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[摘 要]高压电力电缆作为电能输送的重要部分，随着城镇化的快速推进，土地资源日趋紧缺，高压电力电缆得到了更为广泛的应用和关注，本文通过ANSYS有限元热效应建模计算分析，结合依托工程实际短路电流水平，通过温升效应分析，对高压电力电缆进行优化选择。
[关键词]高压电缆、电缆敷设、电缆排管、热稳定效应、电缆选型
中图分类号：TM2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）18-0100-01
0概述
随着城市化的快速发展，土地资源日趋紧缺，电能输送方式从地上转入地下也是形势所迫，为提高电力电缆的利用率，最终达到节能减排效应，本工程通过天津110kV本中一、二回线路改造工程为实体，利用ANSYS软件进行有限元建模计算分析，结合依托工程接入系统短路电流水平，通过电缆温升效应校验，选择出最优的电力电缆。
1 电缆温度场分析与选型方案
电力电缆的数值计算方法主要包括：有限元法、有限差分法、边界元法、有限容积法等。根据具体的应用环境和要求采用合适的方法可以使得计算更加简单、准确。本工程采用有限元的数值计算方法对电力电缆进行温度分析和方案设计。
1.1 依托工程相关参数
经核算，各条线路正常方式及N-1情况的短路情况下的电流载荷及其作用时间如表1所示。这一数据将是仿真分析时的载荷来源依据。
根据电缆材料选择，初选电缆为110kV交联聚乙烯绝缘皱纹铝套高密度聚乙烯护套纵向阻水电力电缆，具体电缆的截面积由载流量计算核定。
1.2 电缆温度分布基本规律研究及电缆截面确定
为优化设计电缆载流量，通过加载电磁场分析得到的热源分布，总体来说，中间部分的电缆温度高于两端电缆的温度，下层电缆的温度高于上层电缆的温度。
造成这一分布规律的原因是：中间部分的电缆散热条件较两端电缆差，同时上层电缆离地面更近，其热量更容易通过地面的热对流而被带走。所以电缆温度最高点出现在中间下层的电缆附近，最高温度为106.8℃。
显然，106.8℃的高温超过了400mm2的电缆实际能承受的温度范围，为此，通过增大截面对分析温度分布的影响，在保证载荷和排管完全不变的情况下，630mm2和800mm2电缆的最高温度分别为72.9℃和61.4℃，这一结果表明增大导体截面可有效降低温度，同时截面越大时温度分布更为均匀，在极端情况下630mm2能满足电缆温升条件，故本项目选取630mm2截面电缆。
1.3 实际载荷时电缆温度分布与电缆选择方案
为了探索电缆温度分布的基本规律，采用的是等截面等间距等载荷量分析模型，所有载荷均按照569A最恶劣情况加载。显然，这与实际并不相符，实际运行过程中，务本-五经路（2T）回路电流正常运行时为457A，N-1情况下为569A；其他四回线路载荷一致，正常和N-1情况分别为228A和341A；另外有一回为预留回路，无电流流过。基于上节分析结果，结合工程实际，将右下角回路设置为务本-五经路（2T）回路，将上层中间设置为预留回路。分别采用400mm2电缆和630mm2电缆做对比分析，其中务本-五经路（2T）回路电缆载荷取569A，其他四回路电缆载荷取341A。
因为不存在电流载荷，温度明显低于其他回路；对于务本-五经路（2T）回路，因为其电流载荷更大，故这一区域的温度更高，最高温度亦出现在这一回路电缆附近；400mm2电缆最高温度75.7℃，630mm2电缆最高温度53.9℃。显然，虽然400mm2电缆温度更高，但其能满足载荷温升要求，从经济性角度出发，本项目初步选择400mm2电缆。
1.4 采用不同截面电缆时电缆温度分布与电缆最终方案
本章节在上一章节的基础上，选择采用不同截面电缆的方案，具体方案为：务本-五经路（2T）回路采用630mm2电缆，其他四回采用400mm2电缆，其中本中二回的五经路-中和-双港段也采用400mm2电缆。图2.5-1为这一情况下的电缆温度分布云图。结果表明，当采用400mm2和630mm2组合电缆时，务本-五经路（2T）回路的电缆最高温度下降至55.6℃，而其他回路的最高温度为51.0℃。可见，通过组合式电缆可使得整体温度变得更加均匀，提高整体电缆回路的运行寿命。因此，本项目选择400mm2和630mm2组合电缆作为最终方案。
1.5 短路电流情况下温升校验
前述分析当中，所有载荷均按照稳定载荷计算，温度分布亦是达到稳定时的情况，本节将针对短路电流情况下进行分析，校验这一情况下的温度分布是否合理。分析中，采用电磁稳态与温度暂态耦合分析，温度暂态时，又将其分为三个时间段进行加载：短路前、短路时、短路后。
短路前电缆正常运行，其温度分布与前述稳态分布基本一致。短路时电缆故障，加载电流为短路电流，按最严重的情况加载，即中河—五经路回路短路，短路电流为12.46kA，持续时间为0.65s；电缆最高温度有所增加，但增加的幅度并不明显，仅在2℃左右。短路后恢复正常供电时，电流载荷又变成正常载荷，但因短路电流导致的热量仍然存在，故此时的温度有所增加，但最终将回到正常温度。
为了进一步阐明这一过程中的变化趋势，选取温度最高点的电缆位置作出其温度随时间变化的历程图。首先加载正常电流时，温度逐步上升并达到较为稳定的温度；突然加载短路电流时，温度有一个阶跃，急剧上升大约5℃；随后短路结束之后恢复正常供电时，温度又重新回到短路前的值。结果表明，短路虽然会导致电缆温度升高，但仍处于电缆能够承受的范围之内，设计合理。
2 结论
基于前述分析基础，初步选定电缆型号为YJLW03-64/110kV系列电缆，采用ANSYS软件，建立不同截面的YJLW03-64/110kV电缆温升模型，得到电缆温度分布的基本规律。在这一基本规律基础上，同时考虑多回电缆的全寿命周期配合，最终确定了400mm2和630mm2组合电缆的最终方案。最后，校验了这一方案的短路电流温升情况，验证了这一设计选型的合理性。
参考文献
1）《电力工程电缆设计规范》（GB 50217-2007）
2）《城市电力电缆线路设计技术规定》（DL/T5221-2005）
3）《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》（GB/T50064-2014）
作者简介
苟明，1986年出生，本科学历，2009年参加工作，目前三峡大学电气工程硕士在读，助理工程师，在宜昌电力勘测设计院有限公司从事输电线路设计相关工作。
[关键词]高压电缆、电缆敷设、电缆排管、热稳定效应、电缆选型
中图分类号：TM2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）18-0100-01
0概述
随着城市化的快速发展，土地资源日趋紧缺，电能输送方式从地上转入地下也是形势所迫，为提高电力电缆的利用率，最终达到节能减排效应，本工程通过天津110kV本中一、二回线路改造工程为实体，利用ANSYS软件进行有限元建模计算分析，结合依托工程接入系统短路电流水平，通过电缆温升效应校验，选择出最优的电力电缆。
1 电缆温度场分析与选型方案
电力电缆的数值计算方法主要包括：有限元法、有限差分法、边界元法、有限容积法等。根据具体的应用环境和要求采用合适的方法可以使得计算更加简单、准确。本工程采用有限元的数值计算方法对电力电缆进行温度分析和方案设计。
1.1 依托工程相关参数
经核算，各条线路正常方式及N-1情况的短路情况下的电流载荷及其作用时间如表1所示。这一数据将是仿真分析时的载荷来源依据。
根据电缆材料选择，初选电缆为110kV交联聚乙烯绝缘皱纹铝套高密度聚乙烯护套纵向阻水电力电缆，具体电缆的截面积由载流量计算核定。
1.2 电缆温度分布基本规律研究及电缆截面确定
为优化设计电缆载流量，通过加载电磁场分析得到的热源分布，总体来说，中间部分的电缆温度高于两端电缆的温度，下层电缆的温度高于上层电缆的温度。
造成这一分布规律的原因是：中间部分的电缆散热条件较两端电缆差，同时上层电缆离地面更近，其热量更容易通过地面的热对流而被带走。所以电缆温度最高点出现在中间下层的电缆附近，最高温度为106.8℃。
显然，106.8℃的高温超过了400mm2的电缆实际能承受的温度范围，为此，通过增大截面对分析温度分布的影响，在保证载荷和排管完全不变的情况下，630mm2和800mm2电缆的最高温度分别为72.9℃和61.4℃，这一结果表明增大导体截面可有效降低温度，同时截面越大时温度分布更为均匀，在极端情况下630mm2能满足电缆温升条件，故本项目选取630mm2截面电缆。
1.3 实际载荷时电缆温度分布与电缆选择方案
为了探索电缆温度分布的基本规律，采用的是等截面等间距等载荷量分析模型，所有载荷均按照569A最恶劣情况加载。显然，这与实际并不相符，实际运行过程中，务本-五经路（2T）回路电流正常运行时为457A，N-1情况下为569A；其他四回线路载荷一致，正常和N-1情况分别为228A和341A；另外有一回为预留回路，无电流流过。基于上节分析结果，结合工程实际，将右下角回路设置为务本-五经路（2T）回路，将上层中间设置为预留回路。分别采用400mm2电缆和630mm2电缆做对比分析，其中务本-五经路（2T）回路电缆载荷取569A，其他四回路电缆载荷取341A。
因为不存在电流载荷，温度明显低于其他回路；对于务本-五经路（2T）回路，因为其电流载荷更大，故这一区域的温度更高，最高温度亦出现在这一回路电缆附近；400mm2电缆最高温度75.7℃，630mm2电缆最高温度53.9℃。显然，虽然400mm2电缆温度更高，但其能满足载荷温升要求，从经济性角度出发，本项目初步选择400mm2电缆。
1.4 采用不同截面电缆时电缆温度分布与电缆最终方案
本章节在上一章节的基础上，选择采用不同截面电缆的方案，具体方案为：务本-五经路（2T）回路采用630mm2电缆，其他四回采用400mm2电缆，其中本中二回的五经路-中和-双港段也采用400mm2电缆。图2.5-1为这一情况下的电缆温度分布云图。结果表明，当采用400mm2和630mm2组合电缆时，务本-五经路（2T）回路的电缆最高温度下降至55.6℃，而其他回路的最高温度为51.0℃。可见，通过组合式电缆可使得整体温度变得更加均匀，提高整体电缆回路的运行寿命。因此，本项目选择400mm2和630mm2组合电缆作为最终方案。
1.5 短路电流情况下温升校验
前述分析当中，所有载荷均按照稳定载荷计算，温度分布亦是达到稳定时的情况，本节将针对短路电流情况下进行分析，校验这一情况下的温度分布是否合理。分析中，采用电磁稳态与温度暂态耦合分析，温度暂态时，又将其分为三个时间段进行加载：短路前、短路时、短路后。
短路前电缆正常运行，其温度分布与前述稳态分布基本一致。短路时电缆故障，加载电流为短路电流，按最严重的情况加载，即中河—五经路回路短路，短路电流为12.46kA，持续时间为0.65s；电缆最高温度有所增加，但增加的幅度并不明显，仅在2℃左右。短路后恢复正常供电时，电流载荷又变成正常载荷，但因短路电流导致的热量仍然存在，故此时的温度有所增加，但最终将回到正常温度。
为了进一步阐明这一过程中的变化趋势，选取温度最高点的电缆位置作出其温度随时间变化的历程图。首先加载正常电流时，温度逐步上升并达到较为稳定的温度；突然加载短路电流时，温度有一个阶跃，急剧上升大约5℃；随后短路结束之后恢复正常供电时，温度又重新回到短路前的值。结果表明，短路虽然会导致电缆温度升高，但仍处于电缆能够承受的范围之内，设计合理。
2 结论
基于前述分析基础，初步选定电缆型号为YJLW03-64/110kV系列电缆，采用ANSYS软件，建立不同截面的YJLW03-64/110kV电缆温升模型，得到电缆温度分布的基本规律。在这一基本规律基础上，同时考虑多回电缆的全寿命周期配合，最终确定了400mm2和630mm2组合电缆的最终方案。最后，校验了这一方案的短路电流温升情况，验证了这一设计选型的合理性。
参考文献
1）《电力工程电缆设计规范》（GB 50217-2007）
2）《城市电力电缆线路设计技术规定》（DL/T5221-2005）
3）《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》（GB/T50064-2014）
作者简介
苟明，1986年出生，本科学历，2009年参加工作，目前三峡大学电气工程硕士在读，助理工程师，在宜昌电力勘测设计院有限公司从事输电线路设计相关工作。