110 kV电缆排管敷设下载流量变化规律研究

梁惠娟 薛云鹏 竺鹏飞

（内蒙古工业大学 电力学院，呼和浩特 010051）

交联聚乙烯电力电缆被广泛应用于各级电力系统[1]。由于交联聚乙烯最大耐受温度为90 ℃，XLPE电缆的载流量受到了限制。载流量过大会使交联聚乙烯材料发生形变，影响绝缘性能，严重时可能引起火灾。研究表明，有限元方法[2-5]能够被广泛应用于电缆的温度场计算，从而确定载流量大小。但是，绝大部分情况研究的是直面情况下的电缆载流量，而排管敷设情况下的电缆载流量鲜少有研究。随着季节的改变，电缆的运行环境也会发生改变，再加上地下恒温层的温度和深度不同，这会对载流量造成很大影响。针对此问题，本文研究了地表温度、恒温层深度和温度等因素对电缆载流量的影响规律。

1 模型的建立

1.1 参数确定

本文选取110 kV电缆，电缆型号采用比较常见的64/110 kV-YJQ03-800 mm2，依据研究问题简化实际电缆，只考虑电缆芯线、绝缘和电缆外皮。其中，电缆导体直径约为35 mm，绝缘厚度和半导体总厚度约为19.5 mm，金属外壳厚度为2 mm。

本文采用COMSOL Multiphysics软件进行仿真，并采用固体传热模块进行计算，忽略排管中的气体流动，地表散热采用第三类边界条件，模拟地表温度散热过程。本文考虑的热源包括有导体损耗、介质损耗和电缆的护套金属壳的损耗，忽略涡流和环流损耗。主要考虑介质的比热容、导热系数和密度对温度场的影响。电缆采用水泥排管敷设，其中水泥排管高0.5 m，长1.4 m；三孔均匀结构，孔径20 cm，A、B、C三相电缆均匀分布在3个电缆孔中。水泥排管埋于地下1.25 m的位置，计算的区域为以水泥排管为中心左右各4 m，土壤深度为4 m的区域。

1.2 边界条件的确定

对于模型的上边界，即对于地面采用第三类边界条件（热通量边界条件），设定相应的传热系数和外界温度，分别为气象的最高温度40 ℃和最低温度-30 ℃。对于深层土壤的温度采用第一类边界条件，本文设定下边界深层土壤温度为25 ℃。模型的左右边界为第二类边界条件，即设定成热绝缘的边界条件。电缆有限元模型和计算结果如图1所示。

图1 电缆有限元模型和计算结果示例

2 计算结果及分析

为了模拟不同环境温度下的情况，本文设定从-20 ℃到40 ℃模拟不同季节的温度，每隔10 ℃计算一个点。由于季节不同地下恒温层的温度和深度会有变化，本文将地下恒温层的深度由4 m改成8 m，重新计算分析载流量，结果如图2所示，并将模型的恒温层温度从25 ℃依次变为20 ℃、15 ℃研究恒温层温度对载流量的影响，结果如图3所示。计算不同载流量下电缆模型的稳态温度场，确定相应条件下的载流量。

图2 恒温层深度对载流量的影响

图3 恒温层为8 m温度对载流量的影响

从图2中可以看出：恒温层的深度对电缆载流量的影响较小；在环境温度较低时，恒温层深度加大载流量略有增加；在地表温度较高时，载流量随恒温层深度增加而略有增加。可以看出，随着恒温层的温度下降载流量略有升高。图2和图3都能看出，随地表温度的升高电缆载流量呈线性下降规律。地表温度每上升10 ℃，根据具体情况不同，载流量下降50～60 A。由此可见，地表温度对载流量的影响比恒温层深度和恒温层的温度影响大。

根据上述分析结果，通过仿真进一步分析。这里设定用转热系数来模拟不同类型的土壤，不同传热系数下温度分布仿真结果分别如图4和图5所示。通过图4和图5可以看出，传热系数对电缆的温度分布影响较小。当载流量不变、地表温度相同、传热系数为20时，电缆模型的最高温度为86.2 ℃。当传热系数设定为40时，电缆模型的最高温度为86.1 ℃。在传热系数翻倍的情况的下，电缆的最高温度只降低了0.1 ℃，因此可以得出结论，传热系数对电缆温度分布的影响较小，可忽略不计。对应到实际工程中，在敷设电缆时，土壤的种类对电缆的散热情况影响较小。

图5 传热系数为40时温度分布

3 提高载流量的工程措施

排管敷设电缆在运行稳定时，其温度分布如图6所示。通过图6可以直观地看到，稳态运行时，缆芯的温度最高为84.3 ℃，以缆芯为中心向外的温度逐渐降低。在实际工程应用中，降低缆芯的温度显得尤为关键，在现有的电缆类型中，充油电缆是较为合适的选择。因为绝缘油的导热系数相较于土壤和建筑物的导热系数更高，所以对电缆的降温效果更好。但是这种电缆面临的现实问题是，其造价相对较高，在实际施工过程中，应当就现实问题选择合适的电缆类型。

图6 电缆温度等值线

现有的电缆制作材料中，缆芯大多是铜和铝，但绝缘层的种类较为宽泛，并且其环流损耗根据金属的材质也有所不同。通常情况下，铅、铝护套产生的环流损耗较小。对于缆芯，较为有发展前景的是超导材料。在一定的条件下，超导材料的电阻值可以降为零，在电缆运行时不会产热，从而可以大幅度提高电缆的载流量。

电缆间距也是影响电缆温度的关键因素，电缆间距较小时不利于电缆的散热。在上述仿真中，所构建的电缆模型间距为300 mm。通过图4和图5的仿真结果可以看出，3根电缆的截面图中，中间电缆的缆芯颜色最深，两侧的电缆的缆芯颜色较浅。在工程中，应当在工程技术允许的情况下，适当增加电缆间距，一方面可以减少电缆之间磁场的相互影响，从而减小电缆间的电抗；另一方面通过增加电缆间距来增加散热系数，能够降低电缆运行时的温度，提高载流量。

通过上述仿真分析发现，影响排管敷设电缆载流量的主要原因是地表的环境温度。因为城市建设地下管网众多，且纵横交错，所以影响地下电缆载流量的因素也随之增多，因此环境对电缆载流量的影响是不能忽略的。例如：对于中国西北地区来说，四季的温度变化幅度较大，因此对于供电公司来说，在夏季和冬季时需要制定较为合适的供电方案，防止用户用电过多时造成电缆电流突增的情况，从而造成大面积停电，带来严重的经济损失。

4 结语

基于有限元仿真软件建立了电缆载流量与温度场的有限元模型，分析了载流量与温度场分布情况，以及电缆载流量与温度场的关系。地表温度是影响排管敷设电缆载流量的主要因素，而恒温层的深度和恒温测的温度对电缆载流量的影响较小。在实际工程中，应当根据实际问题选择合适的施工方案。