高压电力电缆多物理场数值分析与载流量计算

作     者：王京 

作者单位：浙江大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨仕友

授予年度：2023年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：高压电力电缆 多物理耦合场 载流量 强制通风 低频输电 

摘      要：在国家双碳战略目标驱动下,我国陆地、海上风电等新能源将进入大规模开发和应用阶段。其中高压电力电缆是陆地及海上风电等输电系统的核心电力装备。另一方面,随着城网建设输电容量需求的高速增长,地下敷设电缆逐渐取代架空线路。故随着我国经济社会的快速发展和“双碳目标的大力推进,现代城市建设和新能源送出对高压电力电缆的应用提出了更为广泛而迫切的需求。电力电缆载流量指线芯导体工作温度不超过电缆绝缘耐热寿命容许最高温度值时所能承载的最大工作电流。当前,电力电缆的电压等级和输送容量持续稳步提升,电力电缆运行条件日趋复杂多变,敷设环境愈发极端恶劣,给现代电力电缆的载流量精确计算带来了诸多新的挑战。主要表现在:复杂工况下电缆载流量利用效率不足。现有载流量计算一般基于二维的近似模型,难以满足现代电力电缆载流量的精确分析与精益设计的需求,更不能实现电缆的低冗余动态运行。因此,准确计算不同敷设方式高压电力电缆的载流量,同时研究并对比分析高压电力电缆载流量提升问题,有助于进一步保障高压电力电缆在工程运行中的安全性及经济性,具有重要的理论研究意义和工程应用价值。为此,针对复杂敷设方式(包括电缆沟、排管、顶管隧道、电缆舱等)和复杂敷设条件(包括单回、多回、集群等)下高可靠性电力电缆设计中的多物理场分析及载流量精确计算需求,基于磁-热-流多物理耦合场理论和新型数值计算方法,本文建立了可适用于不同复杂敷设、运行工况下的电力电缆载流量计算理论以及电缆载流量提升方法。具体研究内容和成果如下:首先,基于多物理耦合场的数值计算理论和计算方法,提出了高压电力电缆磁-热-流多物理非线性耦合场计算模型和计算方法,以及载流量数值迭代计算方法。基于工程分析和设计需求,仿真计算了电缆沟、排管及顶管隧道敷设方式下高压电力电缆多物理场数值分布规律、损耗特性及载流量;研究了线芯导体截面积、集群敷设回路数及环境温度等因素对载流量的影响规律。研究结果表明,电缆沟敷设方式的载流能力最高,排管次之,顶管隧道最小;当高压电力电缆集群敷设时,环境温度越低、导体截面越大、土壤导热系数越大,电缆载流能力越高。其次,研究了计及强制通风及长距离轴向传热影响下的电缆舱高压电力电缆载流量计算方法。建立了电缆舱敷设方式下高压电力电缆三维长距离多物理耦合场数值分析模型;结合工程运行工况,仿真计算了长距离电缆舱轴向温度场及流场分布规律;计算并分析了强制通风下不同因素对温度分布及载流量的定量影响规律。研究结果表明,强制通风是工程提升载流量的有效措施,风速越大,风温越低,载流量提升效果越显著。最后,研究了高压电力电缆载流量提升技术。综合分析了载流量提升方法,进一步建立了高压海底电缆低频输电多物理耦合场数值分析模型及载流量计算方法。计算、分析了不同型号高压海底电缆在低频输电方式下电缆的损耗特性及载流能力。计算结果表明,柔性低频输电技术可提升电缆热稳极限,电缆截面积越大,载流量提升效果越显著;降低频率可减少电缆总损耗:环流引起的护套及铠装层损耗平均分别降了14.85%、6.34%。因此,柔性低频输电可降低输电损耗,提升电缆载流能力。