高压直流海底电缆电–热–流多物理场耦合仿真

高压直流电缆运行时径向温度和电场分布是反映其运行状态的重要参数,考虑流场的海底电缆电热耦合规律研究具有重要意义。依据南澳直流工程±160 kV高压直流海底电缆,利用COMSOL Multiphysics有限元分析软件,建立了海缆本体及其敷设环境的3维电–热–流耦合模型,以控制变量法研究了铺设和埋设2种敷设方式下海缆载流量、海水温度和海水流速对海缆径向温度和电场分布的影响。结果表明:载流量是海缆径向温度和电场分布的主要影响因素;在该模型下海缆导体温度和绝缘层温差与海水温度存在线性关系;很小的海水流速能显著降低海缆温度,因此提出静止海水散热的流速修正系数;海水流动有利于海缆散热,导致海缆温度分布发生变化,同时影响海缆绝缘材料电导率而导致电场分布发生改变。

±500 kV直流电缆负荷循环系统温度控制仿真研究

直流电缆负荷循环系统是开展全尺寸电缆绝缘材料性能研究的重要设备,核心功能是实现绝缘层温度梯度和导体温度的精确控制。为了研究±500 kV直流电缆负荷循环系统中控温介质的流速对绝缘层温度梯度和导体温度的影响,在COMSOL Multiphysics中建立了水循环回路的有限元模型,对直流电缆、循环水及保温水管开展了热流固耦合仿真。通过改变水的流速,研究了绝缘层温度梯度和导体温度的轴向差异变化情况,并对水温和线芯电流进行了修正。结果表明:增大水的流速有利于降低水温的波动,当流速为0.3 m/s以上时,绝缘层温度梯度和导体温度的轴向差异均低于1℃;给出了迭代计算水温和线芯电流的方法,从而将绝缘层温度梯度和导体温度的误差均控制在±1℃以内,满足系统对控温精度的要求。

XLPE电缆内置分布式光纤的温度监测试验

为直接监测导体和绝缘层温度分布,利用Brillouin光时域反射测温技术,将感温光纤分别植入110 kV交联聚乙烯(cross-linked polyethylene,XLPE)电缆的导体中央、绝缘屏蔽层表面和阻水带中央。在沟槽、水和回填砂中进行了7次加载阶跃电流的升温试验,得到了热电偶和光纤测得的电缆各径向和轴向温度。试验结果表明,在上述3个径向位置植入光纤是可行的,但导体光纤容易受到机械损伤,可靠性相对较低。光纤的轴向温差不超过0.22℃,比热电偶的轴向温差小,且不易受敷设环境和电流大小的影响。由于热电偶敷设深度难以控制,绝缘屏蔽层和阻水带光纤与相应径向位置热电偶的测温结果存在差异,当电缆在水中敷设时二者差异最大可达3.8℃。