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一种提高排管敷设电缆载流量的方法

一种提高排管敷设电缆载流量的方法
摘要：对比分析了有限元分析计算方式与传统标准规定的计算方式在电缆载流量计算结果的差别，利用有限元分析的方法分析了在排管中预埋水管对电缆载流量提升的效果。

引言：电缆载流量的选择是关系到电网安全可靠运行的最重要参数之一，也是体现电缆价值关键参数。电缆的载流能力与其敷设环境的散热情况密切相关，电缆在其敷设的全长度范围散热情况友好有坏，而电缆的载流量必须由散热情况最差决定才能确保电缆的安全运行。因此散热条件恶劣的区段成了限制电缆载流量的瓶颈，如能提高瓶颈处的散热条件，则电缆载流量就能提高，从而充分发挥其经济价值，具有重大的实际意义。

1理论原理
多层排管敷设是最常见的载流量瓶颈之一，无锡电力公司与上海三原电缆附件有限公司做了一系列的试验定量的分析了多种排管敷设情况下的电缆载流量下降情况[1]，从理论上分析，多层排管敷设导致电缆载流量下降主要是由于排管内电缆相互加热，导致每个单根电缆的外部热阻急剧增加。
公式（1）给出了结构相同、负荷相等的由q根电缆组成的电缆组的第p根电缆的外部热阻计算方法。 [2]
(1)
共有(q-1)项, 项除外
其中dpk 和dpk′分别为第p根电缆的中心至第k根电缆中心距离和第p根电缆的中心至第k根电缆在大地 ── 空气的镜象中心距离（见图1）。[2]

图1 第q根电缆群及以地面为对称的镜像图

若能采取管道强制通风等措施，及时带走电缆的热量，防止电缆相互加热，显然能够有效提高电缆的载流量。本文介绍一种在排管间预埋水管，从而有效阻止电缆相互加热，进而提高电缆载流量的方法。该方法的有效性是明显的，但其有效层度到底如何必有可靠的试验和理论计算支持。鉴于试验条件所限，本文仅利用有限元的方法进行分析。

2电缆载流量计算与有限元分析
计算过程，环境温度选为30℃，排管外混凝土与土壤热阻统一按1.0K.m/W计算。电缆结果见表1，排管参数见表2，电缆载流量计算是个比较繁琐的过程，本文仅利用我们编写的软件进行计算，详细计算过程不再赘述。计算所用电缆为21/35kV单芯400mm² 电缆。
表1 电缆结构表
电缆结构（21/35kV 1×400mm² ）
导体截面/mm²
导体直径/mm
导体屏蔽/mm
绝缘厚度/mm
绝缘屏蔽/mm
铜带厚度/mm
外护套厚度/mm
20℃导体直流电阻Ω/km
400
23.8
0.6
9.3
0.8
0.1
2.5
0.047

表2 排管参数
敷设深度（最顶一层）/mm
700
排管直径/mm
150
排管间距/mm
200
排管材料
PVC

通过软件计算，并把软件计算结果作为有限元分析的输入，同时将软件计算结果与前人试验结果进行对比。对比结果见表3 。有限元分析热场云图见图2（a～d）
表3 电缆载流量计算与有限元模拟
敷设方式
电缆载流量/A
载流量下降/%
试验值/%[1]
有限元模拟最高导体温度/℃
单根
821
0%
——
90.3
1×4
659
20%
24%
91.7
3×4
474
42%
42%
92.7
4×4
400
51%
——
92.1

（a）单根电缆情况模拟 （b）1×4敷设情况模拟

（c）3×4敷设情况模拟 （d）4×4敷设情况模拟
图2 电缆载流量模拟情况
从以上分析可以看出，通过有限元模拟的计算方式，其结果与通过IEC 60287标准规定的计算方式的计算结果较为接近，该计算方式是可靠的。甚至根据George J Anders等人的分析，数值方法通过整体热场的模拟，更加接近实际情况，据此得出的电缆载流量比 IEC 60287 更为可靠。[3]
本文选择对4×4电缆排管进行优化，在管道之间预埋好水管（以导热性能好的水管为优）。因其结构复杂，无法继续用IEC60287所规定的方法进行计算，利用计算机技术的有限元模拟提供了很好的解决途径。

图3 4×4电缆排管结构优化示意图
具体操作时，应将入水口选择在温度较高处（中心或中心靠下），出水口选择上层水管出口，更有利于利用水流带走电缆所发出的热量，同时可以通过调节水流量，调节优化效果。具体计算时，可根据电缆发热功率和水流速度（流量）预先估计好水流的温升，出于保守计算目的，将所有水管水温设为出水口水温。本文分析将所有水管边界设定为50℃。得出了以下分析结果

图4 保持400A电流负荷变情况的热场分布

从图4可以看出，预埋的水管有效的阻碍了电缆间的相互加热，中心电缆温度下降明显，最高电缆芯温度为63℃。为了定量分析电缆载流量的提高情况，分析进一步增加电流负荷至650A。计算分析结果见图5。

图5 电流负荷增加到650A时 排管电缆温度分布情况

从分析结果看，电流达到650A时，线芯温度为90.8℃，电缆载流量较优化前提高了62.5%，效果显著。而且在考虑水分迁移的情况下，优化前所有热量通过土壤传到地面，排管与地表间的温升较高，很可能超出了水分迁移的边界温度，导致电缆散热能力进一步变差，进一步限制电缆载流量。优化后部分热量可通过水流引出，降低了排管与地表的温升，有利于防止水分迁移的发生。
但必须说明的是，随着载流量的提高，其焦耳热也是以二次方的关系增长，即电缆总焦耳热增长为优化前的2.6倍，水流的温升必有相应的提高。同时水流的换热情况与管道材质，水流速度等都有很大关系，所以其实际载流量增长效果必须有更为严格的试验才能确定。

结论：
有限元分析的方法可以用于电缆载流量的计算，尤其是敷设条件复杂的情况下，有限元分析方法更具可操作性。
在电缆排管中预埋水管可以有效防止电缆间相互加热，显著改善电缆散热情况。

参考文献

[1] 陆景德,张书鸿,凌惠民,顾青,印永福. 排管敷设XLPE电缆稳定载流量试验研究[J]. 电力设备, 2008,8（9）:1-5
［2］　马国栋．电线电缆载流量（第二版）［Ｍ］．北京：中国电力出版社，2013．
[3] George J Anders. Rating of Electric Power Cables Ampacity Computations for Transmission, Distribution, and Industrial Applications[M]. IEEE Power Engineering Society, 1997.

第一作者：许燕，高级职称，从事电力行业特有工种职业技能鉴定管理多年，国网上海培训中心，上海市黄埔区重庆南路310号新电大厦M1层技能鉴定部，200025，fdjt1@，13052429497;
联系人：易华，助理工程师，从事上海市电缆接头工能力考评工作数年，国网上海培训中心，上海市黄埔区重庆南路310号新电大厦M1层技能鉴定部，200025，1033088074@，13818928596.
联系人：周宏，高级技师，从事部门项目管理专职，国网上海市电力公司检修公司，上海市闸北区共和新路2501号，200070，sd58zhou501@， 18017818672
联系入：王福生，工程师，从事电力电缆附件研发，上海三原电缆附件有限公司，上海市浦东新区桂桥路100号，201206，13564813336@ ,13564813336