36200字硕士毕业论文用多场耦合法计算电力电缆的载流量

论文类型：硕士毕业论文

论文字数：36200字

论点：电缆,电力电缆,敷设

论文概述：

本文是电力系统论文，有限元法可以处理复杂的边界条件，可以进行多场耦合计算，可以实现非线性场的计算，以此利用有限元法分析密集电力电缆群的电磁场和温度场。

论文正文：

第一章引言

1.1项目研究背景
高压输电主要有两种传输方式，电力电缆和架空线空线路。在大多数情况下，使用架空线/[线/k0线比电缆更便宜。然而，随着工业的发展和城市建设的需要，电缆的使用日益增多，因为电缆具有以下优点:(1)它们占地面积小空；(2)不受周围环境影响，输电可靠性高；(3)地下敷设安全可靠。地下电力电缆主要以四种方式敷设:直接埋土、管道敷设、沟槽和隧道。近几十年来，由于工业的发展和电力消耗的增加，地下输电系统中往往密集地塞满了电力电缆，这给准确计算电缆的载流量带来了更大的困难。如果载流量过大，当电力电缆长时间过载时，绝缘层会加速老化。绝缘介质严重损坏时，电力电缆会单相或相间短路，甚至引发火灾。准确估计实际电缆敷设的载流量可以提高电缆的使用寿命和效率，节约成本，保证其安全稳定运行。采用数值计算的有限元方法，建立电力电缆实际敷设模型，通过多场耦合计算电力电缆线路的载流量是解决这一问题的好方法。
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1.2国内外研究现状
目前，确定电力电缆载流能力的方法有三种:解析计算、数值计算和试验。分析计算主要基于IEC-60287和N-M理论，适用于简单电力系统和边界条件[1]。应用公式计算电缆的载流量，但在某些特殊敷设方式下，没有计算电缆载流量的依据。测试方法是根据实际敷设情况通过测试来确定电缆的载流量，但测试成本相对较高，不具有通用性。因此，有限元法与实验相结合的方法已广泛应用于[2号电力电缆线路温度场和载流量的计算。地下电缆的温度场和载流能力的计算是由肯尼迪在1893年提出的。尼赫和麦克格拉斯在20世纪50年代和60年代发展和完善了这一理论，[3-5]。目前，常用的电缆载流量计算方法是应用标准IEC-60287、IEC-60853和N-M理论。这些方法都是基于肯尼假设(地面等温表面、电力电缆表面等温表面、叠加原理的应用)，将三维电力电缆模型简化为二维热路径模型，然后计算温度场和载流量[6-8]。根据国际电工委员会标准，国内外研究人员编制了相应的载流量计算软件[9-11]。IEC-60287、IEC-60853和N-M的理论是以理论知识为基础，总结长期载流能力计算经验，得出系统载流能力计算方法。然而，由于电缆实际敷设中敷设方式和外部环境的多样性，该公式不能完全适用于解决这一问题。例如:(1)1)IEC-60287中给出的管道敷设、隧道敷设、沟槽敷设等电缆敷设方式下空气体层热阻的计算公式是基于大量实践经验，缺乏理论依据[12-13]。事实上,空气体层的温度场与三种传热模式耦合:电缆本体和土壤的传导传热,空气体区域的对流传热，以及管道内表面和电缆外表面的辐射传热。计算过程非常复杂，公式简单会导致计算精度低。(2)国际电工委员会标准提供了计算单回路电力电缆邻近效应和趋肤效应的公式。然而，随着密集排列的电力电缆组的广泛应用，电缆导体的趋肤效应和电缆回路之间的邻近效应将会增强，这将导致公式不能充分反映电缆之间的电磁耦合效应，并且具有局限性。(3)标准中的一些公式是根据经验总结出来的，有一定的限制条件。对于某些特殊情况，不能使用经验公式。综上所述，N-M理论、IEC-60287和IEC-60853都是基于一定的假设，采用解析计算的方法给出了相对简单的敷设布置对工程实践具有指导意义的载流能力。随着复杂条件下密集排列的电力电缆群的出现，电力电缆之间的电磁和热相互作用更加强烈。损耗和散热计算通常与各种因素有关，并有很大差异。因此，不能简单地根据标准给定方法进行分析。
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第二章稳态温度场计算模型

2.1土壤中直埋电力电缆温度场模型
以单芯电力电缆为例，建立了土壤中无回填敷设的单回路“工”字形布置温度场模型，如图2-1所示。以表面为分界线，表面上方空气体的温度为恒定温度。电力电缆产生的热量流过土壤后，通过地表对流换热消散到空气体中。直埋在土壤中的电力电缆温度场可视为以表面为分界线的半无限二维场。边界条件确定后，需要将无限开域场转化为有限闭域场，即需要确定温度场的三个边界，以确定温度场计算的有效面积，然后才能应用有限元方法计算温度场。深层土壤中的温度不会随地表的变化毫无困难地保持恒定值，即深层土壤中的温度不受电力电缆加热的影响，电力电缆下埋深的4倍可以作为土壤中直埋电力电缆温度场的第一边界条件。左侧和右侧远离电力电缆的土壤不受电力电缆发热的影响，直埋电力电缆温度场的第二边界条件，即正常温度梯度为0，分别取左侧和右侧电力电缆埋地距离的4倍。假设表面空气体的温度是恒定的，该表面可以作为第三边界条件。电力电缆产生的大部分热量穿过土壤，并通过与空气体的对流热交换消散到地表的空气体中。对流换热能力与表面温度和空气体温度之差、太阳辐射强度、表面是否有风等因素有关，从而影响散热能力，即电力电缆本身的温度。
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2.2管道、隧道和电缆沟中敷设电力电缆的温度场模型
管道、隧道和电缆沟空空气层一方面与电力电缆外壁接触，另一方面与周围土壤等传热介质接触。它是热量从电缆内部扩散到外部路径上的一层介质，不能被视为热容量无限的等温体。管道敷设、隧道敷设和电缆沟三种敷设方式下电力电缆的温度场耦合三种传热方式:电缆本体和土壤的传导传热、在空气体区域的对流传热、以及管道内表面和电缆外表面的辐射传热28]。有限元法是变分方法中有限差分法和里兹法的结合。应用于电力电缆载流量计算时，首先建立电缆敷设模型，并对模型进行划分。在划分过程中，可以根据不同的形状和边界调整划分单元的大小，并将边界中更复杂的单元分开。最后，进行单元的积分和求和。这种计算方法的优点是不限制分析对象的边界形状，可以计算具有复杂介质和边界条件的固定解问题。综上所述，有限差分法和边界元法对于复杂布置的电力电缆群和多芯电力电缆有很大的局限性。有鉴于此，国外对电力电缆载流量计算中电磁场与温度场的耦合进行了一定程度的研究。首先，通过综合各种影响因素对温度预测模型进行了改进，在一定程度上提高了[21-23的精度；其次，电磁场与温度场的耦合计算采用有限元法间接耦合实现，具有较高的精度。因此，有限元方法可以处理复杂的边界条件，可以进行多场耦合计算，可以实现非线性场的计算。因此，利用有限元方法分析密集电力电缆群的电磁场和温度场，进而计算载流能力是一种有效的方法。
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第三章三种典型敷设方式下电力电缆载流量的计算.......11
3.1管道铺设.......11
3.1.1电磁场模型的建立.......11
3.1.2温度场的计算.......13
3.2电力电缆组的布置.......17[/比尔/]3 . 2 . 1 ANSYS模拟精度的验证........17
3.2.2直列式三路电路.....19
3.2.3垂直直列三路电路.....22
3.3多回路三角形充油电缆....25
3.4本章摘要......30[/溴/]第4章特殊结构电力电缆损耗和载流量的计算...31
4.1波纹金属护套电缆...31
4.1.1电磁场模型...32
4.1.2计算结果...32
4.1.3温度场模型...35[/br/ ]4.2三芯电缆......36
4.2.1三芯钢带铠装电缆金属护套对铠装损耗因数的影响......36
4.2.2铠装对分相铅包电缆金属护套损耗因数的影响......38
4.3本章摘要......39

第4章特殊结构电力电缆损耗和载流量的计算

4.1皱纹金属护套电缆
标准通过用环形金属护套代替皱纹金属护套来计算带有皱纹金属护套的电力电缆的载流量。如图所示，这种方法不能完全反映电缆的真实结构。为此，建立了一个带有波纹金属护套的电力电缆的三维模型，计算了其载流能力，并与国际电工委员会用金属环代替波纹金属护套的标准方法进行了分析比较。以110KV1000mm2YJLW02交联聚乙烯电缆为例，波纹金属护套电缆和等效金属环电缆的相关结构参数见图4-1和表4-1。如图4-2所示，建立的电磁场模型电缆间距为0.2m，埋深为1.5m，长度为10节距(0.4m)。单个电路由三根电缆甲、乙、丙构成。三根电缆芯与频率为50Hz的三相交流电相连。零相位应用于中间电缆B相位。左电缆甲相比乙相超前120度，右电缆丙相比乙相滞后120度。
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结论

本文利用ANSYS建立了电缆线路的电磁场和温度场模型。分别模拟计算了成排布置、成排布置和垂直布置的三回路电缆线路的损耗和传输能力，以及成多回路三角形布置的充油电缆的载流量。通过仿真验证了国际电工委员会标准中未规定适用条件的几个公式的计算结果。得出如下结论:
(1)由于成排传热介质的热阻高于土壤，散热能力差，成排电缆的载流能力低于直接埋在土壤中的电缆。
(2)改变电力电缆组各回路的相位布置可以减少电缆损耗，减少线损，提高载流能力。
(3)回路的加入对三角形敷设下充油电缆的损耗影响不大，但热源的增加会降低散热效率，从而导致电缆载流量的显著降低。
(4)用国际电工委员会标准计算的波纹金属护套电缆的载流量与建立其实际结构模型的仿真结果相差很小，证明用国际电工委员会标准公式计算是可靠的。
(5)三芯钢带铠装电缆有无金属护套对铠装损耗因数影响不大。
(6)计算分相铅包铠装电缆金属护套损耗因数的IEC标准公式仅适用于磁性铠装电缆，非磁性铠装电缆不适用。
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参考资料(略)