基于有限元法的电缆支架涡流损耗分析
1984年创刊(双月刊)
ISSN 1009-3664      CN 42-1380/TN

基于有限元法的电缆支架涡流损耗分析
作者:王伟1,崔宇霆2,孙双倩1,田源1,肖琪慧1,陈东3,莫钧 日期:2018-08-30 

基于有限元法的电缆支架涡流损耗分析
王伟1,崔宇霆2,孙双倩1,田源1,肖琪慧1,陈东3,莫钧4
(1、国网湖南输电检修公司,湖南 衡阳,421000;2、国网广水市供电公司,湖北 广水,432700;3、国网竹溪县供电公司,湖北 竹溪,442300;4、南方电网有限责任公司红河供电局, 云南 红河,661100)
摘要:随着电力电缆负荷越来越大,电缆内的大电流所导致的电缆支架的涡流损耗已经严重影响到输电质量和电网安全运行。文中通过有限元软件ANSYS建立了电缆和支架的三维实体模型,得出了电缆支架和电缆的电流密度分布,对电缆的工程实际布置有一定的参考价值。
关键词:输电电缆;涡流损耗;有限元法
Eddy current loss analysis of cable support based on finite element method
WANG Wei,SUN Shuangqian,TIAN Yuan,ZHANG Liang
(1、State Grid Transmission Maintenance Company, Hengyang Hunan, 421000;2、State Grid Guangshui Power Supply Company, Guangshui Hubei,432700;3、State Grid Zhuxi Power Supply Company, Zhuxi Hubei; 4、China Southern Power Grid Honghe Power Supply Company,Yunnan Honghe,661100)
ABSTRACT: With the increasing of load of power cable, the eddy current loss of the cable support caused by the large current in the cable has seriously affected the transmission quality and the safe operation of the power grid. In this paper, the three-dimensional solid model of cable and support is established by the finite element software ANSYS, and the current density distribution of the cable support and cable is obtained, which has some reference value for the actual layout of the cable.
KEY WORDS: PD, electric cable, propagation characteristics

0引言
在电力系统中,电力电缆是重要的输电设备,在电缆大电流的作用下,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影响。因此,对钢制支架涡流损耗进行研究,有利于合理选择电缆布置方式和电缆支架材料、减少损耗、提高电缆运行水平。了解局放信号在电力电缆中的传播规律对于电力电缆缺陷检查具有重要意义。
1 模型建立
1.1三维模型建立
在综合管廊电缆隧道中,电缆支架上每层放置220kV电压等级的电缆,分别通以2600A交变电流,相位角相差120°。本文重点关注缆芯电流在支架上产生的涡流损耗和趋肤效应,故简化了电缆实际安装在电缆支架上的抱箍结构,悬于支架上方放置,且地下泥土的磁导率与空气近似,故将空间环境设置为10m×10m×10m的空气包。图1给出了在ANSYS中建立的三维模型图。

图1 电缆支架涡流损耗计算模型
进行电磁分析所需的物理参数列于表1。
表1 有限元分析材料属性
材料 磁导率 电阻率
空气 1 -
电缆线芯 1 1.75e-8
支架 200 2e-7
电缆屏蔽层 - 2.83e-7
XLPE绝缘 1 -
1.2 网格划分
根据研究对象调整网格划分的大小尺寸,保证剖分质量。对于规则模型可采用智能剖分命令处理;而对于一些精细的不规则模型可选择特定线、面进行等份划分或设定首尾步长比率划分。剖分结果如图2所示。
  
图2 电缆、支架及空气包剖分模型
2 边界条件施加
本文给空气包的六个面设置为无限远场。对于三层电缆线芯,每相施加2600A相角相互滞后120°交变相电流,频率为f=50Hz。具体的施加结果如图4所示。

图3 载荷施加
3 结果与讨论

图4 电缆和支架的磁通密度分布云图

图5 电缆和支架的电流密度分布云图

图6 电缆支架的电流密度分布云图
如图4、图5所示,第二层电缆缆芯的电流密度约为第一、三层电缆缆芯的两倍,这是因为三根电缆加载的是相位角相互滞后120°的交变电流,幅值要用ANSYS显示的幅值的绝对值大小乘以±cos120°,。
如图6所示,电流分布在电缆支架表面,支架中心部分电流密度最小,而越靠近电缆的支架横担中心的电流密度最大。结果使导体的电阻增加,使它的损耗功率也增加,故涡流损耗的最大值出现支架横担最靠近电缆部分,为92.36W。
参考文献
[1] 黄涛,文珊,王庭华,范逸斐,王颖,万鹭.不同材质电缆支架对电缆运行适用性研究[J].电力工程技术,2017,36(02):104-109.

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