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不同材质电缆支架对电缆运行适用性研究

电缆环流监测装置 2020-10-03 技术论文 587 ℃ 0 评论

摘要:在大电流作用下,电缆支架的导磁性会改变电缆周围的磁场分布,进而影响电缆本体运行,导致其温升变化,以往电力规程规范对于电缆支架的选材并未给出明确说明。文中以江苏省电力公司镇江市南徐220kV变电站电缆为例,采用二维电磁场-流体场-温度场多物理场耦合有限元计算方法,研究不同载流量、不同电缆材质支架对电缆运行温升的影响。结果表明不同材质电缆支架因涡流引起的电缆支架温升不会危及人身及设备安全,是否选用非磁性材质支架应综合考虑涡流引起的损耗及经济性。文中考虑了电缆支架的影响,给出了支架选择时的理论与工程应用依据,对提高电缆建设经济性和运行可靠性有重要意义。
关键词:电缆支架;多物理场耦合;不同材质;涡流;温度
交流电缆在运行时,其交变电场会产生交变磁场,交变磁场作用在金属质电缆支架上感应出涡流。在大电流作用下,支架的导磁性会对电缆周围的磁场产生不可忽视的影响,进而对电缆本体的运行产生影响,导致电缆本体温度升高[1]。长期电缆
运行经验表明,普通钢支架涡流损耗不能忽略,且钢制支架长期发热对电缆外护套的寿命也有一定的影响[2,3]。由于电阻率的存在,金属支架上产生的涡流会产生损耗,该损耗以热量的形式散发出去。支架上热量难以散发,这使金属支架的温度较高[4]。目前电缆支架材料主要分为导磁材质(钢制)与不导磁材质(复合材料与不锈钢等),根据国标规定,电缆支架除支持作电流大于1500A的交流系统单芯电缆外,宜选用钢制[5]。技术经济综合较优时,可选用铝合金制电缆桥架。根据国家电网的指导意见,电缆支架材料以普通钢材为主;分相布置的单芯电缆,电缆支架应采用非铁磁性材料[6]。
根据电力行业标准《城市电力电缆线路设计技术》规定:单芯电缆用的夹具,不得形成磁闭合回路,与电缆接触面应无毛刺,即使用非磁性铝合金夹具隔断磁环路,减少因单芯电缆而引起的涡流和磁滞损耗而导致电缆局部发热[7]。
不锈钢材料价格高,工程投资大。一组不锈钢支架价格超过普通钢支架5000元左右,全部使用不锈钢支架的电缆线路造价往往达到普通钢支架电缆线路的4倍。目前发展策划部门要求降低工程造价,但支架是否采用非铁磁性材料,各方仍存在异议。按规程要求:电缆支架支持工作电流小于1500A的交流系统单芯电缆(大截面电缆)宜采用钢制。
这与运行检修部门提出的“分相布置的单芯电缆,电缆支架应采用非铁磁性材料”明显矛盾。因此,在电缆设计时,存在规程依据不明确、标准要求相对粗放的实际情况。据此,江苏省电力设计院提出设计考虑的电缆工作电流是正常时的负荷电流,不要考虑最大电流(N-1情况)。其次工作电流大于1000A时采用非铁磁性材料;工作电流小于1000
A时采用绝缘材料将电缆抱箍与支架隔离,但该解决方法仍然缺乏可靠的理论与计算依据。关于支架材质选择时的具体标准与现有规程的理论支撑,目前仍很缺乏。
针对该问题,本文主要研究电缆支架处110kV及以上电缆运行的电磁场、流体场与温度场分布情况,重点研究不同材质电缆支架对不同排列方式电缆的耦合场的影响程度。采用二维电磁场-流体场-温度场多物理场耦合有限元计算方法,建立含支架电缆电磁场、流体场、温度场耦合仿真计算模型,计算不同电缆支架材质、载流量、排列方式下电缆及支架的温度,并进行实验验证。结论中,基于现有电力电缆上规程标准,根据所建立模型给出电缆支架材质选择的标准与依据。
1电缆计算数学模型
1.1二维涡流场的数学模型
考虑本文研究的是电缆不同载流量情况下电缆支架的温升分析,并且电缆的磁场沿轴向分布基


2计算数学模型
2.1电缆仿真模型220kV变电站电缆隧道介绍本文计算模型采用江苏省电力公司南徐220kV变电站电缆,该变电站位于镇江市市区,采用全户内设计,其电缆排列方式为水平排列,电缆隧道支架采用钢材料,电缆夹具为铝合金,图2为南徐220kV变电站电缆隧道。
图2南徐220kV变电站电缆隧道

2.2仿真模型
考虑到阻水带、阻水带、铝塑带、沥青等对磁场及温度场的影响不大,因此,为简化计算,可以不考虑,计算模型如图3所示。图3电缆剖面示意图

对于电缆模型的参数及材料属性分别如表1
和表2所示。







2.4不同载流量对电缆温度运行影响
电缆温度计算时,温度变化主要由电流损耗转化的热能引起,因此需要计及不同的载流量对电缆及其电缆支架的影响。因为电缆电流产生的磁场主要对导磁材料产生影响,所以仿真时电缆支架材料取40号钢。图7为不同载流量时电缆及电缆支架温度场的模拟图。可以看到,电缆温度大小与载流量的大小正相关。同时,支架部分温度高于周围空气温度。
2.5对电缆温度运行影响因素的综合性分析电缆支架根据电压等级、应用场合以及建造预算,会采用不同的材料,其中主要包括:钢材、不锈钢及复合材料等。随着支架材料的不同,其对电缆温度的影响也不尽相同。因此,在2000A载流量的条件下,通过有限元法分析不同电缆支架材料对电缆温度的影响。
图8为采用不同电缆支架材料时,电缆及其周边温度场示意图。可以看到,与不锈钢以及复合材料相比,采用铁磁材料作为支架材料时,电缆与电缆支架接近的地方存在温度积聚的情况,最高可接近70℃。由于铁磁材料支架存在较高的磁导率,当电缆通电后,交变电流产生的感应磁场导
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致支架中涡流的产生。同时,支架磁场反作用于电缆磁场,使电缆与支架靠近处的磁通密度增大。
两者同时作用,使得该处温度高于远离支架处的温度。
电缆芯温度对应不同材料与载流量如表3所示。电缆支架温度对应不同材料与载流量如表4所示。


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的“电缆支架材料以普通钢材为主”相吻合。
(2)电缆运行时,其载流量直接影响电缆周围磁场分布,进而导致电缆及支架的温度的变化。一般来说,温度变化与电流大小成正相关,对于本文中分析的220kV电缆,当电流为2250A时,电缆温度接近国标设计规范[5]所允许最高的90℃。
(3)当支架采用钢材、不锈钢、复合材料时,对支架本身的温度有一定的影响,并且随着载流量增加,影响逐渐增大,采用钢材支架时,支架部分存在较高的温升。
3结语
本文从电缆支架材料选择的角度对电缆运行进行研究,采用电磁-流体-温度间接耦合法建立含支架电缆仿真计算模型,计算不同电缆支架材质、载流量下电缆及支架的温度,得出不同材质的电缆支架因涡流导致引起的电缆支架温升不会危及人及设备的安全,是否选用非磁性材质支架应从涡流引起的损耗与经济性入手,综合考虑。

本文标签:环流监测技术文章

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