一种新型金属屏蔽形式的平滑铝套高压电缆研制

介绍了新型屏蔽结构的平滑铝套高压电缆的研发背景,通过仿真软件对平滑铝套电缆进行电场和弯曲性能仿真分析,对平滑铝套高压电缆的结构设计进行了较为详细的阐述.通过载流量对比试验,试验结果表明平滑铝套电缆载流量比皱纹铝套电缆提升5.5％,平滑铝套高压电缆可以极大地提升系统运行的安全性.     

沟槽电缆温度场和载流量的数值计算

沟槽敷设方式下电缆附近的温度场同时受到周围空气、周围土壤和地表空气的影响,对其温度场的分析有助于准确确定沟槽电缆的载流量。该温度场中的热传递过程是流固耦合的,固体区域用热传导微分方程描述,沟槽内空气采用动量方程、能量方程和连续性方程与热辐射方程描述,流体和固体间热传递采用迭代法求解。采用三维有限元和涡量-流函数耦合求解上述热扩散方程,求得整个场域的温度场分布图和沟槽内空气层的流动方程,然后利用迭代法计算沟槽内电缆的载流量,直到导体温度为363K。计算结果显示,沟槽内存在较强的空气自然对流散热,沟槽内单根400mm2 YJV22XLPE电力电缆的载流量为825A,比直埋载流量提高了30%,比排管敷设载流量提高了51.9%。研究结果表明利用有限元和涡量-流函数,可以准确计算沟槽敷设电缆群的流场和温度场分布,从而准确计算沟槽敷设电缆的载流量。     

10kV交流XLPE电缆在不同直流拓扑结构和敷设方式下的直流载流量仿真研究

为了研究电缆敷设方式、直流拓扑结构以及环境因素对交流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(cross linked polyethylene,XLPE)电缆为例,通过有限元仿真软件建立电缆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电缆分别以双极式、单极式、三线双极式(three-wire bipole structure based HVDC,TWBS-HVDC)3种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:在相同敷设方式下,电缆以TWBS-HVDC运行时的载流量最大,而以单极式运行时的载流量最小;电缆以单极式运行时的总电流容量最大,而以双极式运行时的总电流容量最小.与直埋敷设和排管敷设相比,沟槽敷设下敷设深度、深层土壤温度和土壤导热系数对电缆载流量的影响较小,而空气温度和空气对流换热系数对电缆载流量的影响较大.随着敷设深度的变化,其余环境因素对电缆载流量的影响程度也随之变化.研究结果可为10 kV交流XLPE电缆的直流改造工程提供理论依据.     

高压直流电缆直流载流量计算和验证

为了掌握高压直流电缆直流载流量,最大限度的利用电缆的输送能力,通过理论计算与试验测量结合的方式,研究了±535kV高压直流电缆直流载流量。基于IEC60287计算了导体运行温度为70℃和90℃时的直流载流量,同时搭建了载流量试验回路,实测了运行温度为70℃和90℃时的直流载流量。试验表明,自由空气中敷设、电缆不受日光直接照射,70℃的载流量为3 266A,90℃的载流量为3 682A,90℃运行与70℃运行相比载流量提升12.7%;高压直流电缆载流量理论计算结果与实测结果基本一致,两者相差不超过0.5%。     

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.     

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%。     

排管敷设电缆群温度场和载流量数值计算

为充分利用电力电缆线路的传输容量,提高电缆的利用率,准确计算电缆线路的温度场分布,建立了地下排管敷设电缆群的热传导、热对流、热辐射微分方程,给出了2维共轭温度场的求解域和边界条件,利用涡量-流函数和伽略金法给出了自然对流的变分方程,利用迭代和耦合算法对方程进行了有限元分析和计算。给出了给定电缆负荷的温度场分布图,迭代计算了单回路和多回路交联聚乙烯电缆系统的载流量。排管内带绝缘发热管的试验和计算的对比,验证了计算模型的有效性。     

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。     

高压真空绝缘组合电器载流量的分析

真空绝缘组合电器(VIS)是应用真空代替SF6作为绝缘介质的一种新型电器设备。从技术上论证其可行性需要考虑绝缘、真空系统维持和载流量3方面的内容。为了分析其载流量,建立了VIS的简化热模型。该模型综合考虑了热辐射、热传导和材料物理性能随温度变化的特点,并利用有限元软件ANSYS对简化热模型进行了长期发热计算。根据计算结果对影响载流量的各种因素进行了分析,并对40.5 kVVIS提出了载流量可用范围和设计建议。     

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。     

±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。     

±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。     

基于直流和交流传输下城市轨道交通直流电缆连续载流量计算与分析

根据城市轨道交通直流电缆的特性、具体结构和参数,按照传输直流和交流电能的不同特点,分别建立了电缆连续载流量的数学模型,对主要的城市轨道交通直流电缆品种及规格进行计算,分析电缆载流量影响因素,并对直流和交流传输下的载流量进行对比,以期对城市轨道交通直流电缆的选型提供有效参考。     

基于有限元仿真的土壤直埋电缆中间接头稳态载流量计算

在运行过程中,电力电缆中间接头的温度通常会比电缆本体高,基于电缆本体温升不超过90℃而计算得到的稳态载流量会造成中间接头的损坏。对于土壤直埋直流电缆接头,利用有限元仿真软件构建三维模型对温度和载流量计算准确度较高,同时为简化计算过程,利用二维轴对称模块建立了接头的平面结构,并旋转形成中间接头的三维模型。对土壤中电缆接头和本体的温度和稳态载流量进行仿真计算,由本体确定的载流量会使接头导体温度高于最大长期允许温度值,不利于电缆长期稳定运行。水分迁移使接头周围土壤热阻增大,采用回填沙土可在一定程度上提高中间接头的稳态载流量。     

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。     

地下电力电缆群敷设水冷管道模型的研究

随着城市用电负荷需求的日益增大,采取适当的措施提高电缆群的载流能力有重要研究意义。文中主要研究了在电缆群中敷设水冷管道这种增容方式,即水冷管道中对流换热带走电缆群产生的热量,使得电缆群区域降温,从而提高电缆群载流量。首先建立电缆群敷设水冷管道模型,然后对水流体的流动因素进行有限元分析,并计算载流量,从而验证这种方法对提升电缆载流量的效果。通过Ansys仿真计算的结果数据可知,对于水冷管道模型,水流温度及流速是影响电缆群载流量提升效果的主因,其改善电缆群的散热效果。电缆群载流量的提高可达28%。     

基于有限元法的地下电缆群温度场及载流量的仿真计算

结合传热学知识对地下直埋电缆温度场进行分析,构造出热传导方程和边界条件后,采用专业有限元软件建立了3根直埋单芯电缆的温度场模型,计算区域采用三角形单元剖分法。对电缆温度场分布及载流量的确定采用对分法进行迭代求解。通过仿真,分析了影响土壤直埋电缆载流量的各个因素以及各因素对载流量的影响规律,为工程实际提供了参考依据。     

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。     

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。     

皱纹铝套变形对挤包绝缘直流电缆电场分布的影响

为研究高压直流电缆皱纹铝套受力变形对电缆绝缘结构造成的损伤,以及在运行过程中对电气性能的影响,针对500 kV直流电缆开展绝缘线芯热膨胀测试和皱纹铝套压扁试验,确定皱纹铝套变形在绝缘线芯表面造成的缺陷情况。建立有限元模型,分析绝缘场强分布随温差变化情况,以及皱纹铝套变形导致绝缘线芯表面缺陷后的场强分布情况。仿真结果表明：电缆在负载过程中绝缘场强随着绝缘温差的变化而变化,此外绝缘表面存在缺陷会进一步导致场强畸变,且畸变程度与外加电压和绝缘温差有关。