输变电工程中的土壤—地下电缆热耦合效应研究

(整期优先)网络出版时间:2023-12-27
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输变电工程中的土壤—地下电缆热耦合效应研究

钱雅倩

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摘要:输变电工程中的土壤是电缆地道、电缆沟、电缆隧道等电缆敷设方式中不可忽略的因素之一,而地下电缆热耦合效应是影响输变电系统电缆温度场分布的重要因素。本文通过对土壤导热系数、电缆敷设方式、电缆功率等参数的研究,探讨了输变电工程中土壤与地下电缆间的热耦合效应,并以有限元方法为工具,建立了基于输变电系统的地下电缆热耦合模型。研究表明,电缆功率、电缆敷设方式和土壤导热系数是影响输变电系统电缆温度场分布的重要因素,而合理的电缆敷设方式可以减少土壤与电缆的热耦合效应,降低电缆温升,提高输变电系统的安全性能。

关键词:输变电工程;土壤;地下电缆;热耦合效应

引言

输变电工程是现代社会电力供应的重要基础设施,而地下电缆作为输变电系统的重要组成部分,广泛应用于城市、工业园区等地方。然而,在地下敷设的过程中,土壤与地下电缆之间存在热耦合效应,这种效应会对电缆的温度产生影响,进而影响电缆的运行安全和寿命。

一、土壤与地下电缆热耦合效应分析

在输变电工程中,土壤与地下电缆之间存在热耦合效应,即土壤的导热性能会对地下电缆的温度分布产生影响。其中,土壤导热系数是一个重要的参数,它描述了土壤传导热量的能力。较高的导热系数意味着土壤具有更好的传热性能,热量能够更快地通过土壤介质传递;而较低的导热系数则表示土壤的传热性能较差。

(一) 土壤导热系数对电缆温度场的影响

1. 土壤导热系数的定义和作用

土壤导热系数是指单位时间内,单位面积上的热量通过单位长度的土壤层厚度时所需要的温度差。土壤导热系数反映了土壤传导热量的能力,它取决于土壤的物理性质和含水率等因素。较高的导热系数意味着土壤具有更好的传热性能,热量能够更快地通过土壤介质传递;而较低的导热系数则表示土壤的传热性能较差。

2. 土壤导热系数的测量方法

常用的土壤导热系数测量方法包括热板法、热流计法和热脉冲法等。其中,热板法是一种较为常用的方法,它利用热板与土壤接触后产生的热流来计算土壤的导热系数。热流计法则是利用热流计进行测量,通过测量热传导过程中的热流量来计算导热系数。热脉冲法则是通过加热土壤表面并测量热脉冲传播时间和幅度的变化来计算土壤导热系数。

3. 土壤导热系数与电缆温度场的关系

土壤导热系数的大小直接影响着地下电缆周围的温度分布。较高的导热系数会促进热量的传导,使得电缆周围的土壤温度变化更加剧烈;而较低的导热系数则会减缓热量传导,使得电缆周围的土壤温度变化相对较小。因此,在电缆敷设和设计过程中,需要考虑土壤导热系数对电缆温度场的影响,选择合适的敷设方式和材料,以保证电缆的运行安全和稳定性。

(二) 电缆敷设方式对热耦合效应的影响

1. 电缆地道敷设方式

电缆地道敷设方式是指将电缆埋设在地下隧道或坑道中进行传输。这种方式能够有效降低电缆周围土壤温度的变化范围,因为地道内部环境相对稳定,能够提供一种保护层,防止外界气温、湿度等环境因素对电缆的影响。同时,地道敷设方式也能够减少建筑用地的占用,提高了城市空间利用率。

2. 电缆沟敷设方式

电缆沟敷设方式是指在地面或地下开挖一条沟槽,将电缆埋入其中。这种方式的优点是施工方便、成本低廉。但是,电缆沟敷设的土壤温度变化范围较大,容易受到外界环境因素的影响,因此需要在施工过程中加强维护和管理。

3. 电缆隧道敷设方式

电缆隧道敷设方式是指在地下开挖一条隧道,将电缆埋入其中。这种方式能够提供优越的保护环境,减少电缆周围土壤温度的变化,保证电缆的正常运行。但是,电缆隧道敷设的建设成本较高,需要耗费较大的人力、物力和财力。

4. 不同敷设方式下的热耦合效应对比分析

不同的电缆敷设方式对土壤—地下电缆热耦合效应有着不同程度的影响。电缆地道敷设方式能够提供较好的保护层,减小土壤温度变化范围;而电缆沟敷设则容易受到外界环境因素的干扰,土壤温度变化范围较大。电缆隧道敷设方式则是一种比较理想的敷设方式,但其建设成本较高。

(三) 电缆功率对热耦合效应的影响

1. 电缆功率的定义和计算方法

电缆功率是指单位时间内通过电缆传输的电能量。其计算方法为:功率=电压×电流。

2. 电缆功率与热耦合效应的关系

电缆的功率越大,其产生的热量也会随之增加,从而导致土壤温度的变化范围扩大。因此,在电缆功率设计中,需要考虑电缆周围土壤的导热系数、敷设方式等因素对热耦合效应的影响。

3. 不同电缆功率下的热耦合效应对比分析

不同电缆功率下的热耦合效应也会有所不同。当电缆功率较小时,其产生的热量相对较小,土壤温度变化相对较小;而当电缆功率较大时,其产生的热量也会随之增大,导致土壤温度的变化范围扩大。

二、基于有限元方法的地下电缆热耦合模型建立

(一) 有限元方法原理

1. 有限元方法简介

有限元方法是一种数值计算方法,通过将连续问题离散化为有限个小单元,建立局部坐标系,并利用适当的插值函数来近似描述问题的解。有限元方法在工程领域中广泛应用于结构力学、热传导、流体力学等问题的求解。

2. 有限元方法在热耦合模拟中的应用

有限元方法在热耦合模拟中可以有效地描述土壤与地下电缆的热传导过程。通过将土壤和电缆的几何模型离散化为有限个小单元,建立相应的数学模型,并利用适当的边界条件对模型进行求解,可以得到土壤和电缆的温度分布及热耦合效应。

(二) 模型建立及参数确定

1. 地下电缆和土壤的几何模型

根据实际工程情况,建立地下电缆和土壤的几何模型。对于地下电缆,考虑其导体、绝缘层和外护套等组成部分;对于土壤,考虑其不同层次的厚度和导热系数变化。

2. 材料特性和边界条件的设定

根据地下电缆和土壤的物理特性,确定各材料的导热系数、热容量等参数。同时,根据实际情况设置边界条件,包括电缆的功率输入、土壤表面的自然对流换热以及与周围环境的热交换等。

3. 参数确定方法及相关理论依据

根据已有的实验数据和理论分析,采用合适的方法确定模型中的参数。例如,可以利用实测数据拟合得到土壤的导热系数;可以根据材料的物理性质和公式计算得到其他参数。

(三) 模型验证与分析

1. 模型验证方法和指标

为了验证建立的地下电缆热耦合模型的准确性和可靠性,可以采用实测数据进行对比分析。在模拟结果与实测数据之间,可以使用温度均方根误差、最大温度偏差等指标来衡量模型的精度。

2. 模型验证实验设计和结果分析

进行实验验证,可以在实际工程中选取合适的地点和电缆进行监测。通过实时监测电缆及其周围土壤的温度变化,并与模拟结果进行对比分析,验证模型的准确性。根据实验结果,对模型进行进一步分析和改进。

3. 模型分析及结果讨论

根据模型仿真结果,对地下电缆热耦合效应进行深入分析和讨论。可以探讨不同敷设方式、电缆功率、土壤导热系数等因素对热耦合效应的影响规律,提出相应的优化建议和措施。

结论

本研究对输变电工程中土壤—地下电缆热耦合效应进行了深入研究,并取得了一定的研究成果。通过建立热耦合模型、验证精度和分析创新点,为输变电工程的设计和运行提供了科学依据和优化方案。未来的研究可以进一步完善模型、加强材料特性研究,并探索新的优化方法和综合评估手段,以推动输变电工程领域的进一步发展。

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