XLPE电缆磁热耦合分析

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3.0 赵德峰 2024-11-19 4 4 2.44MB 61 页 15积分

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摘要

大量非线性工业负载在矿井配电网中的高度渗透使电力谐波对电缆的影响不可忽

略。谐波会使电缆产生额外的功率损耗，继而引起温升，影响电缆的正常工作。矿用

XLPE 电缆作为矿井配电系统的重要组成，探讨谐波对其容量和稳态温度的影响对矿井

安全运行具有重要意义。

第一章绪论介绍了课题的研究意义、电缆的发展历史、国内外研究现状和 ANSYS

软件简介。

第二章介绍了电力电缆的历史、结构、分类、XLPE 电缆的优势以及谐波理论、产

生原因和危害。

第三章通过分析谐波引发的附加功率损耗，建立了谐波对矿用高压 XLPE 电缆容

量和稳态温度影响的评估方法。定义额定容量降低因子，定量描述谐波引发的额外损

耗导致的电缆载流量降低，并修订鉴幅式电流保护动作值。根据单芯电缆温升计算式，

给出了兼顾谐波电流的三芯电缆温升解析式，进行稳态温升预测。

第四章具体介绍了 ANSYS 软件，主要是 ANSYS 在电磁场、温度场和耦合场的应

用，并对电磁场和温度场的理论知识做了说明。

第五章用 ANSYS 软件做了单芯电缆和三芯电缆的仿真，利用 ANSYS 有限元仿真

软件，建立磁热耦合迭代模型来确认理论模型，并对电缆温升和载流能力进行仿真计

算，得出单芯电缆和三芯电缆在无谐波环境下和谐波环境下的温度分布图，并将结果

和理论值进行对比分析。算例结果表明该研究为谐波环境下电缆的设计、选型、监测

和保护提供有效决策依据。

第六章总结所做的工作，提出还存在的不足和问题，并对课题做展望。

关键词：矿用 XLPE 电缆谐波温升功率损耗磁热耦合

ABSTRACT

With the high penetration of the non-linear industry loads into the mine distribution

systems, the harmonic influence on the cable must be taken into account. The harmonic will

increase additional power loss and thus causing the temperature rise and affecting the normal

operation of power cable. Mining XLPE power cable is an important part of mining

distribution system, so it’s important to discuss the influence of harmonic to its capability

and stable temperature.

The first chapter introduces the importance of this topic, the history of the cable,

research status and ANSYS software description.

The second chapter describes the history, structure, classification of power cable and the

advantage of XLPE cable as well as harmonic theory, causes and hazards.

In the third chapter, based on the additional power loss caused by the harmonic current,

an assessment method for capacity and steady temperature of the mining high-voltage XLPE

cable including harmonics is established. The equivalent transmission capacity is defined to

quantify the capacity reduction in the presence of harmonics, and the value to trigger the

current protection is reset. The procedure to calculate the steady temperature of the

three-core cable involving the harmonics is put forward by extending the single-core cable

model to handle such problems.

The fourth chapter describes the ANSYS software in detail. It mainly introduces the

application of electromagnetic field, temperature field and coupling field as well as the

electromagnetic field and temperature field theories.

In the fifth chapter, the simulation of single-core cable and three-core cable has been

done. An XLPE cable thermal-electromagnetic coupling model due to the power loss’s

dependence on the temperature is built by the ANSYS finite-element analysis software. The

model is adopted to test the validity of the analytic procedures, and simultaneously simulate

the temperature and capacity of mining XLPE cable. The temperature distribution picture of

single-core cable and three-core cable under harmonic environment and non-harmonic

environment has been received and the result has been compared to the theoretical result.

The test shows that the proposed methods are efficient in the cable design, lectotype,

monitoring and protection under non-harmonic environment.

The sixth chapter describes the conclusion, summaries of the work which has been done,

and points out shortcomings and problems which still exist, and outlooks the subject.

Key Word: mining XLPE cable, harmonic, temperature rise, power loss,

magnetic-thermal coupling

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论............................................................................................................1

1.1 课题研究的背景意义....................................................................................1

1.2 电缆的发展历史............................................................................................1

1.3 国内外研究现状............................................................................................2

1.4 ANSYS 软件简介.............................................................................................2

1.5 本文研究的主要内容和主要工作................................................................3

第二章电力电缆与谐波理论..................................................................................4

2.1 电力电缆........................................................................................................4

2.1.1 简介........................................................................................................4

2.1.2 基本结构................................................................................................4

2.1.3 分类........................................................................................................4

2.1.4 优点........................................................................................................5

2.1.5 XLPE 电缆...............................................................................................5

2.2 谐波理论........................................................................................................6

2.2.1 简介........................................................................................................6

2.2.2 谐波产生原因........................................................................................8

2.2.3 谐波危害及抑制....................................................................................9

2.3 本章小节......................................................................................................11

第三章谐波环境下导体功率损耗、温升及等效传输容量................................12

3.1 谐波环境下导体功率损耗..........................................................................12

3.1.1 电阻损耗..............................................................................................12

3.1.2 集肤效应与邻近效应..........................................................................15

3.1.3 介质损耗..............................................................................................17

3.2 谐波环境下导体温升..................................................................................18

3.2.1 热阻计算..............................................................................................18

3.2.2 单芯电缆和三芯电缆热阻计算区别..................................................19

3.2.3 温升计算..............................................................................................19

3.3 谐波环境下导体等效传输容量..................................................................20

3.4 本章小结......................................................................................................21

第四章 ANSYS 仿真.................................................................................................22

4.1 ANSYS 简介...................................................................................................22

4.1.1 有限元法概述......................................................................................22

4.1.2 ANSYS 概述...........................................................................................22

4.1.3 ANSYS 典型分析过程...........................................................................23

4.2 电磁场有限元数学模型..............................................................................25

4.2.1 电磁场理论..........................................................................................25

4.2.2 电磁场边界条件..................................................................................26

4.2.3 ANSYS 电磁场分析...............................................................................27

4.3 温度场有限元数学模型..............................................................................27

4.3.1 传热学理论...........................................................................................27

4.3.2 温度场边界条件..................................................................................28

4.3.3 ANSYS 温度场分析...............................................................................28

4.4 ANSYS 耦合场分析.......................................................................................29

4.4.1 耦合场分析定义..................................................................................29

4.4.2 耦合场分析类型..................................................................................29

4.4.3 ANSYS 磁热耦合分析...........................................................................30

4.5 本章小结......................................................................................................30

第五章 XLPE 电缆模型算例分析.........................................................................32

5.1 电缆类型及结构..........................................................................................32

5.2 ANSYS 具体操作流程...................................................................................33

5.2.1 单芯电缆的仿真..................................................................................33

5.2.2 三芯电缆的仿真..................................................................................47

5.3 结果分析......................................................................................................52

5.3.1 非谐波环境下工作的电缆..................................................................52

5.3.2 集肤效应和邻近效应..........................................................................53

5.3.3 谐波环境下工作的电缆......................................................................55

5.4 本章小结......................................................................................................56

第六章总结与展望................................................................................................57

6.1 工作总结......................................................................................................57

6.2 存在的不足与展望......................................................................................57

参考文献..................................................................................................................59

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果......................................62

致谢..........................................................................................................................63

第一章绪论

1.1 课题研究的背景意义

为推进电力行业节能减排指标落实，实现运输设备重载软启动，以电力电子器

件为主控单元的变频调速装置在矿井配电网中高度渗透，导致输电线路(电缆)谐

波含量显著增加[1]。谐波会使电缆产生额外的功率损耗，继而引起温升，影响电缆

的正常工作。经实地测量，山西某矿井 10kV 段的 3次谐波电流含量占基波的

30-60%。谐波已成为影响供电可靠性的主要因素[2]，其引发的电机损耗增加和性

能减低[3-4]、电缆终端热点温升[1]等已引起关注。矿用 XLPE 电缆作为矿井配电系

统的重要组成，探讨谐波对其容量和稳态温度的影响对矿井安全运行具有重要意

义。

目前矿井电缆过载保护的有效值通常是滤除高次谐波后的基波数据；或者是

保留的有限次谐波有效值平方之和的平方根。然而，随着谐波的高浸透率，电缆

导体受集肤效应和邻近效应影响，导体交流电阻(rac(n))在不同频率下差异日趋明显

[5-7]，这意味着电缆的实际传输容量需要重新评估才能确保保护动作的实时性和准

确性，电缆在谐波环境下的集肤效应和邻近效应同样引起关注。

导体温度是电缆健康管理的首要参数[8-13]，其稳态温度预测是电缆故障预警的

关键所在。电缆线芯温度计算方法归纳起来分两大类：一类是基于国际电工委员

会IEC 60287 标准的解析法[8-9]；另一类是包括有限容积法[10]、有限差分法[11]、有

限元法[12-14]等的数值法。数值法能模拟实际工况，适合复杂工况下电缆温度的计

算。现有方法为电缆集群、通风电缆沟及考虑轴向传热的电缆温度计算做了深入

研究，但均未考虑或定量分析谐波对温度的影响。谐波电流使电缆产生附加功率

损耗，电缆导体交流电阻在谐波的高频作用下增加[5-7]、产生额外温升并降低电缆

的载流能力[6,15-17]，交流电阻的温度正相关性进一步加剧这种不利结果[18]。因此，

必须定量分析大量谐波共存对电缆温度的影响。

1.2 电缆的发展历史

电缆的发展已经经历了 100 多年的时间，可谓历史悠久。美国的 T.A.爱迪生

首先在 1879 年开创了地下输电线路。随后英国成为电缆发展最快的国家，在 1880

年，英国人卡伦德发明了沥青浸渍纸绝缘电力电缆；1889 年，英国人 S.Z.费兰梯

敷设了 10 千伏油浸纸绝缘单相电缆；1908 年，20 千伏电缆网又在英国建成。继

英国之后，德国和瑞典也在电缆发展史中有自己的一席之地。1911 年，60 千伏高

上海理工大学硕士学位论文

压电缆在德国敷设；1913 年，德国人 M.霍希施泰特研制成分相屏蔽电缆；而 1952

年，瑞典敷设了 380 千伏超高压电缆。

我国的电力电缆发展相对较晚。我国电力电缆的发展是从 20 世纪 30 年代才

开始的。截止至 1949 年，我国电缆行业仍然很弱，无法和世界强国比较，但是改

革开放后，我国电缆行业得到了飞速的发展，据国际线缆制造商联盟(ICF)在2006

年公布的数据得知，我国线缆产品生产总量占全球总量高达 14%，仅次于美国，

位居世界第二，足以引起我们自豪。

1.3 国内外研究现状

目前国内外对电力谐波对电缆的影响均有不同程度的研究，但是相比国外而

言，我国对这方面的研究相对较少而且不够深入，国外则早在几十年前就对谐波

对电缆的影响有研究成果。

目前国内外众多学者对这个问题的研究已经有所建树，文献[19]探讨了总谐波

畸变率 THD%与电缆功率损耗、温升和预期使用寿命的关系，发现 5次谐波对电

缆温升影响最大，电缆和其他电器设备受温升影响很大，电缆在 THD%为15%时

寿命会减少；文献[20]用有限元法讨论了集肤效应及邻近效应对电缆的影响，重点

研究了邻近效应并且发现其对电缆的影响不容忽视；文献[21]用数学模型评估了谐

波对 XLPE 电缆温升和使用寿命的影响，并用 MATLAB 进行了仿真，验证了谐波

的增加会增加功率损耗并导致温升和减短寿命；文献[22]讨论了谐波对电缆电阻、

电感和电容的影响，提到了谐波对地下电缆的影响远远大于其对架空电线的影响；

文献[23]给出了电缆交直流电阻比与频率和电缆截面积的关系，导体功率损耗会随

频率和面积的增大而增加；文献[24]重点讨论了在三相四线制系统中谐波对中性线

的影响，三相对称平衡情况下中性线电流最大为相电流的 1.73 倍，探讨了三相（不）

对称（不）平衡这 4种情况下中性线电流与相电流的关系、负载不对称时对中性

线的影响以及供电电压有谐波时对中性线电流的影响，最后得出结论：不对称到

10°或不平衡度 10%以内对中线的 rms 值影响不大，不平衡负载加大中线电流，

供电电压中有谐波对中线 rms 值有很大影响；文献[25]为为数不多的几篇国内文献

之一，它对高次谐波引起的电力电缆电阻损耗、线路介质损耗和三相四线制电缆

线路损耗有一定研究。

1.4 ANSYS 软件简介

本文选用 ANSYS 软件作为仿真软件。ANSYS 通用有限元分析软件是世界著

名的有限元软件之一。它可用于分析流场、电场、磁场、温度场、力场、声场等，

第一章绪论

可谓功能强大。它由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国 ANSYS 公司开

发，并且能与多数 CAD 软件接口从而实现数据的共享和交换。ANSYS 软件主要

包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块主要是预

处理，包括建模、选取单元、划分网格等步骤；分析计算模块主要是软件自身对

已得到的数据的处理；后处理模块主要是对结果的处理，可以根据不同需求查看

不同的结果分析。

ANSYS 软件功能强大，它和其他相似软件比较有如下优点：

（1）能够实现耦合分析，包括本文中涉及的磁热耦合分析；

（2）用户开发环境良好，界面一目了然，利于操作；

（3）菜单操作和编程操作融为一体，这两种操作能满足不同人群；

（4）能实现前、后处理和求解的一体化；

（5）含有多种求解器，能满足不同计算课题的求解。

1.5 本文研究的主要内容和主要工作

本文首先介绍了电力电缆和谐波的概念，然后理论上分析了在谐波环境下电

缆的导体功率损耗和温升情况，接着介绍了 ANSYS 软件的一般操作步骤和应用，

最后用 ANSYS 软件仿真了单芯电缆和三芯电缆在谐波环境下的情况，并将得到的

结果和理论值相比较并做了分析。各章节内容如下：

第一章绪论介绍了课题的研究意义、电缆的发展历史、国内外研究现状和

ANSYS 软件简介。

第二章介绍了电力电缆的历史、结构、分类、优点、XLPE 电缆的优势以及谐

波理论、产生原因和危害。

第三章通过分析谐波引发的附加功率损耗，建立了谐波对矿用高压 XLPE 电

缆容量和稳态温度影响的评估方法。根据单芯电缆温升计算式，给出了兼顾谐波

电流的三芯电缆温升解析式，进行稳态温升预测。

第四章具体介绍了 ANSYS 软件，主要是 ANSYS 处理电磁场、温度场和耦合

场的应用，并对电磁场和温度场的理论知识做了说明。

第五章用 ANSYS 软件做了单芯电缆和三芯电缆的仿真，利用 ANSYS 有限元

仿真软件，建立磁热耦合迭代模型来确认理论模型，并对电缆温升和载流能力进

行仿真计算，得出单芯电缆和三芯电缆在无谐波环境下和谐波环境下的温度分布

图，并将结果和理论值进行对比分析。算例结果表明该研究为谐波环境下电缆的

设计、选型、监测和保护提供有效决策依据。

第六章总结自己所做的工作，提出还存在的不足和问题，并对这个课题做展望。

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摘要：

摘要大量非线性工业负载在矿井配电网中的高度渗透使电力谐波对电缆的影响不可忽略。谐波会使电缆产生额外的功率损耗，继而引起温升，影响电缆的正常工作。矿用XLPE电缆作为矿井配电系统的重要组成，探讨谐波对其容量和稳态温度的影响对矿井安全运行具有重要意义。第一章绪论介绍了课题的研究意义、电缆的发展历史、国内外研究现状和ANSYS软件简介。第二章介绍了电力电缆的历史、结构、分类、XLPE电缆的优势以及谐波理论、产生原因和危害。第三章通过分析谐波引发的附加功率损耗，建立了谐波对矿用高压XLPE电缆容量和稳态温度影响的评估方法。定义额定容量降低因子，定量描述谐波引发的额外损耗导致的电缆载流量降低，并修订鉴幅...

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