一、引言

隨著近年來電力線纜的輸送電壓等級越來越高，輸電容量越來越大，高壓大截面電纜在電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。在隧道中，高壓大截面電纜一般采用蛇形敷設(shè)，以降低電纜熱脹冷縮量，有效緩解電纜的機械效應(yīng)帶來的危害。電纜三相之間采用水平或品型排列方式，水平敷設(shè)電纜之間有一定相間距，有利于熱量的散發(fā)；品型敷設(shè)電纜的三相緊靠在一起，有利于降低金屬護套上的感應(yīng)電壓。隨著隧道內(nèi)敷設(shè)的電纜回路數(shù)不斷增加，各相產(chǎn)生的電磁場彼此相互影響，使得電纜的電動力分析變得更為復(fù)雜。電纜系統(tǒng)中常見的短路故障有三相短路、兩相短路、兩相接地短路、單相接地短路。三相短路故障造成的后果比其他類型更為嚴重，短路電流可達正常工作電流的十倍以上。通電導(dǎo)體處在交變電磁場中，受到巨大的電動力，電纜將在交變電動力作用下產(chǎn)生振動。若電纜及附件的機械強度不足，可能會導(dǎo)致纜體、接頭以及夾具產(chǎn)生較大的機械應(yīng)力，嚴重時將摧毀整條輸電線路，因此準確分析計算高壓大截面電纜的電動力可以為電纜敷設(shè)和金具設(shè)計提供理論依據(jù)，以避免故障的發(fā)生。

二、電纜模型的建立

高壓大截面電纜通常采用水平和品型兩種敷設(shè)方式，一條電纜隧道中可以包含雙回路、三回路等多種回路。文中以圖1所示ZC-YJLW02型交流330kV交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜為研究對象，該電纜導(dǎo)體的標稱截面為2500mm2。

電纜運行過程中受到的短路電動力是短路電流下導(dǎo)體在磁場中產(chǎn)生的，電纜的其他層結(jié)構(gòu)對電動力數(shù)值結(jié)果影響很小，因此將厚度較小的導(dǎo)體屏蔽、絕緣屏蔽合并到性能相近的交聯(lián)聚乙烯(XLPE)絕緣層，最終建立具有五層結(jié)構(gòu)的電纜電磁有限元模型，其分別為銅導(dǎo)體層、XLPE絕緣層、緩沖阻水層、鋁護套層以及外護套層。結(jié)合西安某段高壓大截面電纜在隧道中實際敷設(shè)情況，設(shè)置電纜的跨距為6m，電纜軸向為垂直蛇形結(jié)構(gòu)，波峰到波谷的距離為0.26m，建立的三相水平和品型電纜模型如圖2所示。電纜電磁計算所用材料參數(shù)見表1。

短路電流流經(jīng)導(dǎo)體時，會在空間中產(chǎn)生電磁場，考慮到矢量磁位在空間中的衰減，在電纜周圍設(shè)置足夠的計算域，以保證短路電動力計算的準確性。計算域的材料為空氣，設(shè)置計算域外邊界處矢量磁位為0(第一類邊界條件)，電纜端面與計算域交界處邊界設(shè)為磁絕緣。短路電動力求解為瞬態(tài)電磁特性分析，設(shè)置求解終止時間為60ms，即包含3個周波，步長為0.4ms。在交變電流下，須考慮導(dǎo)體集膚效應(yīng)對電動力計算的影響。為了保證計算的速度和準確性，采用軟件自適應(yīng)剖分和手工設(shè)定剖分尺寸相結(jié)合的方式，對電纜剖分較密的網(wǎng)格，對計算域剖分相對稀疏的網(wǎng)格，如圖3所示。

三、結(jié)論

本文采用電磁耦合有限元法建立了水平和品型敷設(shè)高壓大截面電纜的電動力模型，分析了三相短路下兩種敷設(shè)方式的電磁分布和短路電動力特點，重點分析了回路間距對雙回路電纜短路電動力的影響，得出如下結(jié)論：

(一) 三相短路發(fā)生后，在電纜徑向空間維度上，導(dǎo)體表面處磁場強度最大，向外逐漸衰減，在時間維度上，磁場成振蕩衰減，在時空圖上體現(xiàn)為重復(fù)出現(xiàn)的馬鞍形曲面；在電纜軸向上，磁場強度不變。電纜所受的短路電動力隨時間呈周期性變化，周期與工頻周期近似成倍數(shù)關(guān)系，短路電動力峰值隨著周期的增加逐步衰減。水平和品型敷設(shè)電纜短路電動力最大值分別出現(xiàn)在B相和A相。

(二) 在雙回路水平敷設(shè)電纜中，電動力與回路間距成指數(shù)關(guān)系，隨著回路間距的增加，電動力先是急劇下降，隨后趨于平緩，可以找到一個拐點，該點可作為回路間距折中值的參考；對于雙回路品型敷設(shè)電纜的電動力與回路間距的變化，用同樣方法也可找到拐點。針對ZC-YJLW02型交流330kV交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜，綜合考慮短路電動力和隧道利用率，建議水平敷設(shè)雙回路間距不小于800mm，品型敷設(shè)雙回路間距不小于600mm。