低频输电高压电力电缆多物理耦合场数值分析及载流量计算

近年来,随着可关断电力电子器件的逐渐成熟和广泛应用,柔性低频交流输电技术受到广泛关注。由于频率越低,交流电磁场的集肤和邻近效应越弱,因此低频运行工况下电力电缆的载流量与工频50 Hz运行工况下电力电缆的载流量将不尽相同。为此,基于多物理耦合场及有限元法,提出了三芯海底电缆埋设方式下磁热流耦合场计算模型和计算方法,分析了不同截面电缆在低频输电工况下载流量数值变化规律及损耗特性。计算结果表明,降低输电频率可有效提升电缆载流量;电缆截面积越大,载流量提升效果越显著;当截面积为500 mm²、1000 mm²和2000 mm²时,相比于工频输电方式,电缆载流量分别提升11.33%、23.26%和34.40%;降低频率可减少电缆总损耗,由环流引起的护套及铠装层损耗平均分别降低了14.85%、6.34%。计算结果为低频输电方式下电缆选型及输电容量提升提供数据决策依据。     

海底电缆的低频特性分析及仿真研究

分频输电系统在提升输电容量、改善输电通道末端电压质量等方面具有优越性,在大规模深远海风电送出等场合有着广泛的应用前景。为研究分频海上风电系统中海底电缆的低频特性,利用Comsol Multiphysics有限元分析软件建立了海底电缆的磁电热仿真模型,分析了低频环境对其电流分布、运行损耗、运行温度及金属护套接地方式的影响。仿真结果表明:频率降低可改善导体的电流分布,降低海缆各部分损耗,从而降低海缆的运行温度,提高载流量;同时,分频输电可有效改善2种接地方式下屏蔽层的感应电势和环流损耗,能够有效扩大2种接地方式的适用范围。因此,在长距离输送的场景下,采用分频输电方式有助于提高电缆载流量,减少容性充电功率,实现功率传输大幅增长,提升分频海上风电系统的经济性。     

以单相电流测试三芯钢带铠装电缆载流量的可行性分析

配电电缆一般为三芯钢带铠装结构,加载于三相导体的交流电流在磁性材料的钢带铠装层将产生工频磁场,由此产生铠装损耗;若三相导体加载三相对称电流,铠装层的合成磁场较小(甚至为零),其铠装损耗较小;若三相导体加载单相电流,铠装层磁场较大,其损耗较大。在开展三芯电缆载流量试验时,由于电源容量限制,拟加载单相电流,可能会对载流量的试验结果产生影响。为研究三芯钢带铠装电缆通以三相和单相电流的铠装损耗,及其对载流量试验结果的影响,本文研究了三芯电缆钢带铠装损耗的计算方法;在试验场开展了加载单相电流的直埋单根三芯电缆载流量试验,定量计算了加载单相电流时的三芯电缆的铠装损耗;分析了加载单相电流时铠装损耗对载流量试验影响的程度。研究表明,三芯铠装电缆加载单相电流时的铠装损耗不可忽略,但对载流量的影响不大,且偏保守。     

铝合金电缆与铜电缆不同排布方式下稳态载流量对比分析

通过稳态热路模型法和有限元法,以常见的单芯和三芯电缆为例,在水平排布和三角形排布的情况下,分别计算铜电缆和铝合金电缆的稳态载流量以及在105℃和130℃时稳态短时过载的载流量,计算等载流量下2种电缆的导体截面积比值。结果表明:2种计算方法的结果比较接近,最大误差不超过7%;相同截面积的铝合金电缆与铜电缆的稳态载流量比值在0.8左右,相同载流量时铝合金电缆与铜电缆导体截面积的比值在1.55左右,导体质量比值在0.47左右,与排布方式、电缆芯数和设定的稳态运行温度无关;同等载流量下铝合金电缆仍然比铜电缆质量更轻、成本更低,铝合金电缆的主要优势体现在提高了安装效率、降低了制造和安装成本等。     

基于电磁-热耦合原理的三芯铠装电缆在低频输电方式下的损耗特性研究

精确分析电缆损耗特性是提高海底电缆经济性、实现深远海风电高效输送的关键问题之一.为此,该文建立三芯铠装电缆的电磁-热耦合仿真模型,研究了缆芯电流在低频输电方式下的不均匀分布特性,并以此为基础,分析IEC标准计算护套感应电压、损耗因子及载流量的误差.研究结果表明,缆芯电流密度平均值点偏离缆芯中心,偏离距离随输电频率的增大而增大,并导致IEC标准计算的护套感应电压和损耗做同向变化,当缆芯半径大于24mm时,护套损耗因子误差明显加剧;当缆芯截面积取2000mm2时,分频及工频下的载流量误差分别达10％和15％左右.计算结果为合理地确定海底电缆载流量奠定了基础.     

大截面高压电缆导体交流电阻的优化

由于集肤效应的影响,大截面高压电缆导体的交流电阻远大于直流电阻,不仅会导致电缆线路的载流能力降低,还会产生更大的线路损耗。为解决该问题,通过分析电缆导体集肤效应的产生原理和影响因素,探索降低导体交流电阻的措施,试制了不同设计结构的导体样品,并采用电压电流相位差法对样品进行交流电阻测量研究。结果表明:截面积为800 mm2的电缆分割导体的交流电阻比紧压圆形结构降低了约7.5%;截面积≤1 600 mm2的瓦楞形分割导体与扇形分割导体的交流电阻相差不大;采用单线绝缘可以有效降低交流电阻,其中漆包单线比氧化单线对交流电阻的降低效果更明显,但前者的生产成本和安装成本更高;对于紧压圆形和分割导体,同向绞合均比异向绞合结构更能有效降低交流电阻,适当提高紧压系数和增加单线根数也均能降低交流电阻。     

大截面高压电缆导体交流电阻的优化EI北大核心CSCD

由于集肤效应的影响,大截面高压电缆导体的交流电阻远大于直流电阻,不仅会导致电缆线路的载流能力降低,还会产生更大的线路损耗。为解决该问题,通过分析电缆导体集肤效应的产生原理和影响因素,探索降低导体交流电阻的措施,试制了不同设计结构的导体样品,并采用电压电流相位差法对样品进行交流电阻测量研究。结果表明:截面积为800 mm2的电缆分割导体的交流电阻比紧压圆形结构降低了约7.5%;截面积≤1 600 mm2的瓦楞形分割导体与扇形分割导体的交流电阻相差不大;采用单线绝缘可以有效降低交流电阻,其中漆包单线比氧化单线对交流电阻的降低效果更明显,但前者的生产成本和安装成本更高;对于紧压圆形和分割导体,同向绞合均比异向绞合结构更能有效降低交流电阻,适当提高紧压系数和增加单线根数也均能降低交流电阻。     

交流500kV海底电缆登陆段载流能力提升

为比较500 kV海底电缆登陆段载流能力不同提升方案的效果,建立了海底电缆登陆段连同电缆沟在内的3维电–热耦合物理和数学模型,分析了电缆沟内电缆周围介质的流速(流体介质)、导热系数、冷却介质的温度和海缆的布置方式等因素对载流能力提升的影响,比较了冷水管循环冷却、回填特殊土壤和充满海水3种方法对海缆登陆段载流量的提升效果。结果表明:电缆沟内的流体介质沿电缆径向强迫流动,能充分发挥电缆沟内冷却系统的吸热作用;海底电缆周围介质的导热系数越大,海缆导体中产生的焦耳热可越快地消散,从而有效降低电缆导体温升,有利于提升海缆载流量。研究结果对海底电缆的选型和工程设计具有指导意义。     

提高海底电力电缆载流量的方法探讨

由于海底电力电缆的应用日益广泛,对其载流量的相关问题的研究也越来越重要.从海底电缆的生产和施工角度,提出了影响载流量的原因,包括导体截面大小、运行环境的热阻影响、接地系统环流的影响等环节,并加以分析和归纳,从而提出了提高海底电缆载流量的方法,并对它们的特点进行了论述和比较.     

铠装回路串联电阻对110 kV海底电缆热效应影响的试验研究

以110 kV单芯海底电力电缆为研究对象,建立了电缆暂态热路模型。结合铅包和铠装损耗的影响,得出导体稳态温度的计算公式。从降低海缆热量产生的角度出发,结合生产实际,设想在铅包铠装回路串入一定阻值的电阻器。根据电缆设计规范及被试海缆的实际情况选择合适的电阻器。基于海缆热循环试验系统,在不同工况下对被试海缆进行通流试验。通过对实验数据的分析与比较,证明了该方法能够有效降低海缆的损耗与导体的稳态温升,提高了海缆的载流量。     

交流单芯海底电缆载流量提升方法研究

随着交流单芯海底电缆的大规模应用,海底电缆载流量提升会带来巨大的社会和经济效益。从运行频率和导电媒质电磁参数方面,定性分析了交流海底电缆载流量的影响因素,并提出了降低运行频率和铠装磁导率、提高屏蔽层电导率的载流量提升方法。通过对典型海底电缆的载流量的数值分析和计算,验证了所提载流量提升方法的有效性。     

110kV海底电缆不同敷设方式下载流量的对比分析

敷设方式是影响运行电缆允许载流量的主要因素,研究不同敷设方式下海底电缆的允许载流量,对海缆工程的设计及运行、海缆高效率输电有着重要的参考和指导意义。基于对一般海缆工程敷设环境的分析,总结了海底电缆五种不同的敷设方式,以珠海桂山海上风电场110 kV送出海缆工程的敷设环境和HYJQF41-F 110 kV 1×500 mm2的单芯海缆为例,利用IEC 60287标准计算不同敷设方式下的允许载流量,分析对比不同敷设方式对海底电缆载流量的影响,得出海底电缆允许载流量的瓶颈点为带金属保护管埋地的登陆段,对指导海底电缆的安全高效运行有参考意义。     

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。     

明敷电缆载流量的确定

1影响明敷电缆载流量的因素 （I）电缆的材质。如铜或者铝导体的电阻率和损耗大小、绝缘材料的允许长期工作温度等。因此,采用合格的导体材料制作电缆是电缆载流量得到保证的前提。     

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。     

电缆导体温度及过负荷能力的研究

导体温度是反应电力电缆运行状态的重要参数,对于含有内置光纤的电力电缆,通过建立光纤到电缆导体的热路模型,推导出导体温度变化表达式,利用光纤所测得温度和实时负荷计算电缆导体的温度,并搭载了实验平台,实际测试电缆导体温度与电缆导体温度计算结果相比较。研究发现:本文提出的计算电缆导体温度的方法满足工程需要,误差来源于光纤测量系统、电缆自身热物性参数和土壤热阻系数,其中土壤热阻系数越大误差越大;实际运行中的电缆线路具有很大的裕度,对于2 200 mm~2和1 400 mm~2电力电缆而言,以60%额定载流量能持续运行8 h为基准,2 200 mm~2的电缆可以施加1.45倍的过负荷,1 400 mm~2电力电缆可以施加1.28倍的过负荷。     

220kV电力电缆提高载流量的方法

电力电缆长期载流量是指电缆在最高允许工作温度下,电缆导体允许通过的最大电流.当电缆通过长期负载电流达到稳态后,电缆各结构部分中产生的损耗热量(包括导体、介质、护层和铠装层的损耗等),继续向周围媒质散发.通过对载流量的计算,从电缆结构、优化敷设环节等方面,提出提高220 kV电力电缆载流量的一些方法.     

海底电缆暂态载流量计算与优化选型

由于传统载流量分析方法在日益严苛的海底电缆选型上面临着巨大的挑战。以HLYJQF41-F 127/220 k V 3×1 600 mm~2交联聚乙烯海底电缆建立分析模型,并利用CYMCAP软件进行稳态和暂态的载流量仿真计算。在指定环境温度、海床热阻系数和电缆埋深条件下,根据实际运行特点突破了传统的分析思路,为实际工程海底电缆载流量的优化提出了依据。与此同时,通过稳态和暂态的结果并结合敏感性分析对电缆的优化选型提供了参考。     

220 kV交联海缆的低频载流能力及温度场分布仿真研究

柔性低频输电系统在提升输电容量、减小线路充电无功、改善输电通道末端电压质量等方面具有优越性，可以有效满足中、远距离海上风电高效汇集送出等迫切需求。为研究海底电缆在低频条件下的运行特性，本文搭建了考虑外界敷设环境影响下的220 kV交联聚乙烯电-磁-热-流多物理场耦合有限元仿真模型，分析了不同敷设段中50 Hz和20 Hz频率下运行的海底电缆稳态载流量和温度场分布情况，并基于IEC 60287:1995建立的海底电缆稳态热路模型和低频海缆发热仿真的典型案例，对有限元仿真进行验证。结果表明：在陆地段、入海段和海底段等不同敷设环境下，仿真模型的载流量和温度场分布计算结果与IEC解析公式的相对误差都在3%以内，表明本文提出的220 kV交联电缆温度场仿真模型具有较好的准确性和有效性；频率降低可以减小线芯交流电阻值、改善电缆导体中的电流分布、减小电缆各部分的运行损耗，从而降低电缆的整体运行温度，有利提升电缆的传输容量。     

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。