75.5Ω·cm;整体上,半导电屏蔽层导热系数约为绝缘层的两倍。将实验参数代入仿真模型,发现绝缘层厚度从20mm增加至35mm时,绝缘层内侧电场降低约34%,绝缘层内外温差增加约54%;随着载流量的增加,绝缘层温差由800A的3.5℃增加到2 400A的31.4℃;三种敷设方式散热效率由高至低依次为隧道敷设、直埋敷设和管道敷设。     

高压XLPE电缆缓冲层烧蚀故障机理分析与结构优化

高压交联聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)电缆缓冲层烧蚀故障频发,在行业内引起广泛关注。电缆结构优化有利于解决放电烧蚀问题,文中从缓冲层放电灼伤机理角度出发,建立电缆有限元模型进行电场仿真,分析讨论不同结构参数下气隙电场分布的变化,并开展模拟试验对结构优化方案进行研究。结果表明：在满足电缆设计要求的前提下,减小缓冲层厚度、减小轧纹深度、增加金属套和缓冲层的挤压深度有利于减弱接触不良导致的气隙电场畸变;平滑铝套结构与缓冲层的接触电阻较小,在抑制缓冲层放电烧蚀故障方面具有优势。     

±500 kV高压直流XLPE电缆温度分布及其影响因素研究

温度分布是直流电缆运维检修的重要参数之一。由于高压直流输电起步较晚，高压直流电缆的研究不如交流电缆丰富、深入，因此对其温度分布影响因素的研究具有重要意义。通过Comsol有限元软件建立二维对称模型，计算±500 kV高压直流XLPE电缆稳态运行时的温度分布，求出适合电缆长期运行的载流量，并从载流量和环境温度两方面研究温度分布变化。仿真结果表明：载流量对温度分布变化具有较大的影响，当环境温度高于15℃时，导体温度约束载流量大小，环境温度低于15℃时，绝缘层最大允许温差约束载流量大小。最后通过实验验证了仿真的正确性。     

基于有限元法的排管敷设电缆温度场和载流量的计算研究

电力行业长期以来使用IEC 60287标准对地下电缆温度场和载流量进行计算,但该方法只适用于简单条件下的结果计算,不适用于过程分析。为研究排管敷设电缆工作时温度场和载流量之间的相互关系,为分析不同外界条件对温度场和载流量的影响情况,利用有限元法建立了排管敷设电缆温度场的仿真模型,对电缆的温度和载流量进行计算和分析。用IEC 60287标准对仿真模型进行验算,验证了仿真模型的有效性和准确性。由仿真结果可知,电缆工作时热量呈辐射型向四周传递,最终经过地表和左右远处土壤进行散热;管道内部受空气影响而难以散热。对地表温度、电缆间距和埋深等参数进行调整,分析了不同外界条件对排管敷设电缆温度场和载流量的影响,得出电缆间距在0.5 m、埋设深度在1.5 m以内时,调整间距和埋深会对电缆的温度和载流量产生较大影响。     

波纹护套高压XLPE电缆缓冲层空气间隙电场分布

近年来高压电缆缓冲层故障频发,可能由波纹护套与缓冲层空气间隙局部电场畸变引起,现有电场仿真研究缺乏对波纹护套压纹深度、节距以及缓冲层阻抗的考虑。文中基于麦克斯韦方程建立了考虑电缆波纹金属护套实际几何结构的数值仿真模型和平滑金属护套电缆的电路计算模型,定量分析了110 kV电缆缓冲层材料电导率和介电常数以及波纹金属护套几何结构对空气间隙电势与电场分布的影响。研究表明,当缓冲层材料电导率在10~(-6)～10~(-9)S/m时,空气间隙电势主要受缓冲层材料电导率的影响;当缓冲层材料电导率小于10~(-9)S/m时,空气间隙电势主要受材料介电常数的影响;当缓冲层材料电导率大于10~(-6)S/m时,空气间隙电势接近于0。波纹金属护套的存在会使空气间隙电势分布呈现与波纹相似的形状,电场集中在接触点附近,仿真所得疑似放电区域与故障现场实际烧蚀痕迹相吻合;缓冲层外表面电势受波纹护套影响较大,越靠近接触点电势越小,缓冲层内表面电势基本未受波纹护套结构的影响;金属波纹护套节距越小、压纹深度越大,空气间隙电场越大。     

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。     

基于电磁-热耦合模型的直埋电缆载流量计算及间距的影响研究

准确地计算电缆载流量,对电缆的安全、稳定运行具有重要意义。然而,当电缆间距离较短时,电缆群间的电磁效应增强,IEC 60287不能给出电缆损耗准确的计算公式,从而使得电缆载流量存在一定的误差。为了准确地计算短间距敷设条件下电缆群的载流量,提出了电缆的电磁-热耦合模型。该模型以110 k V交联聚乙烯电缆为例,利用多物理场耦合分析软件Comsol Multiphysics对不同间距电缆的电磁场和温度场进行了同步耦合计算,并与IEC 60287标准的计算结果比较分析。计算实例表明:基于电磁-热耦合模型的载流量计算结果比IEC 60287准确度更高;当电缆间距较长时,IEC 60287和电磁-热耦合模型计算电缆载流量误差较小;当电缆间距较短时,两种算法计算电缆载流量误差相对比较大。     

基于高压电缆载流量的同相多根并联电缆布置方式研究与相序优化

为了研究同相多根并联电缆不同布置方式的电缆群载流量,利用有限元软件COMSOL和MATLAB联合仿真,建立了同相多根并联电缆载流量计算模型;针对4种典型的布置方式,计算分析了电缆不同并联根数的子电缆负荷电流和电缆群载流量,并基于电缆群载流量最大,通过遗传算法对电缆相序进行优化研究。结果显示:采用正三角形排列方式的电缆群载流量高于水平排列,电缆回路采用纵向布置方式的电缆群载流量高于回路横向布置方式;对于同一排列方式的电缆,子电缆负荷电流分配不均匀程度越小,电缆群载流量越大;最优相序载流量分析表明,电缆最优布置为方式4(电缆回路纵向布置、电缆正三角排列),最优相序为ABC-BCA-ABC-BCA。     

电力电缆温度场与载流量计算软件设计

针对电力电缆温度场的仿真问题和载流量的计算问题,基于有限元方法和等效热阻法开发了电力电缆温度场与载流量计算软件。软件采用面向对象的Visual C#语言以及Microsoft Visual Studio平台上的Windows Presentation Foundation技术,具有高度模块化的视图层、控制层和模型层三层软件架构。该软件实现了电缆载流量的解析计算与数值计算、电缆温度场的数值分析及其数据可视化等功能,并使用电缆厂的技术数据对软件的计算准确性进行了测试。与其他商业软件相比,该软件在电缆参数计算领域更具专业性,而且节省了建立电缆有限元模型的时间。