高压直流海底电缆三维仿真模型简化等效研究

温度分布和载流量是反映海底电缆运行状态的重要参数。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,建立了电缆的三维(three-dimensional,3D)仿真模型,提出了电缆暂态模型的简化方法。在整个厚度不变的基础上,将多个薄层与邻接介质作为3个等效层,采用调和平均法计算等效层的导热系数,利用IEC 60287标准计算等效层的比热容和密度,解决了电缆薄层网格剖分过密的问题。通过对比研究仿真模型简化前后不同载流量下的电缆温度分布,验证了简化方法的正确性和有效性。

计及沉积物渗透性的捆绑式高压直流海底电缆载流量评估模型

准确评估捆绑式敷设海底电缆的温度场与载流量,对于保障其安全稳定运行,同时提高运行效率、降低建设成本非常有价值。采用现有的解析法计算捆绑式海底电缆载流量忽略了诸多影响因素。为此,该文分析直流电缆结构和海底运行环境,在研究多孔介质固相和液相散热机理的基础上,提出一种计及海底沉积物渗透性的海底电缆电磁–热–流多物理耦合计算模型,提高对电缆温度场和载流量评估的准确性。对捆绑式敷设的±160k V双极直流海底电缆进行算例分析,考虑埋设和铺设2种情况,通过云图可视化展示了多场耦合后的散热机制;在典型沉积物渗透率的取值范围内计算了电缆的温度场和载流量,当渗透率大于10d后,渗流问题对于埋设的电缆载流量计算不可忽略。传统的热传导模型和IEC解析法是目前工程上常用的海缆载流量评估方法,在所提模型中代入不同的海底沉积物渗透性参数可与之对应,所得结果的最大相对误差不超过4%,验证了该模型的有效性。该模型可以设置任意渗透性参数来模拟实际海底沉积物的情况,因此在不同应用环境中对载流量的评估更为准确。

高压直流海底电缆分步式耦合分析方法及电场特性

为了更好地设计高压直流(high voltage direct current,HVDC)交联聚乙烯(crosslinked polyethyline,XLPE)绝缘海底电缆,加快高压直流海底电缆绝缘国产化进程,结合电缆绝缘电导率试验方法测定某高压直流海底电缆XLPE绝缘材料在不同温度及不同电场强度下的电导率;利用COMSOL多物理场仿真软件,采用分步式耦合分析方法,在相同敷设条件、不同负载电流下,对高压直流海底电缆绝缘内部的温度场、电场强度及空间电荷分布情况进行表征。仿真结果表明:采用分步式耦合分析方法可大幅减少模型求解时间,提升计算效率;在正常工作条件下,直流海底电缆绝缘内部会产生温度梯度和电场强度梯度,导致电导率发生变化,并进一步影响绝缘内部电场强度的分布;在电缆线芯的负载电流增大至一定程度时,出现场强反转现象;在绝缘内、外表面均会产生空间电荷积聚现象。文中仿真结果可为高压直流海底电缆的结构设计和国产绝缘材料开发提供理论依据和参考。

高压直流海底电缆异形单线圆形紧压导体的设计

介绍了500kV直流海底电缆铜导体的设计过程。通过理论计算、CAD画图模拟设计,提出了5种异形单线圆形紧压导体设计方案。在比较异形单线宽高比和截面积后,发现采用127盘框绞机生产6层结构异形单线圆形紧压导体优于采用91盘框绞机生产5层结构异形单线圆形紧压导体;在比较生产效率和阻水效果后,发现中心线采用直径6.0mm实心铜棒结构优于中心线采用圆形紧压导体结构。最终选择了生产难度较低、生产效率较高的中心线采用直径6.0mm实心铜棒6层异形单线圆形紧压非正规绞合结构的导体设计方案。对于该方案,后期还需要通过设备参数调整,在生产试制过程中继续优化。当异形单线模具倒角半径为0.30mm,完全能满足填充系数要求,考虑到实际生产过程中的一些不确定因素,导体结构和倒角半径可做进一步调整。

高压直流海缆工程应用现状及展望

近年来国际上大力发展电网区域互联和海上风能,而高压直流海缆工程是实现跨海输电的主要通道,因此对高压直流海缆的发展历程、应用现状和发展趋势进行综述性研究非常必要。首先回顾了绕包型绝缘和挤包型绝缘两种高压直流海缆的发展历程,对比了两种海缆的技术特点、应用场合及发展趋势;然后介绍了国内外主要高压直流海缆工程的应用现状,对当前国内外典型直流海缆工程的电压等级、输送容量和输电距离等关键指标进行了对比研究;展望了高压直流海缆工程的发展趋势和未来规划,分析了其面临的主要技术挑战,包括海缆绝缘材料的电气性能和热力学性能、海缆结构设计、附件可靠性和故障定位技术等。该研究将有助于解决电网区域互联和海上能源开发中的关键问题。