高压直流XLPE绝缘电缆载流量的数值算法及特性分析

载流量是电缆传输能力的重要指标，直接影响高压直流电缆的运行可靠性和经济性。根据直流电缆绝缘层中电场分布的特点，提出了基于等效电导率的绝缘层内外侧电场分布的解析计算方法，并以±535 kV交联聚乙烯绝缘直流电缆为例，同时考虑电缆导体最高运行温度和绝缘层最大允许温差，得到不同运行工况下高压直流电缆的负载控制域。结果表明：电-热场解耦方法能有效分析直流电缆的载流量和应用特性，其中绝缘层最大温差是限制临界环境温度以下直流电缆载流量的核心因素，在此临界环境温度下，提升导体最高运行温度对载流量影响有限，而优化绝缘材料耐电性能和电缆结构才是提升载流量的关键。     

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%。     

工作温度和绝缘温差约束下的高压直流电缆接头载流量计算

中间接头是高压电缆线路运行中故障多发的薄弱环节,电缆系统的载流量会因中间接头的结构特点而受到限制。直流下电缆载流量的约束条件与交流不同,不能直接依据交流电缆中间接头载流量的计算方法。为此,文中以直流电缆中间接头的温度场计算等理论研究为基础,提出以接头导体最高允许工作温度和绝缘层内外表面最大允许温差为两个约束条件,确定高压直流电缆中间接头载流量的方法。通过案例分析,将文中方法与IEC 60287标准计算的载流量进行了对比,并就环境温度对载流量的影响进行了分析。结果表明,中间接头的确是电缆系统载流量计算限制条件之一。两个约束条件下的载流量与环境温度的关系曲线将相交于一点,当环境温度小于该点对应温度值时,接头载流量的决定性约束条件为绝缘层内外表面最大允许温差;当环境温度大于该点对应温度值时,接头载流量的决定性约束条件为接头导体最大允许温度。研究结果可为直流电缆系统运行与载流量设计提供参考。     

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.     

320kV交联聚乙烯绝缘直流电缆电气特性研究

在进行直流电缆的绝缘结构设计和优化时,其电场分布特性是重要的参考依据.通过COMSOL仿真软件建立了320 kV直流电缆的简化模型,并研究其稳态和暂态电气特性规律,然后通过试验对仿真模型的可靠性进行验证.结果表明:以导体最高温度和绝缘层内外表面最大温差为约束条件,当环境温度低于12℃时,直流电缆载流量的决定性因素为绝缘层的内外温差(20℃),当环境温度高于12℃时,直流电缆载流量的决定性因素为导体最高工作温度(70℃);在仿真操作冲击试验、雷电冲击试验及绝缘温差30℃下负荷循环试验过程中,分别得出暂态和稳态最大击穿场强为58 kV/mm、25 kV/mm,对比直流绝缘材料性能参数可知直流电缆结构满足设计要求.试验表明COMSOL多物理场仿真模拟对于直流电缆的结构设计具有重要的指导意义.     

基于有限元法的交流XLPE电缆改为直流运行的温度场仿真分析

对交流交联聚乙烯(XLPE)电缆配电线路进行直流改造后,确定合理的载流量对电缆的安全稳定运行及配网供电能力的提高具有重要意义。针对10kV和35kV交流配网中的典型三芯XLPE电缆,通过有限元分析软件ANSYS建立电缆温度场仿真模型,对电缆在双极式直流运行方式下的温度场分布进行仿真分析。仿真结果显示,当电缆的长期运行温度为70℃时,所选典型10kV和35kV交流XLPE电缆改为双极式直流运行后的载流量分别取440A和300A为宜,可为相关工程提供一定参考。     

极端高温下10kV电缆中间接头载流量分析

随着世界各地夏季环境温度不断升高,电缆中间接头的工作环境正在恶化。为此,文中基于有限元法建立10 kV三芯电缆及其中间接头仿真模型,分析不同环境温度和不同电流下中间接头的温度分布。首先,开展温升试验,得到电缆中间接头表面的稳态温度,验证仿真模型的准确性;然后,拟合不同环境温度下中间接头高压载流导体表面温度与电流的函数关系,以此可以计算不同极端环境温度下中间接头的极限安全载流量。结果表明,环境温度升高对中间接头高压载流导体表面的温度分布趋势几乎没有影响,在外护套外表面处也满足此规律。中间接头高压载流导体表面温度与电流近似成二次函数关系。当电流幅值为480 A、环境温度为75 ℃时,高压载流导体表面与外护套外表面最高温度分别是环境温度为30 ℃时的1.57倍与1.69倍。当环境温度超过55 ℃时,按照国标规定的持续允许载流量会使中间接头高压铜导体表面温度超过最高允许运行温度90 ℃。考虑到自2020年起夏季环境温度持续增加,现行国标中10 kV铜导体三芯交联聚乙烯绝缘电缆中间接头的持续允许载流量须被修正。     

±500kV直流海缆在J型管敷设环境下的稳态载流量仿真研究EI北大核心CSCD

高压直流海底电缆稳态载流量的计算对海底电缆工程的设计和运行非常关键。该文利用COMSOLMultiphysics仿真软件,建立±500kV直流海底电缆在J型管敷设环境下的三维电-热-流耦合模型。针对J型管位于海面之下和海面之上2种情况,分别计算海缆的稳态载流量、温度分布以及电场分布。结果表明,J型管海缆运行在海面之下时载流量比运行在海面之上高约2倍。此外,发现海缆绝缘中的电场分布取决于绝缘内外层的温度差,当绝缘层内、外表面温差等于6.0℃时,整个绝缘层电场均匀分布,大小为16.7kV/mm;当绝缘层内、外表面温差大于6.0℃时,海缆绝缘电场分布沿电缆径向由内向外逐渐增大;当温差小于6.0℃,绝缘电场分布沿电缆径向由内向外逐渐增小。另外,减小J型管壁厚和增大J型管外径可以在一定程度上提升海缆的稳态载流量,对运行在海面之上的J型管内电缆施加通风冷却可将其稳态载流量提升约73%。     

高压直流海底电缆电–热–流多物理场耦合仿真

高压直流电缆运行时径向温度和电场分布是反映其运行状态的重要参数,考虑流场的海底电缆电热耦合规律研究具有重要意义。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,建立了海缆本体及其敷设环境的3维电–热–流耦合模型,以控制变量法研究了铺设和埋设2种敷设方式下海缆载流量、海水温度和海水流速对海缆径向温度和电场分布的影响。结果表明:载流量是海缆径向温度和电场分布的主要影响因素;在该模型下海缆导体温度和绝缘层温差与海水温度存在线性关系;很小的海水流速能显著降低海缆温度,因此提出静止海水散热的流速修正系数;海水流动有利于海缆散热,导致海缆温度分布发生变化,同时影响海缆绝缘材料电导率而导致电场分布发生改变。     

电缆典型敷设方式下温度场分布及载流量计算

本文以220kV 2 500mm2截面电力电缆为例,采用有限元方法计算了含4回电缆的电缆群在3种典型敷设方式下加载不同负荷电流时的温度场分布情况,并采用双点弦截法计算了电缆群在不同环境温度时的载流量。通过计算分析得出:隧道敷设时电缆导体最高温度最低,且电缆载流量随环境温度升高而降低,当环境温度为10℃时,电缆的运行载流量超过环境温度为40℃时的20%以上。     

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。     

10 kV交流三芯电缆中间接头直流化改造热-电耦合仿真研究

将交流电缆改为直流运行后,对电缆接头进行温度场和电场仿真并研究其温度和场强分布规律对改造后的电缆供电能力的评估非常重要,目前关于交流电缆直流化改造的研究主要是针对电缆本体,对电缆接头的研究还较少。本文建立了城市配电网中常见的10 kV交流三芯电缆接头的三维仿真模型,首先采用ANSYS中的热-电耦合模块对接触系数k=4时的接头模型进行温度场仿真;之后研究了接触电阻和空气对流换热系数对接头温度分布的影响;最后进行了电缆接头直流运行时的电场仿真,并根据温度场和电场仿真结果选取了直流载流量和合适的直流运行电压,与接头交流运行时进行了传输最大功率的比较。研究结果表明,交流电缆接头直流化改造后功率传输能力有了一定的提升。     

隧道敷设条件下超高压电力电缆热-流场耦合分析

电缆载流量是电力电缆运行中的重要参数。为给敷设于隧道中的超高压电缆运行提供参考,本文根据实际电缆隧道结构和内部电缆排布方式,运用COMSOL Multiphysics仿真软件,建立电缆隧道三维几何模型,进行温度场和流体场的耦合仿真计算。采用有限元分析法,对不同运行方式和环境条件下的温度场和流体场分布规律进行分析,计算隧道敷设超高压电力电缆载流量。研究表明：最高温度出现在电缆导体处,温度沿着电缆径向逐渐降低,出口截面处的温度和风速相对入口截面处有所增大;随着电流负载的增加,电缆发热对周围环境温度的影响也随之增加;双回路和四回路敷设时电缆的稳态载流量高于八回路敷设时的电缆稳态载流量;电缆表面温度随着通风速率的增加而逐渐减小。     

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。     

基于温度场的单芯电缆载流量研究

导体温度是电力电缆载流量幅值变化的最直接特征量,电缆表面温度和线芯温度是反应电缆运行情况的重要参量。在简化内热源的基础上,建立单芯交联聚乙烯电力电缆的传热模型;通过研究稳态时电缆温度场分布,分析温度参量之间的关系和影响载流量的因素;基于这个传热模型,优化影响因素,对提高电缆安全运行的可靠性和载流量最优化配置有重要的指导意义。     

基于灵敏度法的三芯电缆线芯温度影响因素分析

为了动态提高三芯电缆的实时载流量以及保证电缆安全稳定运行,对影响三芯电缆线芯温度的两个主要因素进行了分析,通过利用生物学中局部灵敏度的概念,分析了环境热阻与环境温度对三芯电缆线芯温度的影响。同时,搭建了10 k V三芯电缆载流量试验场,并模拟了空气敷设和土壤敷设下的三芯电缆温升试验。理论分析与实验结果可得:空气敷设时,随着加载电流的增大,环境热阻对电缆线芯温度的灵敏度增加,且都处于灵敏等级;土壤敷设时,环境热阻对电缆线芯温度的灵敏度处于不灵敏等级;同一加载电流下,外界环境热阻的变化对于电缆线芯温度的影响很大。两种不同敷设情况下,当三芯电缆线芯温度相等时,相比空气敷设情况,加载电流为200 A,土壤敷设时,电缆载流量可以提高3.6%;加载电流为300 A,土壤敷设时,电缆载流量可以提高8.1%;加载电流为400 A,土壤敷设时,电缆载流量可以提高9.2%;加载电流为500 A,土壤敷设时,电缆载流量可以提高22.3%。当三芯电缆运行状态未达到稳定时,电缆线芯温度主要由加载电流的大小决定;当三芯电缆运行状态达到稳定时,电缆线芯温度的变化趋势与环境温度变化趋势基本相同,线芯温度由敷设环境温度决定。     

临界反转温差约束下66 kV交流XLPE电缆改为直流运行的电压等级和载流量分析

准确有效地评估交流电缆改为直流运行时的增容效果对电缆交改直后的安全运行至关重要。现有研究主要基于缆芯温度70℃为阈值确定交改直的电压等级和载流量,并未考虑绝缘层的稳态电场强度。因此,文中综合考虑临界反转时稳态电场强度较小和温升限值约束,提出了以绝缘层中的电场强度5 MV/m为限值的交改直电压等级和载流量判定方法;并且以66 kV交流XLPE电缆为例进行仿真计算,分析了直埋土壤敷设下交流电缆改为单极直流和双极直流运行时的增容效果。研究结果表明:当电缆在直埋土壤敷设下以66 kV单极直流运行和双极直流运行时,最大输送功率分别为改造前的1.53倍和1.12倍。所采用的分析方法可为电缆线路交改直工程提供一定的参考。     

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。     

交联聚乙烯绝缘高压直流电缆电场分布计算

为设计交联聚乙烯(XLPE)绝缘高压直流电缆的结构,在实验基础上总结出进口高压直流电缆XLPE绝缘材料的电导特性方程,利用COMSOL Multiphysics软件通过电场和热场耦合仿真计算了电缆在不同负荷下的电场分布。研究表明,在电场强度较低和较高时,进口高压直流电缆XLPE绝缘材料的电导率随温度变化明显,电场强度变化几乎不对其产生影响;在某一电场强度范围内,温度和电场强度的改变均会使XLPE的电导率发生明显变化,该场强范围随温度而变化;所设计高压直流电缆在两种敷设环境下100%负荷时电场分布均匀;在电缆传输电流较大时,电缆XLPE绝缘内的温度梯度增大,电缆绝缘外表面处电场强度最大。基于有限元法的多物理场耦合仿真计算是研究XLPE绝缘高压直流电缆电场分布的有效手段。