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双回路单芯电力电缆不同敷设与排列方式温度场与载流量计算

时间:2014-05-07 09:35来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是电力工程论文,本文的主要计算电力电缆的载流量,重点进行双回路单芯电力电缆不同敷设与排列方式下温度场与载流量的计算工作。针对同种容量、同种类型的双回路单芯电力

第一章 绪论


1.1 背景与意义
近年来,随着我国经济的不断发展,电力技术作为推动经济发展的主要动力也取得了巨大的进步。电力传输是电力技术的重要组成部分,电力传输煤质一般包括两种:架空输电线路和地下电力电缆。架空输电线路通过铁塔假设在高空中,施工便捷但是会占用较多的土地资源,尤其是在城市电网的建设中,这种缺陷显得更加明显。而地下电力电缆则多敷设于地下,占地空间上不会与城市建设形成冲突,因此在城网建设中地下电力电缆得到了比较广泛的应用。近年来,伴随着我国城市化建设的不断加快,地下电力电缆在城网中的使用量越来越多,在输电线路中所占的比重越来越大[1-4]。地下电力电缆的连续载流量是电缆温度场形成的根源,其温度场的分布也最直接地反映电缆的载流量大小和状态。电力电缆在运行过程中,缆芯导体会产生焦耳热损耗,绝缘层会产生绝缘损耗,金属屏蔽层和护套会产生环流损耗和涡流损耗等。这些损耗作为电缆在运行过程中的热源,使得电缆及其周围空间中会存在比较明显的温度差。一般来讲,如果电缆产生的损耗过高,发热过大会导致电缆绝缘层绝缘强度下降,使得电缆更容易发生绝缘击穿等事故,因而电缆不能够可靠地提供高质量的电能。而温度过低则表明流过电力电缆的电流很小,会使得电力电缆的材料与占地空间不能够最充分合理地得到利用,造成资源的浪费。交联聚乙烯(XLPE)电缆导体最高允许工作温度为 90oC。
……………


1.2 国内外研究现状分析
近年来,随着城市电力负荷的不断增长,各种敷设方式下(如直埋、排管、沟槽)的电力电缆回路数目也随之不断地增多,这增加了电缆敷设环境中的热源。此外,电力电缆走廊所经过的区域也可能会存在一些人工的热源,对电力电缆工作环境产生一定的影响,增加了确定电力电缆温度场的复杂程度。目前电力电缆温度场的计算方法一般分为两种:解析法和数值法。解析法很早以前就被人们用来计算电力电缆载流量,IEC-60287 标准所采用的热路法就是基于解析法而制定的,比较有代表性的计算方法如镜像法。解析法主要利用一些宏观的参数与影响因子,虽然能够计算电缆的温度分布与载流量,而且计算过程方便、简单。但是解析法的假设前提较多,如地面假设为等温面,电缆表面假设为等温面等,对于很多的实际条件进行了简化或忽略,使得计算结果不够精确,而且对于某些特殊敷设环境的电力电缆,解析法的计算结果会比较保守。近年来,随着数值传热学的发展,采用数值方法计算电力电缆温度场与载流量逐渐被提出和采用,并引起了众多科研人员的广泛兴趣。电力电缆温度场数值计算方法具有比解析法更加准确、可靠的特点,对于不同环境的适用性很强,而且在模拟电缆的运行环境方面具有更加实际和精确的优点。电力电缆的数值计算方法主要包括:有限元法、边界元法、有限差分法、有限容积法等。根据具体的应用环境和要求采用合适的方法可以使得计算更加简单、准确。
…………


第二章 单芯电力电缆温度场与载流量数值计算原理


2.1 单芯电力电缆基本结构及其敷设与排列方法
常用的电力电缆分为多芯和单芯两种,在应用过程中,电压等级较高时采用单芯电力电缆,如 110kV 及以上电压等级的电力电缆;电压等级较低时采用多芯电力电缆,如 10kV 或 35kV 电压等级的电力电缆。本文研究对象为单芯电力电缆,其主要结构如图 2-1 所示。土壤直埋敷设是最常用的电力电缆安装方式,直埋深度一般距离地表 0.7~1m。当电力电缆正常工作时,电缆产生的热量在土壤中以固体传热的方式进行传递。一般为了防止土壤自身水分迁移变化对载流量造成较大的影响,在电缆周围会填充一些沙土,称为回填土。排管敷设是城市建设中使用较普遍的方式。排管敷设需要预先在土壤中埋设电缆管道,一般是水泥管道或 PVC 管道。在敷设电缆时,将电力电缆从预先埋设的管道中穿过即可。目前国内使用较多的排管数目在 6~18 根之间,以 3×3、3×5、4×4、3×6 规格为主,南方电网一般采用 3×4 规格的排管,因此本文在进行电缆排管敷设方式仿真计算时,将选取 3×4 规格排管。电力电缆沟槽敷设需要预先在地下或是地表挖掘一条电缆沟,然后在电缆沟里面安装电力电缆。考虑占地原因以及电力电缆走线和接线,经常在沟槽内敷设多回路的电力电缆群。
…………


2.2 电力电缆温度场数值计算原理


2.2.1 热量传递相关基础
进行电力电缆温度场与载流量计算时,需要利用热量传递的相关基础知识。热量传递简称传热,根据热力学定律,热量一般从温度高的区域自发地向温度低的区域传递。热量传递一般有三种方法:热传导、热对流、热辐射[3]。同一物体内部的不同部位或两个相互接触的物体之间存在温度差时,会在同一物体的不同部位或不同物体之间存在热量由高温部分向低温部分传递的现象,称为热传导。产生热传导的物体不发生相对位移,热量由分子、自由电子等微观粒子的热运动完成热量传递。内部存在温差的流体发生运动时,由于流体各个部分之间产生相对位移,使得冷热流体之间相互渗透和混合,在此过程中产生的热量传递现象称为热对流。由于流体在流动时内部的分子也发生热运动,热对流一般伴随着热传导现象。当流体从温度不同的固体表面流过时,会发生热量传递现象,称为对流传热。对流传热时,紧贴物体表面的部分流体由于黏性作用与物体短时相对静止,热量在这部分流体上以热传导的方式传递;当发生热传导的部分流体离开物体表面后,与其它流体之间以热对流方式传热。
…………


第三章 直埋敷设单回路电力电缆载流量计算.........24
3.1 电力电缆 IEC-60287 标准载流量计算 .... 24
3.2 电力电缆固体传热物理场模型温度场与载流量计算.... 26
3.3 电力电缆磁-热耦合物理场模型温度场与载流量计算 ........ 29
.3.1 磁-热耦合物理场模型计算基本原理 ........ 30
3.3.2 磁-热耦合物理场模型计算 ...... 31
3.4 本章小结.... 35
第四章 不同敷设与排列方式下双回路电力....36
4.1 土壤直埋敷设电力电缆温度场与载流量计算.... 36
4.2 沟槽敷设电力电缆温度场与载流量计算...... 44
4.2.1 水平一字形排列...... 45
4.2.2 上下一字形排列...... 48
4.2.3 水平三角形排列...... 50
4.2.4 上下三角形排列...... 52
4.2.5 小结........ 53
4.3 排管敷设电力电缆温度场与载流量计算...... 54
4.4 本章小结.... 59


第四章 不同敷设与排列方式下双回路电力电缆温度场与载流量计算


本章将采用 COMSOL 数值仿真软件对双回路单芯电力电缆在土壤直埋、电缆沟、排管三种敷设方式下的温度场与载流量进行计算。在每种敷设方式下,双回路电力电缆又分为一字形和三角形排列两种。敷设条件为:电缆埋设深度 1m,左右边界距离电缆群边相电缆 20m,下边界距离电缆群 20m,回路之间电力电缆轴心距离 350mm,每个回路内电力电缆之间轴心距离 250mm。深层土壤温度基本保持不变,为第一类边界条件,设置稳定温度为 8℃;左右边界上垂直于土壤边界的热流密度为 0,为第二类边界条件;地表与空气接触,设置第三类边界条件,空气温度为 25℃,空气自然环流系数为 12.5W/(m2•K)。材料物性参数同表 3-6 所示,热源采用 IEC-60287 标准计算的电缆损耗结果。调节所设置的电流,使得电缆导体的最高工作温度为 90℃,此时电缆载流量为 736.36A,温度场分布图如图 4-3 所示。
……………


结论


本文采用 COMSOL 仿真软件,利用有限元数值仿真计算方法对电力电缆的温度场与载流量进行计算。所完成的主要内容包括以下几个方面:
1) 调研国内外电力电缆数值仿真计算的研究现状,分析目前国内外电力电缆载流量计算工作比较缺乏的方面。在此基础上提出进行双回路电力电缆群不同敷设与排列方式下温度场与载流量计算的论文思路。此外,针对目前计算电缆损耗方法的不足之处,采用磁-热耦合方法计算电缆载流量。
2) 研究目前国内外对电力电缆温度场与载流量计算的主要方法,包括基于 IEC-60287 的解析计算方法和基于有限元、有限差分等的数值计算方法;学习并研究 IEC-60287 标准计算电力电缆损耗、热阻的方法,以及采用热路法确定电力电缆载流量的计算思路;对于数值计算方法介绍了三种导热微分方程,以及数值确定电力电缆载流量的方法。
3) 建立电力电缆单回路一字形排列数值仿真计算模型,采用固体传热物理场模型方法、磁-热耦合物理场模型方法对电力电缆的温度场进行计算,并确定电力电缆导体温度为 90℃时的载流量。此外采用 IEC-60287 标准计算该模型电力电缆的载流量,并将三种计算结果进行比较和分析,得出了磁-热耦合物理场模型所计算载流量最大,IEC-60287 次之,固体传热物理场模型最小的结论。但是三种计算载流量结果差别不大,在 3%以内。
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参考文献(略)

(责任编辑:gufeng)
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