城市电网电缆群输送能力提升与管控技术述评

电缆因具有优异的稳定性、安全性和美观性而被广泛应用于城市输电线路。针对城市电缆群负荷整定保守、输送能力不足、实时管控困难三重挑战,分别从电缆群温升准确评估、输送能力提升、健康状态评估、负荷管控四个方面深入阐述了城市电网电缆群负荷管控实现过程中的关键技术,旨在形成一套精准的电缆群输送能力管控方案,进而为城市电网电缆群输送能力的提升与负荷管控技术的应用提供借鉴。

复杂环境地埋电缆群暂态温升热路模型适应性仿真验证研究

简易可行、快速准确地评估电缆实时温升,是释放潜在输送能力,提高运行效率的基础。目前,评估电缆线芯温升的方法主要有测量方法与计算方法,借鉴热电比拟的方法,提出了引入平衡热阻与平衡热感的电缆群暂态温升热路模型。然而实际运行中,电缆的运行环境更为复杂,电缆回数多少、负荷波动程度等因素也可能影响模型的准确性。为充分验证热路模型的适应性,文中通过构建一个复杂环境、工况条件下的电缆群暂态温升有限元算例,并与热路模型结果进行比较。验证结果表明,针对不同影响因素,原有热路模型可进行灵活调整扩展,参数求解方法不变,模型的便捷性与准确性不受影响;电缆回数数量、介质均匀性、负荷波动程度、日照与环温变化幅度均不明显降低模型的准确性。研究成果不仅验证了模型的适应性,而且可为类似模型的检验方法提供重要参考。

基于温度计算的肘型电缆接头压接状态评估方法

附件是电缆线路的薄弱环节,温度是反映电缆运行状态的重要参数,研究环网柜中肘型电缆接头运行温度具有重要意义。建立柜内肘型接头三维暂态磁热流耦合场数学模型,基于阶跃电流温升试验验证了模型的正确性;仿真研究了夏季严酷场景肘型接头多物理场及其温度时空分布,研究了肘型接头外皮温度和温差的影响因素。结果表明,肘型接头外皮温差受环境温度和负荷曲线形状的影响较小,与负荷电流峰值近似呈二次关系,与压接电阻比率基本呈线性单增关系,因而可以作为识别肘型接头压接状况的参数。最后提出基于接头外皮温差的肘型接头压接状态评估方法,对接头温度监测和故障预警有重要的参考价值。

电缆堆叠敷设引起的护套表面异常温升仿真研究

堆叠敷设的电缆会出现温升异常的现象,易导致绝缘热击穿等故障。通过模拟电缆敷设状态,测试电缆护套表面的温升,并采用COMSOL多物理场仿真软件模拟环境温度为45℃时的数据,最后进行验证计算。研究表明,敷设试验结果、仿真结果和理论计算结果一致,相关分析可为电缆安装敷设提供一定的参考。

船舶用中压电缆在狭小通道的敷设填充率及温升仿真研究

船舶内电缆安装环境不同于陆用环境,部分区域通道狭小甚至封闭,存在高填充率敷设的情况。试验模拟船舶上的3种典型的中压电缆高填充率敷设情况,制定了温升试验方案,通过建模仿真,推导出高填充率敷设工况下电缆发热的情况,给出特定环境下安装敷设的填充率建议。

有缆无人潜水器用多层脐带缆温度场仿真研究

脐带缆作为有缆无人潜水器(ROV)电力和信号传输的关键组件,工作时须缠绕在绞车上。在运行过程中,脐带缆的温升易受内部损耗的影响,并且长期处在高温环境下,会加速绝缘老化,甚至诱发击穿。为保证脐带缆在作业下安全运行,需要对其电磁和温度特性进行分析。基于有限元仿真软件COMSOL建立电磁和温度等多物理场耦合模型,结合筒体结构、电缆缠绕层数,以及工作过程中的热传导、热对流等因素,研究了线芯损耗特征与多物理场耦合后的温度分布、散热特性,并分析了脐带缆在不同负载、绕组下对温度场分布的影响,以期为脐带缆的设计和多层脐带缆的配置提供理论支持。

液冷充电系统及液冷电缆的研究设计

文中研究了液冷充电桩电缆的结构和材料选择,分析了冷却液介质、液冷充电系统及液冷充电枪的关键性能。试验对比了“水浸铜”式液冷充电桩电缆和“铜包水”式液冷充电桩电缆在不同载流量下的导体温升,并对结果进行了分析。结果表明,相同功率条件下,“水浸铜”式液冷充电桩电缆比“铜包水”式液冷充电桩电缆的温升更低,冷却效果更好。

三芯矿用电缆线芯温度预测及故障预警方法

矿用电缆受潮湿环境影响,易发生绝缘劣化;堆积在护套上的煤粉会影响电缆的散热,而线芯导体温度的异常升高最终可能会导致电缆放炮,甚至形成电气火灾,酿成严重的煤矿安全事故。针对电缆带电运行过程中无法直接测量其线芯导体温度,无法利用电缆线芯异常温升这一极早期特征来实现电缆故障预警的技术难题,采用理论分析与模拟实验相结合的方法,从电缆径向截面上的热传导规律入手,建立了基于等效三等分暂态热路模型的三芯矿用电力电缆线芯温度计算方法,可由电缆外护套表面温度实时计算出电缆线芯温度。针对电缆绝缘层、内护套以及外护套的热扩散率低导致材料内部温度梯度大,会严重影响算法模型计算精度的问题,通过分析电缆材料内部温度梯度的分布特征,使用对电缆绝缘层、内护套以及外护套进行等热容分层计算的优化方法,提出了三等分等热容分层暂态热路模型算法。以型号为MYJV22-6/6kV-3×50的矿用交联聚乙烯电力电缆为实验对象,通过电缆温度电流实验,测得该被试电缆在不同载流量下外护套表面和线芯导体的温度数据。经实验数据分析,证明三等分等热容分层暂态热路模型的计算误差随分层数增加而减小,并确定了电缆绝缘层、内护套以及外护套的最佳分层数均为50。结果表明,采用等热容分层的方法优化后的三等分暂态热路模型具有较高的计算精度,当电缆绝缘层、内护套以及外护套的分层数均为50时,其最大相对误差小于1%,平均相对误差为0.73%,可为矿用电力电缆线芯温度预测和故障预警提供一定的理论依据。

高速铁路贯通线电缆温升效应分析

目的:为了保障高速铁路供电安全,需要对高速铁路贯通线电缆的运行状态进行实时监测。温度是电缆安全运行的重要指标,要正确判断贯通线电缆的运行状态,需对贯通线电缆的温升效应进行研究。方法:利用有限元分析法对贯通线电缆正常和故障状态时的温升效应进行了仿真计算,分析了外界大气压、环境温度、太阳辐照、敷设条件等外部条件对电缆温升效应的影响,研究了单相接地、相间短路、绝缘电弧击穿、电缆头接触不良、金属屏蔽层引入牵引回流等典型故障条件下电缆的温升效应;并分别进行了流经故障电流情况下和不同电缆敷设方式下电缆金属屏蔽层温升试验,以验证仿真结果的正确性。结果及结论:外界大气压和环境温度对电缆温升影响不大,太阳辐射会增大电缆温升,直埋敷设方式下的电缆温升明显高于泡水敷设;除单相接地故障的电缆金属屏蔽层温升不明显外,其余故障情况下电缆金属屏蔽层均有明显温升。

基于多物理场的防爆盒对10kV三芯电缆中间接头温升影响研究

中间接头是电缆温升严重的环节之一。为了研究防爆盒的使用是否会进一步加剧中间接头的温升,针对城市供配电系统中广泛应用的10 kV三芯电缆中间接头,采用有限元方法建立了三维多物理场仿真模型。分析了防爆盒对接头温升的影响过程、不同防爆盒体积下接头的温升规律、填充石英砂颗粒对接头的降温效果。研究表明:防爆盒内空气受热上浮造成电缆接头局部集中加热,会进一步加剧接头温升;防爆盒体积足够大时,内部形成空气流动通道有利于降低接头温度;防爆盒内填充石英砂颗粒时接头最高温度仅为55℃,比无防爆盒时下降9.5℃。将仿真结果和试验结果进行对比,相对误差在±10%以内,满足工程误差要求。研究结果可为防爆盒在10 kV三芯电缆中间接头的应用和选型提供参考。

建筑火灾升温条件下电缆耐火性能测试方法

为测试电缆在火灾充分发展阶段的耐火性能,首先从受火条件、判定方法、耐火时间和样品安装等方面,提出建筑火灾升温条件下电缆耐火性能测试方法(简称新测试方法,包括新方法A和新方法B);然后搭建建筑火灾升温条件下电缆耐火性能测试平台,采用传统电缆耐火性能测试方法和2种新测试方法分别测试21根电缆的耐火性能,并加以对比。结果表明:与传统电缆耐火性能测试方法相比,新测试方法能有效区分电缆耐火时间长短,而且可同时测试1~12根电缆的耐火性能,提高了测试效率。9根电缆2次耐火试验的耐火时间基本接近,新测试方法测试电缆耐火性能的重现性好。

直埋电缆的暂态温升特性及波动负荷输送能力研究

介绍了梯形等效热路模型的建立方法,给出了分层确定损耗、热阻、热容等参数,并计算外加任意负荷下电缆暂态温升的分析流程,以单芯电缆在阶跃负荷下的温升特性为例,验证了模型及程序的有效性。在此基础上,针对三芯海缆结构提出了基于热阻相等原则的等效方案,并以330 kV 3×1000 mm^(2)电缆为例,在典型风电场波动负荷作用下,研究了电缆温度随时间的变化特性,程序计算结果与有限元仿真数据一致。研究表明,直埋电缆热时间常数大,具备良好的短时过载及波动过载能力;利用等效热路模型及程序算法可确定单芯及多芯电缆的暂态热场响应特性,从而为应用于如风电场这类波动负荷传输的电缆实际负载能力评估提供技术依据,优化了电缆选型及参数设计。

66 kV高导热风机电缆载流量与温升特性研究

构建以海上风电等为新增电源主体的新型电力系统是实现碳达峰、碳中和目标的重大战略,作为其关键装备——66 kV柔性电缆已成为目前10MW以上海上风机的主流集电方式,但其工作环境恶劣、散热条件差,迫切需要实现该型电缆载流能力的提升。因此本文制备了高导热主绝缘与护套材料,并通过有限元仿真模拟了高导热66 kV风机电缆载流量提升效果,使用解析法计算了不同负载下高导热电缆的载流能力。研究发现,改性材料与原材料相比,具有更好的电气绝缘性能,且绝缘材料与护套材料导热系数分别提升90%与52%,并使66 kV风机电缆载流量由682 A提升至720.2 A;相同负载电流下高导热电缆最大温度下降8.4℃。研究结果为高压风机电缆载流量提升提供了有效方法,同时为高压三芯电缆仿真计算提供了相关参考。

高导热填充材料对高压电缆接头温度的影响

高压电缆接头是线路中的热点位置,限制着线路载流量的提升。为了探究加装保护盒以及保护盒内填充不同材料对电缆接头导体温度的影响,搭建了高压电缆接头的大电流温升试验平台,对比分析了电缆接头未装保护盒、加装保护盒、保护盒内填充传统密封胶,以及保护盒内填充高导热材料4种情况的试验数据。结果表明,相比于未装保护盒的情况,加装保护盒不会显著恶化电缆接头的散热环境。但是在保护盒内填充传统密封胶后严重阻碍电缆接头的散热,相比于未装保护盒时压接管的温度升高了8.1℃。保护盒内填充高导热材料后,压接管的温度显著下降。相比于未装保护盒的情况,其导体温度仅升高了2℃,大大增强了电缆接头的散热能力。

4种电缆沟盖板耐火性能研究

为探究实际火灾场景中流淌火对不同种类电缆沟盖板耐火性能的影响机制,提升变电站火灾防控能力,开展流淌火作用下4种电缆沟盖板耐火性能试验以及标准试验炉试验。研究表明:在标准试验炉内2种高分子复合材料盖板在较短时间内失效,2种混凝土盖板2 h仍未失效。在模拟流淌火作用下的非标准试验中,卡槽式盖板背火面温升速率最快,砂浆抹面的混凝土盖板温升速率最慢。供油速度为72.5 g/s时,卡槽式盖板有效耐火时间在130 s左右,加铺防火布的高分子盖板有效耐火时间在40 min左右,2种混凝土盖板的有效耐火时间均超过2 h。加铺防火布的混凝土盖板背火面温升随供油速率增大而增大,但增速较小。砂浆抹面和加铺防火布的2种混凝土盖板耐火性能最优,卡槽式和加铺防火布的2种高分子复合材料盖板耐火性能较差。建议变电站变压器等充油设备附近电缆沟盖板采用混凝土盖板。

CT端子箱电缆发热故障危害及预防措施

以某变电站35 kV低压测CT端子箱中的电缆接头发热现象为例,介绍了电缆接头发热及缺陷的基本情况,对高压电缆接线方式及发热接地端子进行检查,确认导致发热的主要原因,提出了相应的解决方案及防范CT端子箱电缆发热故障的措施,以保障变电站的安全稳定运行。

考虑接触电阻下的电缆接头热点温度

电缆接头内部热点温升是电力电缆的重要问题,有必要研究接触电阻对热点温度的影响。首先,建立了电缆接头及电缆本体的2维轴对称模型。通过不同接触电阻等效模型下的温度场仿真对比,其热点温度相对误差不超过1%,从而确定了接触电阻的等效模型。然后,分别对有无接触电阻的模型进行温度场仿真分析,其热点温度相对误差达10.2%,确定了考虑接触电阻的必要性。最后,在电缆接头温升试验平台进行了试验,比较了测量数据与有限元仿真数据,其热点温度相对误差不超过7%,可以满足工程应用的需要。

电缆变压器绕组温升的数学估计

通过有限元数值计算 ,研究了外界因素变化对电缆变压器的绕组温升 (包括最高温升和平均温升 )的影响 ,并得到了相应的拟合曲线。通过最小二乘线性回归提出绕组温升的数学估计。

单芯电缆热时间常数的理论计算与试验研究

由于电缆热容的存在,当施加阶跃电流时,电缆温度随时间逐渐变化,经一段时间后达到热稳态,导体温度变化的速度一般用热时间常数来反映。为此,以单芯电缆为研究对象,介绍了电缆热时间常数;建立了电缆本体及周围介质的暂态热路模型并进行简化等效;计算了空气敷设和直埋敷设单芯电缆的热时间常数;并在试验现场进行了阶跃电流下的单芯电缆温升试验,通过对实测导体温度暂态过程的曲线拟合求得了电缆实际的热时间常数,验证了理论计算的正确性。电缆的热时间常数可用于估算阶跃电流作用下的导体暂态温度响应、以及到达最高允许温度所需要的升温时间,为电缆的运行状态监测及故障预警提供理论支持。

根据导体温升特性实现高压单芯电缆动态增容的实验研究

为了动态增加运行电缆的输送容量,在分析动态增加运行电缆输送容量的必要性后提出了实现电缆动态增容的方法,并模拟电缆的隧道敷设环境设计了110kV交联聚乙烯单芯电缆的正常负荷、满负荷、超负荷等阶跃电流温升实验。分析发现:实验得到的电缆导体温升时间与理论计算得到的导体温升时间基本相符;电缆增加的容量在电缆正常负荷运行范围内,根据供电需求可以长时间对电缆进行动态增容;电缆由正常容量增加到电缆满负荷运行时,在导体温升时间范围内,电缆导体温度达到的最大数值为87%额定工作温度,因此也可以根据供电需求长时间动态增加电缆的容量;电缆由正常容量增加到电缆超负荷运行时,当电缆超负荷20%,电缆运行约50%导体温升时间后,电缆导体温度才达到额定工作温度。因此,利用电缆的导体温升时间,可以动态增加电缆的输送容量,甚至可以让电缆处于满负荷或者超负荷的运行状态。这对电缆线路负荷优化、电力调度以及相关工程实践具有参考意义。