隧道电缆载流量计算及其影响因素分析

李巍巍，侯振奇，吴 科，张星海，甘德刚

(1. 国网四川省电力公司 电力科学研究院，四川 成都 610072；2. 四川大学 电气信息学院，四川 成都 610065)

隧道电缆载流量计算及其影响因素分析

李巍巍1，侯振奇2，吴 科2，张星海1，甘德刚1

(1. 国网四川省电力公司 电力科学研究院，四川 成都 610072；2. 四川大学 电气信息学院，四川 成都 610065)

研究了某地区电缆隧道内110 kV电缆实际运行情况下，不同排列方式对电缆载流量的影响。通过有限元仿真软件建立了隧道内电缆温度场的三维有限元仿真模型，计算了水平和三角形两种不同排列方式下电缆的温度场分布，对比分析了不同排列方式下的电缆载流量大小，并通过电缆温升实验验证了仿真结果的可靠性。结果表明：两种不同排列方式下电缆载流量大小存在明显差异，水平排列三相电缆载流量明显大于三角形排列，其中水平排列时B相电缆载流量提高5.0%，AC两相电缆载流量提高9.5%。基于以上发现，电缆隧道内高压电缆采用水平排列方式更利于改善电缆的温度场分布和提高电缆的传输功率。

电缆；排列方式；温度场；载流量

0 引言

随着我国城市电网改造速度的加快，高压电力电缆逐步取代架空线路成为城市输配电的主要途径[1]，电缆载流量是影响电力电缆安全运行的重要参数。实际上，电缆载流量的影响因素很多，很难准确获取电缆的实际载流量，载流量过大会导致电缆导体温度急剧上升从而破坏电缆绝缘缩短电缆使用寿命[2]。实际运行中为了保证电缆的安全，电力电缆加载的载流量远没有达到理论设计值，通常为载流量的20%～30%，电力电缆的利用率很低[3-4]。

针对电缆载流量，国内外专家进行了诸多研究[4-6]，Neher发展和完善了电缆温度场和载流量的计算理论，并用场的概念计算了电缆及其周围的温度分布情况[7]； M.A. Hanna采用有限差分法来求解电缆沟敷设方式下电缆的温度场分布及电缆载流量[8-9]；张磊等人利用实验研究了海底电缆载流量的影响因素，并提出提高海底电缆载流量的方法[10]。然而过去的研究主要集中在电缆载流量的计算方法[11-12]、敷设环境对电缆载流量的影响[13]以及敷设方式对电缆载流量的影响[14]等方面。针对电缆隧道中110 kV电力电缆不同排列方式对电缆载流量的影响，还需要进一步研究。因此，研究电缆隧道中电缆不同排列方式对电力电缆载流量的影响对提高电缆载流量及电缆线路的传输功率具有十分重要的意义。

本文通过有限元法建立电缆温度场的三维有限元仿真模型，仿真计算三角形和水平排列两种不同排列方式下电缆温度场分布及载流量大小，研究两种不同排列方式对电缆载流量的影响，并通过电缆温升实验验证了仿真结果的可靠性。

1 实验

1.1 样本制作

选取型号为YJLW02-64/110-1×60 mm2交联聚乙烯(XLPE)电力电缆，按照以下步骤制作电缆样本：(1)将电缆切割成长度为300 cm的试样，剥去电缆两端的绝缘层，使两端漏出8 cm的线芯；(2)电缆样本两端的线芯导体用ST线夹固定。

1.2 电缆温升实验平台搭建

为研究不同负荷下电缆线芯温度变化情况，搭建电缆线芯导体温升实验平台，实验原理如图1所示。

图1 电缆温升实验原理图

实验室搭建的温升实验平台如图2所示，电缆线芯导体温升实验平台主要由交流大电流发生器、电流互感器以及测温系统等组成。

图2 电缆温升实验平台

其中，HRBSQ-5型交流大电流发生器输入电压为380 V，输入端电流为132 A，最大输出电压为10 V，最大电流为5 000 A，电流调节最大误差5～15 A，PT100型温度传感器的参数如表1所示。

表1 温度传感器参数

1.3 电缆线芯导体温升实验

恢复电缆线芯导体ST线夹连接处的绝缘，通过交流大电流发生器给电缆加载不同大小的电流，利用温度传感器测量不同大小电流下电缆导体线芯的温度。两只温度传感器分别用于监测左侧线夹、右侧线夹处的温度数据。由于电缆温度的上升存在着一定的时间常数，其时间常数一般取决于电缆线芯的本体参数以及外部环境的热阻系数以及电缆的热容常数，在稳定电流下电缆线芯导体温度最终都降趋于稳定。实验过程中规定电缆线芯导体的温度在4 h内小于1 ℃时，认为电缆导体线芯的温度达到稳定，读取温度传感器的示数。

2 结果和分析

2.1 实验结果

电力电缆线芯导体温度变化直接反映电缆载流量的变化，测量不同负荷下电缆线芯导体的温度可以确定电缆载流量的大小。通过交流大电流发生器给电缆线芯导体加载不同大小的电流，可以测得不同负荷下电缆线芯导体的温度。实验结果如表2所示。

表2 不同负荷下电缆线芯温度

由表2可以发现，两只温度传感器测得的电缆线芯导体温度基本保持一致。随着电缆线芯加载电流的增大，电缆线芯导体温度逐渐增大。电缆导体线芯加载的电流从200 A增加至400 A时，导体线芯温度增加比较缓慢，当导体线芯温度从600 A增加至800 A时，导体线芯温度急剧增加。

2.2 电缆敷设模型的建立

某地区电缆隧道110 kV电缆的敷设情况如图3所示，电缆的排列方式为水平排列。根据电缆的敷设参数建立一个闭域场的几何模型，分析计算电缆温度场的分布以及载流量的大小。

图3 电缆隧道110 kV电缆敷设结构图

隧道电缆敷设模型如图4所示。该模型考虑了电缆的敷设方式、土壤导热系数、隧道中空气热阻等载流量影响因素，各参数均在模型中标注，可根据实际情况在模型中修改这些参数。电缆温度场仿真中的损耗计算按照IEC 60287标准，电缆载流量计算可以参照文献[3]，仿真计算出不同负荷下电缆线芯导体温度，然后利用弦截法计算电缆的载流量。

2.3 单根电缆温度场仿真结果

电缆载流量的影响因素很多，为了准确地分析三角形排列和水平排列两种不同排列方式对电缆载流量的影响，先利用COMSOL Multiphysics数值仿真软件建立了如图5所示的单相电缆温度场仿真模型，采用磁场求解器仿真计算单相电缆温度场分布，并与实验结果对比。仿真计算中电缆为YJLW02-64/110-1×630 mm2交联聚乙烯(XLPE)电力电缆，具体参数如表3所示。

图4 隧道电缆敷设模型图

图5 单相电缆温度场仿真模型

材料名称尺寸/mm线芯直径29.9绝缘层半径16.5阻水层半径5.0铝护套半径2.5外护套半径4.8

通过电缆温度场仿真可以得到不同负荷下电缆线芯导体温度。仿真结果如表4所示。

表4 电缆温度场仿真结果

由表4可以发现，可以发现电缆温度场仿真得出的线芯导体温度和实验测出的线芯导体温度大小基本保持一致，说明仿真结果是比较可靠的。

2.4 不同排列方式下电缆温度场和载流量仿真计算

不同排列方式的三相电缆温度场仿真模型如图6所示。仿真计算中电缆的下边界是深层土壤，深层土壤的温度基本保持不变，为第一类边界条件，因此将底部深层土壤的温度设为8 ℃；仿真模型左右垂直于土壤边界的热流密度设置为0，为第二类边界条件；地表与空气接触且空气温度可以测得，设置为第三类边界条件，隧道内部空气温度设为20 ℃，空气的对流换热系数设为5 W/m2·K。

图6 三相电缆温度场仿真模型

空气温度为20 ℃，通过电缆的负荷电流为1 000 A时，不同排列方式下电缆本体的温度分布如图7所示。

通过电缆温度场仿真计算，可以得到不同负荷下电缆线芯导体温度，采用弦截法可以计算不同排列方式下电缆载流量大小。弦截法计算如式1所示：

(1)

式中：f(xk)、f(xk-1)分别为根据加载电流xk、xk-1利用有限元计算得到的导体温度减去90 ℃(交联聚乙烯长期工作所能承受的温度)所得到的温度。

图7 三相电缆本体温度场分布

弦截法计算步骤如下：

(1)选择合适的电流xk-1，计算其对应的温度f(xk-1)，如果满足要求，那么xk-1即为所求载流量，否则转到步骤(2)。

(2)再选择合适的电流xk，计算其对应的温度f(xk)，如果满足要求，那么xk即为所求载流量，否则转到步骤(3)。

(3)根据式(1)计算电流xk+1，再计算f(xk+1)，如果满足要求，那么xk+1即为所求载流量，否则转到步骤(4)。

(4)xk-1=xk，f(xk-1)=f(xk)，xk=xk+1，f(xk)=f(xk+1)，转到步骤(3)。

不同排列方式下载流量计算结果如表5所示。由表5可以看出，水平排列时三相电缆载流量不一样，AC两相电缆的载流量比B相大4.3%，三角形排列时ABC三相电缆载流量一样大。水平排列时三相电缆载流量比三角形排列时大，其中AC两相电缆载流量比三角形排列时大9.5%，B相电缆载流量比三角形排列时大5.0%。

表5 电缆载流量大小

2.5 仿真结果分析

传热表面的形状、位置及大小等因素会影响物体间的对流传热。电缆三角形排列时，ABC三相电缆通常安装成三角形的形式并通过电力金具进行固定，电缆相与相之间的间距较小；而水平排列时电缆水平排列时电缆ABC三相之间的间距相对较大。因此电缆三角形排列时电缆相间的热场效应比水平排列时强，电缆及其周围物质的散热性能差，电缆敷设间距会影响电缆载流量的大小。

从仿真结果中可以看出，水平排列时电缆载流量相比三角形排列时明显增大。电缆水平排列时，B相电缆夹在AC两相电缆之间，相比AC两相电缆B相电缆散热性能较差，因此B相电缆的载流量小于AC两相电缆。三角形排列时，电缆ABC三相之间通过金具紧紧的固定在一起，ABC三相电缆的散热性能基本一致，因此ABC三相电缆的载流量也基本保持一致。通过仿真分析发现电缆的排列方式对电缆载流量有很大的影响。为了提高电缆的载流量及使用效率，在电缆隧道内尽量采用水平排列的方式铺设电缆。

3 结论

(1)水平排列时电缆ABC三相载流量不一样，AC两相载流量比B相大4.3%，三角形排列时电缆ABC三相载流量一样大。

(2)两种不同排列方式下电缆载流量不同，水平排列时电缆AC两相载流量比三角形排列时大9.5%，B相载流量比三角形排列时大5.0%。

(3)电缆隧道内高压电缆采用水平排列方式更利于改善电缆的温度场分布及提高电缆的传输功率。

[1]周远翔,赵健康,刘睿,等.高压/超高压电缆关键技术分析及展[J].2014,40(9):2593-2612.

[2]朱攀勇,文舒.直埋电缆载流量影响因素的试验分析[J]. 电力科学与工程,2017,33(1): 67-72.

[3]刘刚,雷成华.提高单芯电缆短时负荷载流量的试验分析[J].高电压技术,2011,37(5):1288-1293.

[4]杨永明,程鹏,陈俊,等.考虑空气流场影响的电缆散热特性研究及其影响因素与经济性分析[J].电力自动化设备,2013,33(1):50-54.

[5]张铭,攀友兵,刘松华,等.采用低热阻系数回填材料提升穿管敷设电缆载流量[J].高电压技术,2016，42(8): 2394-2398.

[6]陈锡阳,刘洋,马燕鹏,等.输电线温度及载流量 ANSYS 计算方法及修正因数[J].电力科学与工程, 2015,31(4):1-4.

[7]NEHER J H. MCGRATH M H.The calculation of the temperature rise and load capacity of cable systems[J].AIEE Trans, Part III, Oct.1957,752-772.

[8]HANNA M A, CHIKHANI A Y.Thermal analysis of power cablesin multi-layered Soil[J].IEEE Transactions on Power Delivety,1998,3(8):761-771.

[9]HANNA M A, CHIKHANI A Y.Thermal analysis of power cables in multi-layered soil, part2: practical considerations[J].IEEE Transactions on Power Delivety,1993,3(8):772-777.

[10]张磊，俞恩科，陈国志，等.提升海底电缆载流量的 2 种方法及其试验研究[J].高电压技术,2015,41(8): 2716-2722.

[11]曹惠玲，王增强，李雯靖,等.坐标组合法对直埋电缆与土壤界面温度场的数值计算[J].电工技术学报，2003, 18(3): 59-63.

[12]梁永春,李延沐,李彦明,等.电缆不同敷设方式下温度场与载流量的仿真计算[J].电测与仪表,2016,53(3): 99-104.

[13]王有元,陈仁刚,陈伟根,等.电缆沟敷设方式下电缆载流量计算及其影响因素分析[J].电力自动化设备,2010,30(11):24-28.

[14]梁永春,王忠杰,刘建业,等.排管敷设电缆群温度场和载流量数值计算[J].高电压技术,2010,36(3):763-768.

Ampacity Calculation for Cable in Cable Tunnel and Its Influencing Factors

LI Weiwei1, HOU Zhenqi2， WU Ke2, ZHANG Xinghai1, GAN Degang1

(1. State Grid Sichuan Electric Power Research Institute, Chengdu 610072, China；2. School of Electrical Engineering and Information, Sichuan University, Chengdu 610065, China)

In the case of the actual operation of a 110 kV tunnel cable in a certain area, the influence of the different arrangement modes on the ampacity of power cables was investigated. A simulation model is set up to calculate the temperature field distribution for the tunnel cable by the finite element simulation software, and the ampacity of the power cables with two kinds of arrangement modes is analyzed as well, and the reliability of the simulation model is also proved through the cable temperature rise experiment. The result shows that there are obvious differences between the ampacity of power cables under two different arrangement modes. The ampacity of B phase cables is 5.0% higher while the ampacity of AC phases cables is 9.5% higher than that of triangular arrangement. Based on the above findings, compared with the triangular arrangement, the horizontal arrangement of the high-voltage cable is of greater advantage to better the temperature field distribution and improve the transmission power of the cable.

cable; arrangement; temperature field; ampacity

赵子东(1990-)，男，硕士研究生，主要研究新能源发电技术。

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.05.011

2016-12-12。

TM73

A

1672-0792(2017)05-0055-05