【《高压电缆载流量解析计算过程案例》6900字】

高压电缆载流量解析计算过程案例目录TOC\o"1-3"\h\u20461高压电缆载流量解析计算过程案例 160231.1单芯电缆的结构 1192651.2传热学原理 3224431.1.1热传导 397501.1.2热对流 4247181.1.3热辐射 5322411.1.4传热中的三类边界条件 5178131.3电缆载流量计算 6155401.3.1损耗计算 794481.3.2热阻计算 1073011.3.3载流量计算 12解析法是指利用已知的公式和给出的自变量直接或间接地求出所需要的解。目前关于高压电缆的相关解析计算的理论已较为成熟，应用较多，是数值计算的基础，利用解析法可以验证仿真模型的适用性。1.1单芯电缆的结构在对高压电缆载流量进行计算之前，首先需要了解电缆的结构。目前在输电系统中，常用的高压电缆大部分为单芯结构。依据标准GB11017-89，以本文所研究的电缆为例，铜芯、单芯、标称截面积1000mm2、220kV交联聚乙烯绝缘、皱纹铝护套、乙烯护套电力电缆可以表示为：ZRC-YJLW02-127/220kV-1*1000mm2。该电缆的组成结构界面图如图2-1所示。图2-1交联聚乙烯电缆结构图缆芯导体；2-导体屏蔽层；3-绝缘层；4-绝缘屏蔽层；5-缓冲层；6-金属护套；7-外护套导体即导线芯，所用材料一般为铜或铝。选型依据从电气性能分析主要看电缆载流量和短路电流大小，不同的材料的损耗不同，采用铜材质的电缆其电阻率小、同结构大小电缆铜电缆其载流量大；从物体特性来看，铜材质具有较高的机械和弯曲性能，电缆的敷设环境要求比铝材质要低；从经济效益来看，铝材质价格低，经济效益明显优于铜材质。导体屏蔽层也称内屏蔽层，具有屏蔽电、热的作用。对于单芯电力电缆，导体屏蔽能够均匀导体电场分布，并能对绝缘介质起到保护作用，在电缆制作时因为导体表面可能有出现不平整的地方，从而破坏电缆绝缘能力，因此加入导体屏蔽层能很好地保护电缆内部绝缘。此外在选用导体屏蔽层时需考虑与外绝缘的物理性能相近，防止在两者间接触不好产生气隙。（3）交联聚乙烯（XLPE）绝缘层XLPE是电缆中常用的一种绝缘材料，它的优劣直接决定了电缆的质量，电缆内径的不同，所需配套相适应的外绝缘尺寸也不同。为了保证电缆的运行安全，在制造电缆时，通常规定电缆的绝缘层平均厚度不能低于标称厚度，在绝缘最薄的地方其厚度要不应小于标称厚度的90%。(4)绝缘屏蔽层在电缆主绝缘材料的外部还包裹一层屏蔽层，其作用是在绝缘层和外部的阻水带之间形成过渡，消除气隙的同时保护电缆主绝缘。在制造工艺中，一般外屏蔽层与内屏蔽层的主体材料相同，根据内、外屏蔽层所处的位置与要求不同，添加物的种类和含量稍有区别。目前的高压XLPE电缆制造工艺中，采用导体屏蔽层、XLPE绝缘层与绝缘屏蔽层同时通过仪器被挤包的工艺，以消除层与层间界面上的缺陷。(5)缓冲层在结构上，缓冲层由阻水带和空气隙组成，对电缆本体起保护缓冲作用。阻水带的主要成分是聚酯纤维，并含有吸水膨胀材料，以达到电缆纵向阻水的要求，它是一种半导体弹性材料。(6)金属护套即金属屏蔽层，其作用是静电屏蔽。目前电缆应用主要有：铜护套、铅护套、皱纹不锈钢护套。其中铅护套具有良好的防腐蚀、防水性能，且弯曲性能好，便于敷设,但是机械性能一般，适用于潮湿、腐蚀环境；皱纹铝护套目前应用较为广泛，其机械强度高、质量轻，但是弯曲性能不如铅护套，附件安装也较为困难。本文中作为研究对象的XLPE电缆金属护套是皱纹铝护套，也是在实际应用中使用最广泛的金属护套类型，其他类型的护套根据使用环境及应用需求的不同各有不同程度的应用。金属护套与缓冲层是本文所研究的主要电缆护层结构。(7)外护套聚氯乙烯（PVC）和聚乙烯（PE）是目前两种常见的外护套材料。聚氯乙烯的优点是能适用于高温环境，且与电缆外表面的半导体层贴合性好，缺点是它的绝缘性较低，易受潮从而导致电阻下降。PE材料的优点是具有优秀的防潮性能，缺点是其耐老化、耐火性能不突出。本文研究的XLPE电缆所使用的外护套材料为聚乙烯(PE)。以上述所建立的电缆仿真模型为基础，按电缆结构轴向方向进行热场仿真计算。1.2传热学原理由经典热力学第二温度定律可以得到,若物体之间或者整个物体内部之间存在着一个初始温度梯度,热量将从温度高的地方自发转移向温度低的地方,以达到新的温度平衡。这种由于温度梯度的存在而导致产生的能量传输过程被统称为热传递过程。热量的传递有热对流、热传导与热辐射三种基本方式。1.1.1热传导导热传热，是指热量从物体高温的部分传递向其低温的部分，或者从一个高温物体传递向与其接触的低温物体的现象。因为温差的普遍存在，导热在存在物质的地方都会发生。但是，在地球引力场的作用下，单纯的导热只发生在密实固体或静止流体中，其原因是气体或流动的液体都会发生对流，热传递的方式发生改变的原因。从微观角度来看，热量的传递是由于物质内部粒子的热运动造成的，具有不同分子结构的物质，其内部的导热机理也不相同的。在电介质中，热量通过原子之间晶格的振动传递ML金属固体中，这种振动起到的影响不大，金属的导热依靠内部自由电子的移动来实现。在气体中，气体分子热运动这一过程就是导热过程。气体的分子量越小，温度越高，则这部分的导热系数越大[26]。图2-2显示了一种常见的导热现象，图中平壁的侧面积为A,壁厚为5。平壁的两侧表面保持稳定的温度如图2-2。经过经典实验发现，在一定时间内，从一侧表面传递到另一侧的热量中：和两个表面的温度差（31-32）以及侧面积A成正比例关系；和壁厚成反比例关系；并且，导热量的大小与平壁材料的导热能力有关。表达式为如式2-1：图2-2典型的平壁导热图 （2-1）式中：是1s内通过面积A的热量，W；为导热系数，W/m⋅K除了热量、导热系数外，热流密度也能够表示流通热量的快慢程度。 （2-2）热流密度是指单位时间通过单位面积的热流量，单位是W/m2。热量传递过程中最重要的指标是物体各部分的温度，本文采用摄氏温标来表示温度的数值。1.1.2热对流由于分子的构成不同，在一定空间内的液体或气体一般不会保持自身位置的不变，其位置会不断的改变，这种位置的改变会加速地把热量从温度高的地方转移到低温处，此种现象叫做热对流。流体是热对流的媒介，所以流体的存在是必要的，流体的流动也会影响热量的传递过程。本文中高压电缆的发热及温度场的问题，其热传播过程不仅仅有热传导，还有热对流过程。高压电缆的传热过程可以解释为空气流过埋设电缆所在的土壤表层时，电缆散发的热量首先通过隧道面壁传热，然后隧道面壁与土壤导热来传播，然后在空气与土壤表层的热对流作用下继续进行热传递的过程。空气与土壤表层的热对流作用，称为对流换热过程。对流换热的计算式由牛顿提出，其表达形式为： （2-3）式中：——换热量，W；A——接触流体的壁面面积，m2；h——比例系数，W/（m2·K）。h的大小，表示的是对流换热的强度，与流体本身导热的能力、流体流速以及流过的固体材料有关，单位是W/（m2·K）。1.1.3热辐射单根电缆地下敷设或电缆群埋敷设时，其散热的途径包括电缆自身对土壤的热传导，以及电缆上方地表对空气的热对流。因为电缆的运行温度绝大多数情况下低于90℃,因此其热辐射散发出的热量很小，本文不讨论热辐射的作用机理。1.1.4传热中的三类边界条件当一个工程问题连续模型化时，为了简化模型，需要对其边界进行界定。在热场模型中，可以定义三种边界条件：（1）第一类边界条件，也称作迪利克雷边界条件：规定了边界的温度，表达式如下： （2-4）当边界温度I；与时间无关时，当做恒壁温条件处理。（2）第二类边界条件，即诺伊曼边界条件：规定了边界上的热流密度，表达式如下： （2-5）（3）第三类边界条件：规定了边界面的表面传热系数，表达式如下： （2-6）上式中，h为边界面与外界的对流换热系数，单位是W/m∙K；T表示外界温度；表示壁面温度分布。在对电缆的温度场进行计算时，常见的为前三类边界条件，第四类边界条件在本文不做研究。界面连续条件：条件规定了两个接触物体边界面的处理方法。当两个物体完全接触时，在接触面上，不同物体的温度与热流密度相等。这种情况边界条件可表示如下： （2-7） （2-8）当两个物体不完全接触时，其接触面上存在温差此时接触热阻表示如下： （2-9）1.3电缆载流量计算在隧道环境下进行电缆敷设时,电缆所散发出来的热量会首先和隧道内的空气形成对流，然后通过隧道面壁传热到土壤中。在这种敷设条件下就必须考虑各种介质之间的热阻和导热系数等影响因素。电缆外表面的温度与电缆所承载的电流的大小、绝缘损耗、以及电缆运行时的环境温度等相关。一般情况下，如果电缆的绝缘没有出现破损或者绝缘老化情况不严重，电缆的绝缘损耗对电缆的发热影响不大。电缆的额定载流量由电缆的最高允许工作温度决定。当电缆在工作时,电缆导电线芯外表面的温度不仅与所带负荷电流的大小有关,而且还与电缆在绝缘过程中的损耗、电缆的热特性以及电缆周围的温度等条件密切相关。一般来说,如果电缆的绝缘处没有出现故障或者电缆的绝缘处于老化状态并不严重,电缆在绝缘处的损失对于导电线芯上的表面温度影响很小；而且,电缆在正常使用的运转电压下基本保持不变,电缆在绝缘过程中的损失也基本保持不变。对于为我们设计生产出良好的电缆而言,在其运行的过程中,由于电缆内部的结构和材质已经保持了固定不变,因而,其具备的横向热传输特性保持了不变。电流同时流过一个导体时的绝缘电阻把其中剩余的导体电能同时转化成作为导体热力,造成了导体电缆的绝缘温度和导体压力同时升高。而所有的需要辐射产生的各种热能,一部分主要是直接贮存在带电导线上以及其他的绝缘材料内,剩下的则以高速传导型和定向辐射型的形式经无线电源或者有线电缆等各种绝缘材料将其传输辐射到靠近外界的物体表面,然后,通过高速对流和定向辐射两种方式将其传递辐射到它的周围环境。由于电线连接中用到的电源导线和供电绝缘之间,绝缘和导线周围环境之间都会有一个热阻,导线的绝缘温度就可以会逐渐的上升,其中的绝缘电阻温度比率也就会逐渐地的增加并且热阻会逐渐产生较大的绝缘热能,直至整个供电线路温度趋于稳态。在这样的工作情况下,所有线产生的全部电力能源都被自动传递出来到导线周围环境,而且整个导线的工作温度仍然能够保持恒定。影响电力电缆群温度场的因素,除了电力电缆自身的发热之外,还与其散热的条件有关。电缆群的散热与电缆自身结构以及敷设环境有关,在不同的敷设条件下如电力隧道、电缆沟和土壤直埋,散热路径也不同。IEC-60287标准规定交流电缆的载流量计算需要先完成损耗计算和热阻计算。1.3.1损耗计算电力电缆的生热来源主要有电流通过导体、金属套以及铠装层时的电磁损耗，以及绝缘介质所产生的损耗，对于本文研究的XLPE高压电缆不存在铠装层，所以未考虑电磁损耗计算。金属套的损耗和其接地方式有关，当电缆金属套单端接地时，金属套内只有较小的涡流损耗；当双端接地时，交变电流会影响金属套并在其上产生数值较大的环流损耗。对于长度较长的输电线路，一般采用金属套交叉互联接地方式。导体损耗高压电缆在通过电流时导体会产生焦耳热，导体生热造成损耗。导体损耗包括交变电流引起的涡流损耗和交流损耗，在进行涡流损耗计算时，要考虑邻近效应和趋肤效应。额定工作温度下线芯直流电阻公式如下： （2-10）式中：——导体直流电阻，取目标要求0.0366/km；——导体电阻温度系数，铜取0.00393；θ——电缆线芯允许最高工作温度。集肤效应因数公式如下： （2-11）式中：——电源频率，50Hz；——工作温度下单位长度电缆导体线芯交流电阻；——铜导体经验取值为1；邻近效应因数公式如下：（2-12）式中：——导体外径；——线芯中心轴间距离，与敷设方式有关；——铜导体时经验取值为1。90°C电缆线芯有效电阻为： （2-13）式中：——导体电阻；Ys——Yp——导体损耗公式为：Wc=I（2）绝缘损耗绝缘损耗是指，当交变电压作用在绝缘层上的时候，会产生交变电流，电流引起绝缘介质发热从而造成一定的损耗。电力电缆在交变电压作用下，其绝缘介质受交流磁场影响会缓慢产生极化的效应，介质极化的建立是介质损耗的主要原因。电缆绝缘损耗的大小与其自身的材料特性有关。直流电缆和非屏蔽多芯电不需要计算绝缘损耗。每一相单位长度的绝缘损耗的公式如下： （2-15）式中：——电压波形的相角速度，rad/s；C——单位长度电力电缆电容，F/m；tanδ——U0——电缆电容是限制电缆容量和线路传输距离的因素之一。电容的大小决定了线路中电容电流的大小。在高压和超高压线路中，电容电流甚至可以达到传输电流的数值。此外，电缆电容作为一个参数，可用作反映电缆生产质量和运行质量的情况。圆形导体电容的计算方法是： （2-16）式中：c——单位长度电缆电容，F/m；£——绝缘材料的介电系数；Di——dc——（3）金属护套损耗金属护套损耗和电缆的接地方式有关。电缆的接地方式通常有三种，分别是双端接地、单端接地以及交叉互联接地。双端接地时，电缆受到自身以及附近电缆电流的影响，在电缆的金属套上出现感应电势，与大地构成回路，形成环流，从而引起较大的环流损耗。单端接地时，因金属套与大地不构成回路，会留有较高的感应电压，通常电压可高达数百伏特，产生极大地安全隐患。交叉互联接地方式则解决了单端接地产生的问题，交叉互联是指将整条电缆线路分成若干段，每一段电缆平均分成三小段，并且将绝缘接头安装在段与段之间，每两组绝缘接头进行金属护套交叉换位，再串联连接如图2-3所示。每段导体线芯在护套上感应电压存在相位差，三段感应电压的矢量和叠加后，总感应电压为0，即整个区段每根电缆护套上感应电压均为零，这种情况下环流现象不会再出现。在理论上，交叉互联方式可以平衡三段电缆感应电压，使其矢量和为零，但在实际中，由于电缆的接头设置和电缆长度等原因，把电缆均匀的等分成三段是很难的，而不均分的三段电缆就会使得护套电压矢量和不为零，从而产生环流，但该环流值较小通常在允许范围内。图2-3电缆金属套交叉互联接地示意图金属套损耗表达式为： （2-17）式中：λ1'λ1''因此，当回路电力电缆采用交叉互联接地方式时，金属套损耗仅考虑涡流损耗。即为λ1电缆金属铝护套电阻计算公式如下： （2-18）式中：ρs——as——θs——As——1.3.2热阻计算热阻指的是当有热量在物体上传输时，在物体两端温度差与热源的功率之间的比值，通俗来讲是热量在能量转移过程中遇到的阻力。和电学中的欧姆定律有类似之处，共同的规律为：目前国内电力电缆载流量的解析计算通常采用IEC-60287标准[41]，根据热电模拟法[39]，把二维温度场模型简化为一维热路模型，热路模型是指通过模拟电路串联情况，画出平壁传热过程的模拟通路，亦称热路。在建立热路模型时，只需要知道热源的大小和热量传递的途径，就可以将热量传播的过程搭建为一个热路模型。通过热路模型计算各个特定点的温度。热路模型如图2-4所示，可以用分析电路的方式对热路进行计算与分析。在进行热阻计算时，主要考虑电缆本体每一层热阻和电缆外部环境的介质热阻，主要有T1电缆绝缘层热阻，T2电缆缓冲层热阻，T3外护套热阻，T4外部热阻。由此可得到电缆的热路模型如图2-4所示。 图2-4电缆热路模型图 图2-5中，Wc为电缆导体产生的焦耳热损耗，Wd为绝缘层介质损耗，W（1）电缆绝缘层热阻对于单芯电力电缆，导体与金属套之间的热阻的计算公式如下： （2-19）式中：——绝缘材料交联聚乙烯的热阻系数，——绝缘层厚度；——导体直径。（2）电缆缓冲层热阻对于单芯电力电缆，金属套与缓冲层之间的热阻的计算公式如下： （2-20）式中：——缓冲层材料聚丙烯的热阻系数，——缓冲层厚度；——绝缘层外径。（3）电缆外护层热阻对于单芯电力电