±500_kV高压直流XL...缆温度分布及其影响因素研究_吴晶晶.pdf

500 kV高压直流XLPE电缆温度分布及其影响因素研究吴晶晶1，陈丽安1，严有祥2，赵鹏3，4（1.厦门理工学院，福建 厦门361024；2.国网福建省电力有限公司厦门供电公司，福建 厦门361006；3.中国电力科学研究院，武汉430074；4.电网环境保护国家重点实验室，武汉430074）摘要：温度分布是直流电缆运维检修的重要参数之一。由于高压直流输电起步较晚，高压直流电缆的研究不如交流电缆丰富、深入，因此对其温度分布影响因素的研究具有重要意义。通过Comsol有限元软件建立二维对称模型，计算500 kV高压直流XLPE电缆稳态运行时的温度分布，求出适合电缆长期运行的载流量，并从载流量和环境温度两方面研究温度分布变化。仿真结果表明：载流量对温度分布变化具有较大的影响，当环境温度高于15 时，导体温度约束载流量大小，环境温度低于15 时，绝缘层最大允许温差约束载流量大小。最后通过实验验证了仿真的正确性。关键词：高压直流电缆；温度分布；有限元仿真；载流量Study on Temperature Distribution of 500 kV HVDC XLPE Cable and ItsInfluencing FactorsWU Jingjing1，CHEN Li an1，YAN Youxiang2，ZHAO Peng3，4（1.Xiamen University of Technology，Fujian Xiamen 361021，China；2.State Grid Xiamen Electric Power Supply Company，FujianXiamen 361006，China；3.China Electric Power Research Institute，Wuhan 430074，China；4.State Key Laboratory of Power GridEnvironmental Protection，Wuhan 430074，China）Abstract:Temperature distribution is one of the important parameters of DC cable in operation and maintenance.Due to the late start of HVDC transmission，the research on HVDC cable is not as rich and deep as that on AC cable.It is therefore of great significance to study the influencing factors of the temperature distribution.The twodimensional symmetric model is set up by Comsol finite element simulation to calculate the temperature distribution of 500 kVHVDC XLPE cable in steady state operation,find out ampacity which is suitable for long term operation of cable andstudy the temperature variation from the aspects of current ampacity and ambient temperature.The simulation resultsshow that the ampacity has a great influence on the temperature distribution.When ambient temperature is higherthan 15，the conductor temperature restricts the ampacity magnitude.While,when the ambient temperature is lower than 15，the maximum allowable temperature difference of the insulation layer restricts the ampacity magnitude.Finally，the correctness of the simulation is verified through experiment.Key words:HVDC cable；temperature distribution；finite element simulation；ampacity0引言由于直流输电技术在大型新能源发电场并网、各大电力系统互联以及海岛供电等方面具有很大优势，使得直流输电技术得到了长足的发展1-3。近年来电力电子技术不断提升，这为直流输电的可靠性和安全性提供了保障。高压直流XLPE电缆具有大容量输电、低损耗、输送距离长等优点，是直流输电技术的重要组成部分4-6。温度分布则是高压直流电缆运维的重要因素，其导体温度和载流量的选第59卷第2期：011301192023年2月16日High Voltage ApparatusVol.59，No.2：01130119Feb.16，2023DOI:10.13296/j.10011609.hva.2023.02.015_收稿日期：20220511；修回日期：202207192023年2月第59卷第2期择息息相关，载流量则是直流电缆传输能力的重要指标7-10。因此研究高压直流电缆的温度分布具有重要意义11。文12采用解析法通过对导体最高温度和绝缘层最大允许温差的限制来计算载流量，虽然准确度较高但是计算量较大；文13通过有限元仿真研究高压直流电缆的温度分布和载流量的关系，提高了计算速度但是边界条件设置得较为单一；文14研究了多种敷设环境下高压直流电缆的温度分布，得出相同情况下隧道敷设电缆散热效果最好，但缺乏载流量计算的研究。文中以武汉电科院500 kV高压直流XLPE电缆为例，利用Comsol有限元仿真软件建立二维模型计算该电缆的稳态温度分布。在此基础上，研究不同载流量和不同环境温度下对导体温度和绝缘层温差的影响。1有限元仿真1.1 控制方程高压直流电缆的温度场仿真是以传热模块为基础建立的。传热过程包括热传递、热对流和热辐射，但是直流电缆的运行温度(导体温度)一般为70 通常敷设于地下，通过热辐射散发的热量较小，所以在直流电缆的温度场仿真中一般考虑热对流和热传导两种传热方式15。因此，文中涉及的传热模块控制方程包括热传导和热对流，见式(1)CpTt+CpuT+(-kT)=Q(1)式(1)中：第3项是对流项，负号表示温度升高的方向和热量传递方向相反；为材料密度，kg/m3；Cp为恒压热容，J/(kgk)；k为导热系数，W/(mk)；T为温度，K；u为速度场，m/s；t为时间，s；Q为热源，即导体单位体积发热功率，W/m3。1.2 仿真模型500 kV高压直流XLPE电缆的尺寸和材料参数见表1。其中，纵向阻水缓冲层的材料从内置材料库里添加，使用Comsol默认值；其余材料属性参数从文16中选取，模型见图1。在利用Comsol有限元软件进行直流电缆温度场仿真时，需要将导体设置成热源，热源的发热量由电流密度和铜的电导率相乘得出17：Qc=J2(2)J=ILA(3)表1500 kV高压直流XLPE电缆尺寸及材料参数Table 1Dimension and material parameters of 500 kVHVDC XLPE cable结构导体内屏蔽层绝缘层外屏蔽层阻水层铅套外护套外径/mm32.034.564.566.070.075.480.1密度/(kgm-3)8 700.00930.001 270.00930.001.2911 300.00950.00传热系数/W(m K)-1400.000 00.290 00.230 50.290 00.120 030.000 00.160 0图1高压直流XLPE电缆二维模型Fig.12 D model of HVDC XLPE cable式(2)、(3)中：Qc为线芯导体产生的热量，W/m3；J为电流密度，A/m2；为铜的电导率，S/m；IL为所加载电流，A；A为线芯导体横截面积，m2。1.3 边界条件设定在传热原理中，边界条件常分为3类：第1类边界条件是固定了边界的温度；第2类边界条件是固定了边界的热流密度；第3类边界条件是固定了边界及其周围流体的传热系数和流体温度18。假设直流电缆是敷设在空气中，电缆外护套和空气产生了热对流。因此，选择第3类边界条件更符合实际情况。Comsol采用牛顿冷却公式计算对流热通量，见式(4)15q0=h(Text-t)(4)式(4)中：q0为垂直于外护套的热流密度，W/m2；h为表面传热系数，W/(m2K)；Text为外界环境温度，K；t为Comsol计算的外护套温度，K。表面传热系数的经验公式见式(5)-(7)19：h=cd(GrPr)n(5)Gr=gd3(Text-t)v2(6)114=1273.15+Tm(7)式(5)-(7)中：c 和 n 为描述空气流动状态的系数；是空气的传热系数，W/(m K)；d为换热面的特征长度，mm；Gr为格拉晓夫数；Pr为普朗特数；g为重力加速度，m/s2；为体积膨胀系数；v为空气的运动粘度，m2/s；Tm为边界的平均温度，。其中，、Pr、v为空气的相应属性，可根据文20查表可得；d、c、n与热边界面的形状、放置位置和空气流态相关，根据文19查表可得。2仿真结果2.1 载流量求解直流电缆的长期运行温度与其绝缘材料的性能有很大关系。当电缆运行时导体的温度小于70，直流电缆绝缘材料的电导率变化不大；当导体温度大于70 时，绝缘材料的电导率就急剧增大21。因此为了延长直流电缆的使用寿命，减少运维成本，导体温度需维持在70 以内。仿真设定环境温度为30，通过给定电流值I0求解直流电缆稳态下温度分布。以导体温度是否满足70 为条件，若满足则I0为该电缆长期运行时的电流值；若不满足，则改变I0值，通过不断迭代直至导体温度达到70。通过上述迭代计算出，当电流I0=2 780 A时导体温度为70，仿真结果见图2。图2高压直流XLPE电缆稳态时温度分布云图Fig.2Temperature distribution cloud map of HVDCXLPE cable in steady state2.2 影响因素分析在加载2 780 A电流时，不同外界温度下的绝缘层温度分布见图3。从图3可以看出，绝缘层的温度由内向外递减从而在径向方向上形成温度梯度。但随着外界环境温度的不断增加，绝缘层温度分布曲线呈平移的状态，温度变化速率基本不变。在外界环境温度设定为30 时，不同载流量下温度分布见图4。随着加载电流上升，绝缘层温度递减的速率变化较大。因此可以得知温度梯度变化较大的原因主要是载流量变化引起的，外界温度对其产生的影响较小。图3环境温度不同时的绝缘层温度分布图Fig.3Temperature distribution of insulation layer图4载流不同时的绝缘层温度分布Fig.4Temperature distribution of insulating layer atdifferent ambient temperatures with different currents环境温度和载流量同时影响着导体温度与绝缘层温差，相互间的影响程度见图5、6，两幅图的X、Y轴均为环境温度和载流，Z轴分别为绝缘层温差和导体温度。在图5中，当环境温度保持不变时，随着载流量的增加，绝缘层温差大幅上升；当载流量保持不变时，随着环境温度的增加，绝缘层温差也有些许上升，但变化不大。所以，相对