電力電纜載流量計算的解析法與數(shù)值法對比

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1、周凡珂電力電纜載流量計算的解析法與數(shù)值法對比為一根導(dǎo)體和金屬套之間單位長度熱阻；T2為金屬套和鎧裝之間內(nèi)襯層單位長度熱阻；T3為電纜外護(hù)層單位長度熱阻；T4為電纜表面和周圍介質(zhì)之間單位長度熱阻；為電纜金屬套損耗相對于所有導(dǎo)體總損耗的比率；為電纜鎧裝損耗相對于所有導(dǎo)體總損耗的比率。計算時運行條件參數(shù)的取值是參考IEC60287標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的各個國家和地區(qū)電纜運行條件參數(shù)，并且適當(dāng)折算。修正系數(shù)上述過程計算需要考慮的參數(shù)多、公式繁雜。工程上一般用簡化方法來確定電纜的實際允許載流量，即用基準(zhǔn)條件下的基準(zhǔn)載流量乘以實際條件對應(yīng)的修正系數(shù)得到電纜的實際允許載流量值。目前國內(nèi)

2、外規(guī)程、標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)IEC60287標(biāo)準(zhǔn)給出基準(zhǔn)載流量，并附有其他實際使用條件下的修正系數(shù)。不同地區(qū)、不同電纜結(jié)構(gòu)、不同埋深、不同電纜排列方式和氣候條件，其修正系數(shù)是不同的。在實際中，應(yīng)隨著環(huán)境條件的變化制定完善的載流量修正系數(shù)。目前電力電纜越來越趨向集群敷設(shè)，集群敷設(shè)下的電纜之間存在熱影響，此外電纜敷設(shè)環(huán)境日趨復(fù)雜，這些都對制定完整而準(zhǔn)確的載流量修正系數(shù)提出了更高的要求。引言電纜絕緣的最高允許溫度是電纜安全運行的一個重要參數(shù)。當(dāng)電纜載流量過高時，電纜線芯的運行溫度將超過允許值，絕緣材料老化速度加快，電纜壽命縮短；當(dāng)載流量過低時，電纜芯銅材或鋁材得不到充分的利用，

3、造成投資浪費。因此，為了保證電力電纜的使用壽命和經(jīng)濟(jì)性，需要準(zhǔn)確確定電纜載流量。載流量計算方法介紹載流量計算的解析法計算過程解析法是使用最為廣泛的載流量計算方法，目前國內(nèi)載流量的計算就依據(jù)此法。解析法是根據(jù)IEC60287標(biāo)準(zhǔn)的等值熱路分析方法。電纜載流量的解析計算是以電纜的熱平衡方程為基礎(chǔ)，以電纜主絕緣耐受的溫升為依據(jù)。根據(jù)電纜用于交流系統(tǒng)還是直流系統(tǒng)以及敷設(shè)方式、有無陽光直射、電纜表皮溫度的不同，載流量的計算公式也有所不同。下面給出敷設(shè)在空氣中不受日光直射的交流電纜載流量的計算過程。其中，電纜散熱等值熱路分析如圖1所示。載流量計算的數(shù)值法數(shù)值計算的方法是在

4、給定電纜敷設(shè)、排列條件和負(fù)荷條件下對整個溫度場域進(jìn)行模擬分析。數(shù)值傳熱學(xué)的發(fā)展帶動了數(shù)值計算法在計算電纜溫度場及載流量的應(yīng)用。目前代表性的電纜溫度場數(shù)值計算方法主要有：有限差分法、有限元法、邊界元法和有限容積法等。它的基本思想是把原來在空間和時間坐標(biāo)中連續(xù)的溫度場，用一系列離散的點來代替，并通過一定的規(guī)則建立起這些離散點變量值之間關(guān)系的離散方程，以計算機(jī)為載體求解離散方程得到計算區(qū)域溫度的近似解。（1）式中：I為一根導(dǎo)體中流過的電流；為高于環(huán)境溫度的導(dǎo)體溫升；R為最高工作溫度下導(dǎo)體單位長度的交流電阻；為導(dǎo)體絕緣單位長度的介質(zhì)損耗；n為電纜（等截面并載有相同負(fù)荷

5、的導(dǎo)體）中載有負(fù)荷的導(dǎo)體數(shù)；T1解析法和數(shù)值法的對比計算精度電纜周圍介質(zhì)熱阻的簡化處理是載流量計算誤差的來源之一。特別是對于直埋電纜，當(dāng)電纜本體與環(huán)境溫差較大時，電纜周圍的土壤出現(xiàn)水分遷移現(xiàn)象。當(dāng)電纜表皮溫圖1電纜時散熱的等值熱路-162-周凡珂1王曉兵1周慶輝1葉開發(fā)2莊小亮21.廣州供電局有限公司白云區(qū)供電局；2.華南理工大學(xué)電力學(xué)院DOI：10.3969/j.issn.1001-8972.2015.02.067實用技術(shù)推廣CHINASCIENCEANDTECHNOLOGYINFORMATIONJan.2015·中國科技信息2015年第02期度超過50℃時

6、，IEC-60287標(biāo)準(zhǔn)將土壤看作兩個區(qū)域：濕土壤區(qū)域和干土壤區(qū)域。目前，大多數(shù)國家以土壤熱阻系數(shù)取1K·m/W作為基準(zhǔn)參數(shù)，干土壤熱阻系數(shù)為2.5～3K·m/W。實際中，電纜運行一段時間后，電纜周圍某個區(qū)域土壤熱阻系數(shù)隨土壤離電纜距離的增加而逐漸降低。IEC-60287標(biāo)準(zhǔn)能夠在一定程度上模擬水分遷移對土壤熱阻的影響，但將實際問題的簡化處理給載流量的計算帶來很大的誤差。此外，IEC-60287標(biāo)準(zhǔn)是在Kennelly假設(shè)的基礎(chǔ)上制定的。Kennelly對復(fù)雜的環(huán)境狀態(tài)做出了簡單的假設(shè)：①大地表面為等溫面；②電纜表面為等溫面；③疊加原理適用。根據(jù)Kennell

7、y假設(shè)，電纜的溫度場為一維場。但是實際情況并不完全符合Kennelly假設(shè)，大地表面受人類活動影響很大，日照和植被的存在使得不同區(qū)域大地表面溫度變化更加復(fù)雜，大地表面并非等溫面。同樣的，電纜敷設(shè)環(huán)境千差萬別，電纜表面不可能是等溫面。因而以IEC-60287為基礎(chǔ)的解析法存在這種假設(shè)引起的誤差。而數(shù)值計算法是對整個溫度場域進(jìn)行研究，建立了電纜二維甚至三維的溫度場，考慮到了周圍環(huán)境差異對電纜散熱的影響，因而計算結(jié)果更精確。對于電纜溝、隧道、排管等敷設(shè)方式下的電纜，傳熱方式是熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射3種導(dǎo)熱方式的相互耦合。以IEC-60287為基礎(chǔ)的解析法只考慮了熱傳

8、導(dǎo)方式，對其它傳熱方式采用經(jīng)驗公式來簡