13662449970 姚先生
一、研讨布景
近年来，交联聚乙烯(XLPE)绝缘直流电缆在根据电压源换流技能的输电系中已得到较充沛的使用，为无源电网并网、远海风电场开发及城市杆塔入地等电力建造供给了高效、牢靠的技能和配备支撑，已在多个范畴表现出逐渐代替高压沟通及根据电流源技能的传统直流输电方法趋势。国内外针对 XLPE 绝缘高压直流电缆的研讨要点会集在绝缘材料改性、空间电荷特性、电导率特性、副产物品种及影响、加工工艺研讨等，已取得了较为丰厚的效果和使用，在实践工程使用中除了直流电缆功能需满意体系特性要求外，不同敷设工况下直流电缆载流量的核算和导体截面规划也需求要点重视，将直接影响工程的合理性和经济性，现在行业界暂无公认的规范核算方法。
二、要点内容
本文以两种不同金属屏蔽方法的高压直流电缆为例，比照热剖析法和有限元仿真两种理论核算方法下的载流量成果，并规划直流载流实验对两种电缆样品进行载流量测验。
现阶段高压电缆的载流量核算方法首要是在明晰电缆导体答应的最大工作温度后，结合电缆自身及外部运转条件，并计及各种损耗带来的温升，经过核算电缆在载流发热时的热流失进程来迭代反推电缆所能到达的最大电流载荷，高压直流输电不存在交变电场，因而沟通电阻损耗、介质损耗、磁滞损耗等在理论核算中可疏忽不计，本文在核算直流电缆载流量时仅考虑电缆本体及运转环境热效应的影响，结合沟通电缆载流量核算公式，推导出单根直流电缆的载流量公式如下：
式（1）
式中：I为直流电缆长时间答应载流量，A；c为导体最高答应运转温度，℃；0为环境介质温度，℃；R’为导体最高答应运转温度下直流电阻，Ω/m；T为电缆运转时悉数热阻之和，℃·m/w。
为了明晰阐明直流电缆运转时的热传导进程，以皱纹铝套方法直流电缆的热路图阐明电缆载流时的散热进程，首要经过图3阐明皱纹铝套电缆结构方法。
图3 ±525kV皱纹铝套直流电缆轴向剖面图
如图3所示，皱纹铝套结构电缆加工进程中，铝板需求完结曲折成型、焊接、轧纹等一系列接连进程，终究铝套出现具有显着波峰和波谷的螺旋状结构，波谷揉捏嵌入至电缆内层的半导电缓冲带中，波峰与半导电缓冲带之间存在空气隙。因而可得到皱纹铝套结构直流电缆的热路图见图4，热路图含义见表1。
图4 ±525 kV XLPE绝缘皱纹铝套直流电缆热路图
表1 热路图参数阐明表
为了简化核算进程，本文疏忽金属材料热阻不计。核算进程中将T1、T2、T3和T4兼并计为绝缘层热阻T1’，现有规范算法无法独自核算电缆中空气隙发生热阻T6，因而本部分中疏忽空气隙热阻的影响。铜丝屏蔽方法直流电缆的热阻核算选用相同处理方法，则式（1）可换算为式（2）。
式（）
终究得到热剖析法载流量核算成果见表2。
表2 热剖析法载流量核算成果
作为比照，树立±525kV皱纹铝套直流电缆和铜丝屏蔽直流电缆的网格模型图，在设定的鸿沟条件下，经过不断迭代皱纹铝套结构及铜丝屏蔽结构直流电缆的导体载流值，以导体温度为70℃时两种电缆别离对应的导体载流值作为在该条件下的载流量，得到成果见表3。
表3 根据有限元仿真的载流量核算成果
为了明晰理论核算成果状况，树立如图5的实验回路进行载流量测验。直流电缆载流量测验凭借大容量直流电流发生器完结，合作实时温度监测设备对电缆进行通流下发热状况测验，终究以使电缆导体加热并稳定在70℃时的电流数据作为该条件下的电缆载流量。
图5 ±525kV 直流电缆载流量实验回路
实验回路中热电偶安置状况见表4，测验成果见表5。
表4 热电偶安置状况
表5 导体测温点为70 ℃时实验回路的负载电流
比照热剖析法和有限元仿真载流量核算成果以及实验数据，皱纹铝套和铜丝屏蔽两种电缆在热剖析法下的核算载流量最小，且成果附近。在IEC相关规范的引荐核算方法中，空气中载流量仅与电缆本体热阻及环境介质热阻有关，核算电缆自身热阻时无法叠加核算电缆内部存在的空气热阻，也无法考虑不同金属屏蔽结构带来的散热影响。本文中两种直流电缆具有相同的绝缘结构和外护套结构，电缆本体热阻附近，外部空气热阻核算方法如式（3）所示：
式（3）
式中：T4为外部空气热阻；De为电缆外径；π、h为常数；(Δθs)1/4为初值为2的迭代常数。
由式（3）可知，外部空气热阻仅与电缆外径有关，经核算本文中皱纹铝套结构与铜丝屏蔽结构的电缆外径导致的空气外部热阻误差仅为11.1%。T4在电缆载流量核算中对载流量的影响有限，结合式（2）中其他部分热阻的归纳影响，导致终究两种结构电缆载流量核算成果无显着误差，缺乏1%。
相比之下，有限元仿真核算方法具有辨认电缆内部结构的热传导才能之外，还能够模仿周围环境与电缆之间的热辐射效果，得到的核算成果更挨近于实验成果。可是有限元仿真核算对建模方法和模型差异反响灵敏，电缆结构内部实践存在的空气形成了建模困难。本文中树立的皱纹铝套电缆模型在以全体电缆外径不变的基础上，疏忽了空气隙和铝套的皱纹结构，对铜丝屏蔽电缆结构模型选用了以圆环代替梳绕铜丝的方法，与实在结构存在差异。核算进程中电缆选取的外表传热系数与实践实验环境内温控体系形成的实践空气对流状况不同，因而有限元仿真核算的成果仍与实验成果存在较显着差异。
三、首要结论及研讨展望
跟着国内海优势电“平价上网”方针的推广，对国内海优势电产业链配备的经济性均提出了很高的要求，未来作为深远海海优势电并网的最首要计划之一，在满意工程运送容量的基础上合理核算高压直流海缆载流量，完成导体截面最优化规划对未来的工程建造含义严重。以下是本文得出的首要研讨总结：
1）相同外部条件下，根据热剖析法核算得到的铜丝屏蔽结构电缆载流量为 2 842 A， 比照有限元仿真成果和实验成果别离偏小 7.5%和 15.8%；根据热剖析法核算得到的皱纹铝套结构电缆载流量为 2836 A，比照有限元仿真成果和实验成果别离偏小5.3%和 8.6%。在本文的设定条件下，有限元仿真方法关于核算直流电缆载流量的成果精确性优于热剖析法。
2）热剖析法核算成果附近的首要原因在于仅考虑了电缆内部热阻与外部环境热阻对热传导的影响，无法考量不同电缆结构内部空气对热传导的效果。此外，热剖析法无法点评外部空气的不同对流状况下热辐射对载流量的奉献，形成核算成果显着偏小。
3）有限元仿真核算在考虑电缆内部热传导的基础上，可统筹外部空气对流发生的热辐射，载流量数值更为挨近实验值，但精确的载流量核算成果需求根据精确的电缆外表传热系数。
4）在工程规划的前期核算进程中，多物理场耦合下有限元仿真的成果更具参考性，未来可考虑针对性优化现有软件中的热场剖析模块，以期得到更优的核算成果。
