Page 58 - 电力与能源2024年第二期

198 朱长东，等：电力电缆温升特性研究及载流量计算

随着城市建设以及电力系统的发展，电力电 得校正后的电缆未知参数值。将求解得到的电缆
缆正在逐步取代架空输电线路，成为城市电能传 未知参数值重新代入有限元温度场模型中，更新
输的核心电力设备之一。电力电缆载流量计算 初始条件，调整电力电缆边界条件，迭代求解不同
是在给定电缆导体长期发热最高允许温度的情 环境条件下的电力电缆载流量。
况下求解其所能容纳的负载电流 ［1］ 。电缆导体

温度不仅受电流大小的控制，还受外界环境变化
的影响。
目前，电缆温度场分析和载流量计算的方法
主要包括：基于 IEC 60287 标准下的解析法 ［2-3］ 、数
值分析法 ［4-5］ 、试验法和在线监测法。解析法通过

分析电缆结构和传热过程，建立电缆的集总参数
热路模型，可准确计算电缆温升。基于 IEC 60287
标准计算的方法虽然得到的结果较为准确，但引
入了大量的非线性方程，导致计算效率低，而且对
［6］
分层方法和参数计算要求较高 。数值分析法包
括有限元法、有限差分法、边界元法等。与解析法
相比，数值分析方法具有广泛的应用性、能够模拟

实际工况以及能够处理多物理场耦合等优点。试
验法主要用于验证基于解析法或数值法构建的载
流量和温度场模型的正确性，以及验证相关的热
图 1 电力电缆载流量计算原理
阻参数 ［7-8］ 。在线监测法通常涉及在电缆内部安
装温度感应光纤来监测温度变化，但这种方式可 2 电力电缆有限元模型的建立

能会破坏电缆的结构。
2.1 电力电缆敷设模型的建立
本文采用数值分析法中的有限元法进行电缆
本 文 选 用 的 电 缆 型 号 为 35 kV/YJV1×
温度场计算，综合考虑外界环境条件的影响，进而
70 mm ，忽略电缆材料在轴向的差异，经过合理简
2
确定电缆载流量。
化后得到径向二维温度场计算模型，以提高计算
1 电力电缆载流量的计算原理 效率且计算结果有效 。模型分为 6 层，从内到外
［9］
依次为导体、内半导体层、绝缘层、外半导体层、金
电力电缆载流量的计算原理如图 1 所示。对
属屏蔽层和外护套。
于特定类型的电缆，首先根据其初始条件（未知参
2.2 温度场控制方程
数用近似值或经验值替代）建立电缆的有限元温
电缆传热方式主要是电缆内部的热传导以及
度场模型。通过这个模型，可以仿真得到电缆温
电缆与周围空气间的热对流，电缆工作时最高温
度场中某些位置不同时刻的计算值 T e=T e （x，y，
度可达 90 ℃，热辐射影响很小。
t），测 量 电 缆 相 同 位 置 相 同 时 刻 对 应 的 温 度 值
温度场分析控制方程如下：
T m=T m （x，y，t）。为方便测量，可以将计算点选在
∂ T ∂ T φ
2
2
电缆表面。可以预见，使用初始值计算得到的温 ∂x 2 + ∂y 2 + λ = 0 （1）
度 T e 与实际测量的温度 T m 之间可能存在较大的 ∂T ∂ T ∂ T
2
2
ρc = λ + λ + φ （2）
差异。为了减小这些差异，使得模型具有较高的 ∂t ∂x 2 ∂y 2
精确度，本文采用最优化算法来优化模型，从而获 式 中 T—— 温 度 ，℃ ；c—— 材 料 的 恒 压 热 容 ，