±500 kV直流电缆负荷循环系统温度控制仿真研究

直流电缆负荷循环系统是开展全尺寸电缆绝缘材料性能研究的重要设备,核心功能是实现绝缘层温度梯度和导体温度的精确控制。为了研究±500 kV直流电缆负荷循环系统中控温介质的流速对绝缘层温度梯度和导体温度的影响,在COMSOL Multiphysics中建立了水循环回路的有限元模型,对直流电缆、循环水及保温水管开展了热流固耦合仿真。通过改变水的流速,研究了绝缘层温度梯度和导体温度的轴向差异变化情况,并对水温和线芯电流进行了修正。结果表明:增大水的流速有利于降低水温的波动,当流速为0.3 m/s以上时,绝缘层温度梯度和导体温度的轴向差异均低于1℃;给出了迭代计算水温和线芯电流的方法,从而将绝缘层温度梯度和导体温度的误差均控制在±1℃以内,满足系统对控温精度的要求。     

高压直流电缆稳态载流量解析计算方法

高压直流电缆稳态载流量的准确计算对于其传输能力的充分利用具有重要意义。首先,提出了高压直流电缆稳态载流量解析计算方法,该方法同时考虑了线芯导体最高长期允许温度和绝缘层最大允许温差。其次,利用该方法对?160 kV交联聚乙烯直流电缆稳态载流量进行了计算,并用有限元法进行了验证。最后,研究了敷设环境温度、线芯导体最高长期允许温度和绝缘层最大允许温差对直流电缆稳态载流量的影响规律,发现考虑线芯导体最高长期允许温度和考虑绝缘层最大允许温差的直流电缆稳态载流量随敷设环境温度的变化曲线可能存在交点,当敷设环境温度高于交点温度时,线芯导体最高长期允许温度决定了稳态载流量;当敷设环境温度低于交点温度时,绝缘层最大允许温差决定了稳态载流量。     

高压直流电缆接头稳态温度场分布及其影响因素

温度是反映电缆中间接头运行状态的重要参数。与交流不同,高压直流电缆中间接头绝缘层温度的变化影响着电场分布和空间电荷的积累,因此不仅要关注接头线芯的温度,更要研究绝缘层温度和绝缘层内外表面温差的变化。建立了高压直流XLPE绝缘电缆中间接头的简化模型,利用有限元软件进行仿真,得到了接头绝缘层稳态温度分布,并研究了不同线芯电流和电缆接头外表面温度分别对接头导线芯温度、XLPE主绝缘和硅橡胶（SIR）增强绝缘层温度分布以及绝缘层内外表面温差的影响。结果表明：直流高压下,线芯电流对三者影响较为显著;接头外表面温度对接头导线芯最高温度、绝缘层最高温度和绝缘层温度分布有影响,而对绝缘层内外表面温差的影响可忽略不计。     

单芯电缆线芯温度的非线性有限元法实时计算

考虑电缆材料热性参数是温度的函数及忽略热量沿着线芯轴向传输所造成的线芯温度计算误差,为提高电缆线芯温度计算的精度,提出基于非线性有限单元法计算电缆导体的温度。研究电缆导体径向、轴向温度梯度以及热量扩散规律,分析运行电流、外界环境温度等因素对电缆线芯轴向、径向温度分布的影响。根据传热学原理,研究电缆热性参数随温度变化对电缆导体温度的影响,建立电缆导体温度计算三维非线性有限元模型,并通过实验数据对非线性有限元模型进行验证和修正。实验和有限元仿真的对比表明：忽略电缆热量沿着轴向传输以及热性参数的改变会造成线芯温度计算误差;所提出的电缆导体温度实时计算非线性有限元模型的有效性,为高温下运行电缆导体温度监测与负荷预测奠定了基础。     

考虑轴向传热的单芯电缆线芯温度实时计算模型研究

为了研究轴向传热对电缆线芯温度的影响,首先以单芯电缆的三维微元热路模型为基础,建立了考虑单芯电缆轴向与径向传热的三维热路模型,且根据该三维热路模型实现了单芯电缆线芯温度实时计算的理论推导。其次,通过不同敷设环境下分别加载恒定与阶跃电流的实验,讨论了电流、电缆敷设环境与外界环境温度等因素对轴向、径向温度分布的影响。实验结果表明,电流是决定轴向温度梯度变化趋势的主要因素,空气中电缆的线芯温度上升速度最快,土壤中电缆次之,水中电缆最慢。最后通过有限元仿真工具,对比了空气中电缆中间接头三维有限元模型与二维有限元模型计算的线芯温度。研究结果表明,只考虑电缆径向传热的二维热路模型会造成线芯温度计算的误差,而考虑电缆轴向与径向传热的三维热路模型能够提高计算的精度。     

高压电缆中间接头轴向传热的实验研究

高压电缆接头加载电流达到稳态时,电缆接头及附近本体导体沿轴向存在温度分布梯度,载荷能力和玻璃钢保护壳的引入对此温度分布存在影响。为研究载荷能力和玻璃钢保护壳的引入对电缆接头轴向传热过程的影响,建立了电缆接头的简化热路模型,分析了接头内部的热传递特点,并搭建了高压电缆接头温升实验平台,分别完成了引入玻璃钢保护壳前后电缆接头不同载荷水平下的稳态温升试验。实验结果表明,玻璃钢保护壳的引入降低了电缆接头主体内导体温度沿轴向的下降速度;当电缆接头运行在更高的负荷下时,电缆接头整体温度和轴向温差均增大,接头主体部分的导体温度变化率也随之增大,且附近本体导体温度沿轴向波动更加明显。玻璃钢保护壳的引入和载荷水平的提高均增大了接头轴向传热对电缆本体导体沿轴向的温度分布的影响程度和影响范围。     

110kV电缆中间接头载流能力计算与实验分析

为了评估110 kV电压等级电缆中间接头的载流能力,采用热路法分析了中间接头与电缆本体的径向导热差异,及中间接头轴向传热的影响范围。基于理论分析,建立了有限长中间接头1/2轴切面几何模型,利用有限元仿真工具,迭代计算了中间接头载流量。模拟空气敷设环境,进行了大电流温升实验,得到了中间接头局部温度分布规律。研究结果表明:中间接头径向温差大于电缆本体径向温差,对应中间接头径向热阻大于电缆本体径向热阻;中间接头轴向传热影响范围小,靠近中间接头的电缆本体导体温度轴向分布均匀;随着负荷增大,中间接头与电缆本体的导体温差增大;空气敷设环境下,考虑中间接头的110 kV电缆线路载流量降低145 A;采用有限长轴切面几何模型仿真计算中间接头导体温度,计算相对误差小于6%。该研究结果可以为电力调度及运行维护部门考量电缆中间接头对110 kV电缆线路载流量的限制作用提供参考。     

海上风电送出J型管段海底电缆载流量计算模型研究

海上风电场送出线路从升压站穿出首先需经过散热环境较差的J型管段,目前针对该区段海底电缆载流量的计算主要采用数值模拟法,而三维流体仿真计算非常耗时,因此难以推广使用。该文基于基本热分析方法提出了J型管段海底电缆径向-轴向传热解析模型,考虑温度沿轴向分布的差异,实现J型管段海底电缆载流量的快速计算。在计及导体电阻率随温度变化情况下,利用数值仿真软件建立海底电缆J型管系统三维热-流耦合数值模型,并与径向-轴向传热解析模型进行了对比计算。最后基于两种方法分析了J型管外径、太阳辐射强度和环境温度对J型管段海底电缆缆芯最高温度的影响规律。结果表明,J型管段海底电缆缆芯最高温度与太阳辐射强度和环境温度存在明显的线性关系,而J型管外径与海水温度对J型管段海底电缆缆芯最高温度影响较小,且解析法与数值仿真计算结果误差在5%以内。该文所提出针对J型管段海底电缆载流量计算的解析法高效准确,具有较好的工程应用价值。     

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。     

基于三维热流耦合仿真的登杆电缆载流量计算

为分析由于外部环境突变导致的轴向传热对登杆电缆载流能力的影响,基于COMSOL Multiphysics软件建立包括裸露段、保护管段和直埋段3个区段的登杆电缆三维热流耦合仿真模型,并通过与现有模型计算结果的对比来验证所建立模型的有效性。基于该仿真模型进行分析,得到不同保护管段长度下电缆导体的轴向温度分布差异。计算结果表明:登杆电缆不同区段的导体存在较大的轴向温差,散热最好的裸露段与散热最差的保护管段稳态温差接近40℃;保护管长度对登杆电缆峰值温度和载流量影响较大,当保护管段较长时(大于7 m)在保护管段将形成温升平台,保护管长度越小峰值温度越低;所建立的模型充分考虑了不同区段间轴向传热的影响,且保护管长度越小模型的计算准确度越高,当保护管段长度为2 m时,该模型计算结果与现有模型相比最高温度降低14%。     

基于参数热等效的10 kV变压器温度流体场三维仿真计算

变压器温度流体场三维仿真是准确计算变压器绕组热点温度的重要方法,然而变压器绕组结构复杂,精确考虑绕组导线和绝缘结构的三维模型建模和网格剖分困难,同时计算效率低,难以满足实际工程需求.提出了一种配电变压器绕组结构的热等效简化分析方法,采用热导率各向异性、比热容等效的块状导体来等效实际的绕组结构.应用所提方法对一台S13-M-200 kV·A/10 kV型油浸式变压器三维温度流体场进行了计算.基于短路法的变压器温升试验结果表明:热等效参数方法大幅减少了变压器三维网格剖分数量,同时温度场计算结果能有效反映绕组轴向温度分布,热点温度仿真值与温升试验值温差相对误差不超过4％,验证了所提方法的有效性与准确性.     

暂态负荷下高压直流海底电缆热传递过程

高压直流（HVDC）交联聚乙烯（XLPE）绝缘海底电缆是实现长距离和大容量电能输送的重要设备。HVDC海底电缆负荷影响温度分布,而温度对HVDC XLPE绝缘电导率和电场强度分布特性有重要影响。相对于稳态负荷条件,暂态负荷条件下HVDC海底电缆热传递过程更加复杂。为研究暂态负荷下HVDC海底电缆热传递过程,建立热学有限元模型,仿真分析HVDC海底电缆由零负荷向满负荷再向零负荷转变过程的热传递过程,并组建试验平台开展对比研究。研究结果表明：仿真计算结果和试验测试结果吻合度高,仿真模型适用于描述暂态负荷下HVDC海底电缆热传递过程;通过构建导体温度暂态分量和稳态分量,可以实现良好的导体温度热传递过程趋势拟合,拟合方法有利于指导HVDC海底电缆温度趋势预测和现场运行维护工作。     

暂态负荷下高压直流海底电缆热传递过程

高压直流（HVDC）交联聚乙烯（XLPE）绝缘海底电缆是实现长距离和大容量电能输送的重要设备。HVDC海底电缆负荷影响温度分布,而温度对HVDC XLPE绝缘电导率和电场强度分布特性有重要影响。相对于稳态负荷条件,暂态负荷条件下HVDC海底电缆热传递过程更加复杂。为研究暂态负荷下HVDC海底电缆热传递过程,建立热学有限元模型,仿真分析HVDC海底电缆由零负荷向满负荷再向零负荷转变过程的热传递过程,并组建试验平台开展对比研究。研究结果表明：仿真计算结果和试验测试结果吻合度高,仿真模型适用于描述暂态负荷下HVDC海底电缆热传递过程;通过构建导体温度暂态分量和稳态分量,可以实现良好的导体温度热传递过程趋势拟合,拟合方法有利于指导HVDC海底电缆温度趋势预测和现场运行维护工作。     

汽轮发电机转子轴径向导线温度场分析与研究

某大型空冷汽轮发电机转子采用导线双侧进风的冷却方式。为了研究轴径向绕组导线数量、中空导线的通流面积差异、导线位置(径向与周向)对导线内流量、进出口温度、进出口温度差、平均温度的影响,建立了包括端部弧段和轴径向段转子槽内外流域及与之对应的气隙在内的半轴段1/2圆三维物理模型。依据计算流体动力学原理,采用有限体积法,对计算域内的三维热流场进行了数值模拟。结果表明:位于绕组L1、圆周R12的导线具有的最大流量为0.0189 m^3/s;温度最高导线位于绕组T5、圆周R 2处,达129.10℃,在电机正常工作范围内;通过方差分析发现径向、周向位置分布对导线平均温度不均性的影响差异较小,而导线通流面积对其的影响较大。     

深海推进用永磁无刷电机温度场分析

深海推进用永磁无刷电机在低温、高压的海水中运行,并且电机内部充油,其热源和散热条件与普通工业电机不同。准确计算推进电机的温升对其高功率密度与轻量化设计具有指导意义。以"思源号"全海深自治遥控潜水器(ARV)主推进电机为例,基于计算流体力学和传热学理论搭建了包含导管螺旋桨、推进电机及内外流域的三维稳态流场-温度场仿真模型,研究了电机充油及驱动螺旋桨旋转对其温升的影响,并分析了电机主要部件的温度分布。最后,通过温升试验验证了仿真分析的有效性和准确性。     

发夹式换热器大温差启动研究

简要介绍了发夹式换热器工作原理及结构优势,在高温高压工况条件下,冷热流体进行大温差换热,通过数值模拟研究冷态启动过程中:管内空置时,壳侧为注满低温热流体状态,高温热流体以小流量缓慢注入换热器内与低温热流体混合,研究壳侧流量对壳侧温升速率的影响;当壳侧温度达到需要高温时,管侧进入冷流体,模拟冷流体温升变化与流量的关系;强度方面通过对换热管及管板进行防冲击热应力分析,对管板以及整个换热器承受温差冲击时进行设备安全性评估;最终保证换热器在大温差情况下的启动安全性。