电缆上杆对直埋敷设配电电缆载流能力影响研究

2022-11-12牛荣泽谢芮芮尹轶珂张周胜

科学技术创新 2022年33期

牛荣泽，谢芮芮，尹轶珂，张周胜，刘超

（1.国网河南省电力公司电力科学研究院，河南郑州 450052；2.国网河南省电力公司洛阳供电公司，河南洛阳471009；3.上海电力大学，上海 200090）

引言

目前，配电线路电缆覆盖率水平逐年增加，河南近5 年年均增长率达到20%。配电网存在大量的架空线电缆混合线路。架空线和电缆的连接处需要电缆上杆。直埋敷设是最为常见的配电电缆敷设类型，如果不考虑电缆上杆对整体电缆载流能力的影响配置电缆载流量，容易导致电缆出现卡脖子环节，负荷大时局部过载造成电缆损伤[1-3]。本课题就电缆上杆对直埋敷设电缆整体的载流能力影响开展研究，确定影响程度，指导实际载流量配置。电缆一般采取单根上杆模式。选取型号为YJV22-8.7/15kV-3×400 的典型配电电缆，由内到外分别是铜芯导体、绝缘保护层、填充材料层、电缆外部环境（包括包带护套、保护板）等。

1 计算算法和依据

直埋敷设的电缆热量只在固体中传递，包含热传递、热辐射、热对流3 种方式，属于流固耦合的传热过程，采用不可压缩流体数值求解[4-7]，本课题采用有限元法利用ANSYS 软件对架空入地电缆进行数值计算；搭建SIMPLE 算法模型，利用fluent 软件对电缆上杆各情况下的电缆载流量进行计算。

1.1 直埋电缆传热方程和算法

热传递属于固体传热过程，二维导热控制公式为：

式中：参数ρ、c、T、k 分别为密度、比热、温度和导热系数；Q 为单位体积内产生的热量。

1.2 热对流方程和算法

（1）封闭腔场景下，自然对流换热物质质量方程（守恒）：

（2）动量方程（守恒）：

式中：u、v、Fx、Fy分别为速度和力在两个坐标上的分量，ρ 为密度。

（3）能量方程（守恒）：

式中：cp、λ 分别为热容和导热系数。

1.3 热辐射方程和算法

本课题物体辐射热流量的计算可以采用斯特藩-波尔茨曼定律计算，具体公式如下：

式中：ε、A、σ 分别为辐射率、辐射表面积和斯特藩-波尔茨曼常数。

2 电缆上杆建模分析

2.1 SIMPLE 模型搭建与科学算法

电缆上杆求解，存在流固耦合问题，SIMPLE 模型搭建和其改进算法，是局放模型计算流固耦合不可压缩流场的主要方法，采用SIMPLE 模型算法进行速度分量和压力方程的分离式求解[8-10]。流程图见图1。

图1 SIMPLE 模型算法流程

2.2 电缆直埋敷设温度场模型

电缆直埋敷设时，热传导以传热方式为主，热传导控制方程下边界符合第一类边界条件，左右边界符合第二类边界条件，上边界符合第三类边界条件，具体模型见图2，整个区域为闭域场，近似于半无限大温度场。

图2 电缆直埋敷设温度场模型

对SIMPLE 模型求解计算得到地埋电缆周围环境温度场分布。电缆采取等负荷运行，在计算时采取有限元法与弦截法结合来确定电缆载流量。

经仿真软件得出电缆XLPE 绝缘层最高允许工作温度90 ℃时，单根至四根并行电缆载流量分别为501 A、438 A、397 A 和372 A。

2.3 电缆上杆温度场模型

以电缆保护杆外侧为边界形成闭域场进行求解，保护管外侧符合第三类边界条件，对流换热系数取7.29（W/m2·℃）和空气温度取40 ℃，设置好边界条件后利用SIMLPE 模型算法进行迭代求解，得到电缆上杆时周围温度场分布。

当电缆XLPE 绝缘层最高温度达到90 ℃时，经过有限元法和弦截法结合求解得到电缆上杆时的载流量为409 A。如表1 所示，电缆上杆段载流量较单根、两根并行电缆直埋敷设情况下小，所以电缆上杆时需要降低单根、两根电缆直埋敷设时的载流量；较三根、四根电缆直埋敷设，电缆上杆不会影响三根、四根电缆并行直埋敷设时电缆的载流量。