Анализ влияния шага витков на электродинамику короткого замыкания силовых кабелей

1. Введение

В связи с ростом уровня напряжения передачи и пропускной способности силовых кабелей в последние годы в энергосистемах широко используются высоковольтные кабели большого сечения. В туннелях высоковольтные кабели большого сечения обычно прокладываются в виде змеевика, чтобы уменьшить тепловое расширение и сжатие кабелей и эффективно снизить вред, причиняемый механическим воздействием кабелей. Три фазы кабеля расположены горизонтально или по схеме. Между горизонтально проложенными кабелями существует определенный интервал фаз, способствующий отводу тепла; три фазы типовых кабелей расположены близко друг к другу, что способствует снижению наведенного напряжения на металлической оболочке. С увеличением количества кабельных петель, проложенных в туннелях, электромагнитные поля, генерируемые каждой фазой, влияют друг на друга, что усложняет электродинамический анализ кабеля. Общие неисправности короткого замыкания в кабельных системах включают трехфазное короткое замыкание, двухфазное короткое замыкание, двухфазное короткое замыкание на землю и однофазное короткое замыкание на землю. Последствия трехфазного короткого замыкания более серьезны, чем другие типы, а ток короткого замыкания может более чем в десять раз превышать нормальный рабочий ток. Проводник под напряжением находится в переменном электромагнитном поле и подвергается действию огромных электродинамических сил. Кабель будет вибрировать под действием переменных электродинамических сил. Если механическая прочность кабеля и его аксессуаров недостаточна, это может вызвать большие механические напряжения в теле кабеля, соединениях и зажимах, которые в тяжелых случаях могут разрушить всю линию передачи. Таким образом, точный анализ и расчет электродвижущей силы высоковольтных кабелей большого сечения могут обеспечить теоретическую основу для прокладки кабеля и проектирования оборудования во избежание отказов.

2. Создание кабельной модели.

Высоковольтные кабели большого сечения обычно прокладывают двумя способами: горизонтальным и типовым. Кабельный туннель может содержать несколько цепей, например двойные и тройные цепи. В данной работе в качестве объекта исследования принят кабель переменного тока напряжением 330 кВ со сшитой полиэтиленовой изоляцией типа ZC-YJLW02, показанный на рисунке 1. Номинальное сечение жилы кабеля составляет 2500 мм².

Электродвижущая сила короткого замыкания, получаемая кабелем во время работы, создается проводником в магнитном поле под действием тока короткого замыкания. Другие слоистые структуры кабеля мало влияют на численные результаты электродвижущей силы. Таким образом, экран проводника и изоляционный экран меньшей толщины объединяются в изоляционный слой из сшитого полиэтилена (XLPE) с аналогичными характеристиками. Наконец, создана модель электромагнитного конечного элемента кабеля с пятислойной структурой, которая представляет собой слой медного проводника, изоляционный слой из сшитого полиэтилена, барьерный слой для буферной воды, слой алюминиевой оболочки и слой внешней оболочки. В сочетании с фактической прокладкой участка высоковольтного кабеля большого сечения в туннеле в Сиане пролет кабеля установлен в 6 м, ось кабеля представляет собой вертикальную змеевидную конструкцию, расстояние от гребня до впадины составляет 0,26 м, а модель трехфазного горизонтального кабеля и типа установлена, как показано на рисунке 2. Параметры материала, используемые для электромагнитного расчета кабеля, показаны в таблице 1.

Когда ток короткого замыкания протекает через проводник, в пространстве генерируется электромагнитное поле. Учитывая затухание векторного магнитного потенциала в пространстве, вокруг кабеля устанавливаются достаточные расчетные области, чтобы обеспечить точность расчета электродвижущей силы короткого замыкания. Материал расчетной области – воздух, векторный магнитный потенциал на внешней границе расчетной области установлен равным 0 (первый тип граничного условия), а граница на стыке торца кабеля и расчетной области установлена ​​магнитная изоляция. Решение электродвижущей силы короткого замыкания представляет собой анализ переходных электромагнитных характеристик, время завершения решения установлено на 60 мс, то есть оно содержит 3 цикла, а размер шага составляет 0,4 мс. При переменном токе необходимо учитывать влияние скин-эффекта проводника на расчет электродвижущей силы. Чтобы обеспечить скорость и точность расчета, программное обеспечение адаптивного построения сетки и ручная настройка размера сетки объединяются для построения сетки кабеля с более плотными сетками, а расчетной области — с относительно редкими сетками, как показано на рисунке 3.

III. Заключение

В данной статье используется метод конечных элементов электромагнитной связи для создания электродинамической модели горизонтальных и типовой прокладки высоковольтных кабелей большого сечения, анализируется электромагнитное распределение и электродинамические характеристики короткого замыкания двух методов прокладки при трехфазном коротком замыкании, а также основное внимание уделяется влиянию расстояния между витками на электродинамику короткого замыкания двухцепных кабелей. Сделаны следующие выводы:

(i) После возникновения трехфазного короткого замыкания в радиальном пространственном измерении кабеля напряженность магнитного поля максимальна на поверхности проводника и постепенно затухает наружу. Во временном измерении магнитное поле колеблется и затухает, что отражается в виде повторяющейся седловидной поверхности на диаграмме пространства-времени; в осевом направлении кабеля напряженность магнитного поля остается неизменной. Электродинамика короткого замыкания кабеля периодически меняется со временем, причем период примерно кратен периоду промышленной частоты. Пиковое значение электродинамики короткого замыкания постепенно затухает с увеличением периода. Максимальные значения электродинамики короткого замыкания кабелей горизонтальной и типовой прокладки проявляются в фазе В и фазе А соответственно.

(II) В случае двухцепных горизонтально проложенных кабелей электродвижущая сила экспоненциально связана с расстоянием между цепями. По мере увеличения расстояния между цепями электродвижущая сила сначала резко падает, а затем стремится к стабилизации. Можно найти точку перегиба, которую можно использовать в качестве ориентира для компромиссного значения расстояния между цепями. Этот же метод можно использовать и для нахождения точки перегиба изменения электродвижущей силы и шага цепей кабелей двухцепной типовой прокладки. Для кабелей переменного тока с изоляцией из сшитого полиэтилена типа ZC-YJLW02 на напряжение 330 кВ, учитывая электродвижущую силу короткого замыкания и коэффициент использования туннеля, рекомендуется, чтобы горизонтальное расстояние между двумя цепями составляло не менее 800 мм, а двухцепная прокладка типа Расстояние должно быть не менее 600 мм.