﻿ 船用中压交直流电缆温度场分布对比分析
 舰船科学技术  2021, Vol. 43 Issue (7): 103-108    DOI: 10.3404/j.issn.1672-7649.2021.07.021 PDF

Comparative analysis of temperature field distribution of shipboard medium voltage DC cable and AC cable
WANG Ze-run, YE Zhi-hao, XIA Yi-hui
College of Electrical Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430030, China
Abstract: Compared with ship AC integrated power system, DC integrated power system has the advantages of high power density, easy grid-connection, low vibration and low noise. With the increasing capacity of dc power system of ships, the carrying capacity of dc cable increases continuously, in order to give full play to and improve the current-carrying capacity of the dc cable, the temperature field characteristics of the cable and the ac cable are compared and analyzed, The heat transfer model and temperature distribution equation of AC cable and DC cable are established respectively. The simulation results show that under the same ambient temperature, the temperature rise of dc cable core is lower than that of ac cable, and the temperature field distribution of dc cable is simple. Under the same voltage level and ambient temperature, the reference load capacity of the dc cable set by the operating experience of the reference ac cable is conservative, which fails to give full play to the current carrying capacity of the dc cable.
Key words: cable temperature field characteristics     cable load     comparison of AC cable and DC cable     finite element simulation
0 引　言

IEC60287《电缆载流量计算》中给出了基于热路模型求解均匀介质中敷设电缆的载流量计算方法[4]；杨宁[5]对IEC解析计算法的适用范围进行研究，分析高回填土热阻下IEC计算法的误差原因，对IEC公式进一步完善改进，并进行了工程实例验证；郝艳捧[6]、刘云鹏[7]等在考虑线芯导体最高长期允许温度和绝缘层最大允许温差的基础上提出了高压直流电缆稳态载流量解析计算方法；梁永春等[8]根据温度场与电场的相似性，提出了用于计算地下电缆群稳态温度场的模拟热荷法，利用热路的方法将电缆金属套损耗和铠装层损耗归算到电缆导体，在满足精度的基础上，简化了建模过程；周晓虎[9]、于建立[10]等使用基于坐标组合的有限容积法来处理土壤区域和电缆区域边界形状不一致的问题，加快了求解速度；阮羚等[11]采用有限元法针对三相电流不平衡情况下电缆的温度场特性进行了分析；鲁志伟等[12]提出采用阶梯直线代替电缆圆形边界，在直角坐标系中直接求解电缆暂态温度场的方法，有效地解决了应用有限差分法计算电缆温度场时难以处理电缆圆形边界和周围土壤矩形边界的问题，崔明等[13]采用有限差分法对周期变化的负荷下电力电缆温度场特性进行了分析，提出了计算更加简便精确的周期性负荷载流量解析计算公式；梁永春等[14]在考虑趋肤效应和邻近效应的基础上，利用有限元法对电缆群不同排列方式和接地方式下的导体交流损耗和金属屏蔽层涡流损耗进行了计算；张华富等[15]构造出载流量和热流密度间的换算关系和边界条件，建立直埋三芯电力电缆的温度场模型，采用有限元方法对电缆温度场和载流量进行计算。由此可知，目前的研究大都针对交流电缆的温度场特性进行，而针对船用交流电缆与直流电缆之间的温度场特性的差异分析并不是很深入。

1 温度场理论分析

 $Q = - \lambda A\frac{{\partial T}}{{\partial n}}\text{。}$ (1)

1.1 直流电缆温度场分析

 图 1 JDEPJ/SC电缆几何模型 Fig. 1 Geometry model of JDEPJ/SC cable

 图 2 直流电缆等效热路图 Fig. 2 Equivalent heat circuit diagram of dc cable

1.2 直流电缆温度理论计算

 $Z{\rm{ = }}\frac{{{\rho _T}}}{{2\text{π} }}\ln \left( {\frac{{{D_o}}}{{{D_i}}}} \right){\text{。}}$ (2)

 ${W_c} = {I^{^{_2}}}{R_{DC}}{\text{。}}$ (3)

 ${R_{DC}} = {R_{20}}\left[ {1 + 0.003\;93\left( {T - 20} \right)} \right]{\text{。}}$ (4)

 ${W_c} = {I^2}R{}_{DC} = {I^2}{R_{20}}\left[ {1 + 0.003\;93(T - 20)} \right]{\text{。}}$ (5)

 ${T_c} = {T_a} + \Delta {T_{ac}},$ (6)
 $\Delta {T_a}_c = {W_c}{Z_1},$ (7)
 ${Z_1} = {Z_{cs}} + {Z_i} + {Z_{is}} + {Z_n} + {Z_s} + {Z_a}\text{。}$ (8)
1.3 交流电缆温度场分析

 图 3 JEZ85/SC电缆几何模型 Fig. 3 Geometric model of JEZ85/SC cable

 图 4 交流电缆等效热路图 Fig. 4 Equivalent heat circuit diagram of ac cable

1.4 交流电缆温度理论计算

 ${W_c} = {I^{^{_2}}}{R_{AC}}{\text{。}}$ (9)

 ${R_{AC}} = {R_{DC}}\left( {1 + {Y_s} + {Y_p}} \right){\text{。}}$ (10)

 $\left\{ \begin{array}{l} {Y_s} = \dfrac{{{X_s}^4}}{{192 + 0.8{X_s}^4}} ,\\ {X_s}^2 = \dfrac{{8\text{π} f}}{{{R_{DC}}}} \times {10^{ - 7}}{k_s,} \\ {Y_p} = \dfrac{{{X_p}^4}}{{192 + 0.8{X_p}^4}}\left( {\dfrac{{{d_c}}}{s}} \right)\times 2.9 ,\\ {X_p}^2 = \dfrac{{8\text{π} f}}{{{R_{DC}}}} \times {10^{ - 7}}{k_p} {\text{。}} \end{array} \right.$ (11)

 ${X_s}^2 = {X_p}^2 = \frac{{0.4\text{π} }}{{1.49 + 0.006\;4T}}{\text{。}}$ (12)

 $\begin{split}&{R}_{AC}=1.012\;1{R}_{20}\left[1+0.003\;93\left(T-20\right)\right]\\ &\left(0 {\text{℃}}\leqslant T\leqslant 95 {\text{℃}}\right),\end{split}$ (13)

 $\begin{split}&{W}_{ac}={W}_{bc}={W}_{cc}={I}^{2}{R}_{AC}=1.012\;1{I}^{2}{\rm{R}}_{\rm{20}}\times \\ &\qquad\;\;\left[1+0.003\;93\left(T-20\right)\right]\\ &\left(0 {\text{℃}}\leqslant T\leqslant 95 {\text{℃}}\right){\text{。}}\end{split}$ (14)

 ${T_{ca}} = {T_{cb}} = {T_{cc}} = {T_a} + \Delta {T_{ac}},$ (15)
 $\Delta {T_{ac}} = 3{W_{ca}}{Z_1} + 3{W_{sa}}{Z_2} + {W_s}{Z_3},$ (16)
 ${Z_1} = Z{}_{ca} + {Z_{csa}} + {Z_{ia}} + {Z_{isa}} + Z_n^{} + {Z_l} + {Z_s} + {Z_a},$ (17)
 ${Z_2} = {Z_n} + {Z_l} + {Z_s} + {Z_a},$ (18)
 ${Z_3} = {Z_s} + {Z_a}\text{。}$ (19)

2 电缆温度场仿真分析

 图 5 额定通流情况下直流电缆温度分布 Fig. 5 Temperature distribution of DC cable under rated current condition

 图 6 额定通流情况下交流电缆温度分布 Fig. 6 Temperature distribution of AC cable under rated current condition

3 结　语

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