一种降低周围土壤热阻提高电缆输送容量的方法及系统

摘要

一种降低周围土壤热阻提高电缆输送容量的方法及系统，方法包括以下步骤：综合分析沿电缆路径的电缆敷设方式和环境，确定电缆载流量受限节点；利用火电厂内液体管道，降低电缆载流量受限节点的周围土壤热阻；确定液体管道的布置方式。系统包括布置在电缆载流量受限节点周围土壤中的液体管道，所述的液体管道连接冷却塔以及水泵组成循环回路，通过速度传感器和温度传感器实时监测液体管道中液体的流速以及液体的温度，通过液体管道降低电缆载流量受限节点的周围土壤热阻。本发明利用火电厂内液体管道降低直埋敷设电缆周围的土壤热阻，从而提高电缆的输送容量，有效提升电缆传输效率，降低工程造价。

说明书

技术领域

本发明属于火力发电领域，涉及一种降低周围土壤热阻提高电缆输送容量的方法及系统。

背景技术

火力发电厂中电缆工作时，由于发热效应，电缆线芯温度会急剧上升，当其温度超过绝缘层允许温度时，可能造成电缆绝缘老化加速，电缆使用寿命减少，电缆利用效率降低等不利影响。为了确保电缆输送容量满足要求，一般可采用增大电缆截面、降低电缆交流电阻或增强电缆散热等方法。受电缆结构、敷设方式和环境限制，增大电缆截面的方法，一方面电缆载流量提升效果较为有限，另一方面提高了投资和电缆通道的占用空间；而降低电缆交流电阻等技术目前也已达到了瓶颈。传统增强电缆散热的方法一般通过增设电缆外部空气冷却专用设施，改善电缆线路的散热环境，进而提升电缆的输送容量。例如，在电缆隧道中增设通风系统，该方法相应增加了通风系统的投资。对于其他方法，目前研究和应用较少。

土壤热阻系数反应了土壤对热流传导的阻碍能力，单位为K·m/W。国标GB 50217-2018《电力工程电缆设计标准》中规定了电缆载流量需根据土壤热阻系数进行修正，土壤热阻越小，其对热传导的阻碍能力越弱，电缆载流量越大，电缆输送容量相应越大。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中大输送容量电缆载流量受限的问题，提供一种降低周围土壤热阻提高电缆输送容量的方法及系统，利用火电厂内液体管道降低直埋敷设电缆周围的土壤热阻，从而提高电缆的输送容量，有效提升电缆传输效率，降低工程造价。

为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：

一种降低周围土壤热阻提高电缆输送容量的方法，包括以下步骤：

S1、综合分析沿电缆路径的电缆敷设方式和环境，确定电缆载流量受限节点；

S2、利用火电厂内液体管道，降低电缆载流量受限节点的周围土壤热阻；

S3、确定液体管道的布置方式。

作为一种优选方案，所述步骤S1的具体步骤如下：电缆敷设方式包括直埋敷设、架空敷设、排管敷设、穿管敷设、电缆沟敷设、隧道敷设以及综合管廊敷设；环境影响因素包括间距、土壤热阻系数、深度、保护管直径以及并联回路数；对于改扩建项目，在局部关键节点，电缆敷设方式受到限制。

作为一种优选方案，所述的局部关键节点包括直埋或穿管方式下穿已有管沟以及与已有的电缆平行或交叉敷设位置。

作为一种优选方案，所述步骤S2的具体步骤如下：在电缆载流量受限节点的周围土壤中同步布置液体管道，降低载流量受限节点周围的土壤热阻。

作为一种优选方案，所述的液体管道布置在电缆的下方或侧方。

作为一种优选方案，所述步骤S3液体管道的布置方式包括沿直埋敷设电缆临近铺设液体管道，以及沿直埋穿管敷设电缆临近铺设液体管道。

作为一种优选方案，所述电缆载流量受限节点的周围土壤热阻按照以下表达式进行计算：

式中：

I—电缆允许载流量；

Δθ—电缆导体线芯相较于外部环境的温升；

n—电缆导体线芯数量；

R—电缆导体交流电阻；

W

T

λ

本发明还提供一种降低周围土壤热阻提高电缆输送容量的系统，包括布置在电缆载流量受限节点周围土壤中的液体管道，所述的液体管道连接冷却塔以及水泵组成循环回路，通过速度传感器和温度传感器实时监测液体管道中液体的流速以及液体的温度，通过液体管道降低电缆载流量受限节点的周围土壤热阻。

作为一种优选方案，所述的冷却塔能够由火电厂中的机械通风冷却塔或间冷塔兼作。

相较于现有技术，本发明至少具有如下的有益效果：火电厂是一个多专业、多工艺协同配合的复杂系统，对于火力发电厂内大输送容量电缆的应用场景，可利用火电厂内液体管道，降低直埋敷设电缆周围的土壤热阻，从而提高电缆的输送容量，该方案对于提高电缆输送效率，减少工程造价，具有重要意义。为了解决现有大输送容量电缆载流量受限的矛盾，本发明以火电厂内大输送容量电缆的选型和布置为背景，以提高电缆载流量为目标，提出该利用火电厂内液体管道降低周围土壤热阻提高电缆输送容量的方法。本发明采用仿真软件进行了工程案例建模分析，验证了所提出方案的有效性。本发明的适用性强，能够满足火电机组提升大输送容量电缆载流量的场景需求，对于火电机组工程中的大输送容量电缆选型和设计，提升电缆传输效率，降低工程造价具有指导意义与实用价值。

附图说明

图1本发明实施例降低周围土壤热阻提高电缆输送容量的系统结构示意图；

图2本发明实施例电缆沟敷设断面图及55℃下允许载流量仿真计算结果图；

图3本发明实施例电缆穿管敷设断面图及55℃下允许载流量仿真计算结果图；

图4本发明实施例电缆敷设断面图及55℃下允许载流量仿真计算结果图；

附图中：1-液体管道；2-冷却塔；3-水泵；4-速度传感器；5-温度传感器；6-电缆。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

本发明提出一种降低周围土壤热阻提高电缆输送容量的方法，包括以下步骤：

1)综合分析沿电缆路径的电缆敷设方式和环境，确定电缆载流量受限节点；

根据沿电缆路径的敷设环境和工程条件，电缆可采用直埋敷设、架空敷设、排管敷设、穿管敷设、电缆沟敷设、隧道敷设、综合管廊敷设等多种形式，同时受间距、土壤热阻系数、深度、保护管直径、并联回路数等环境因素影响，电缆的允许载流量需进一步修正。特别对于改扩建项目，受限于已有的老厂地下设施，在局部关键节点，电缆敷设方式受到限制，例如需以直埋或穿管方式下穿已有管沟，需与已有的电缆平行或交叉敷设等。相较于沿电缆敷设路径的其他区域，这些局部关键节点的电缆允许载流量最低，为确保这些局部关键节点的载流量满足要求而增大电缆截面，是十分不经济的。为此，本发明首先综合分析沿电缆路径的敷设工况和环境，定位电缆允许载流量的受限点，并采取针对性措施。

2)利用火电厂内液体管道，降低载流量受限节点的周围土壤热阻；

本发明提出了一种降低周围土壤热阻提高电缆输送容量的系统，如图1所示。该系统由电缆、液体管道、冷却塔、水泵、监测系统组成。其中，火电厂中的机械通风冷却塔或间冷塔可兼作冷却塔；火电厂内液体管道与厂区电缆路径协同规划，在电缆载流量受限节点的周围土壤中同步布置液体管道，降低载流量受限节点周围的土壤热阻；液体管道监测系统对液体的流速和温度等参数进行实时监测，确保液体管道无渗漏，避免损害电缆。本发明利用火电厂已有的液体管道系统提高电缆输送容量，无需再单独配置其他专用设备，经济性较强。

3)确定液体管道的布置方式；

根据电缆敷设方式，本发明的液体管道可采用不同的布置方式：沿直埋敷设电缆临近铺设液体管道；沿直埋穿管敷设电缆临近铺设液体管道等。为防止液体管道渗漏损害电缆，建议将液体管道布置在电缆下方或侧方，并对液体管道的状态进行实时监测，确保无异常。

本发明依据《IEC 60287电缆载流量计算》国际标准。该标准将电缆和周围环境等效成热路模型计算电缆稳态电流，对于土壤直埋敷设工况，电缆允许载流量I的计算公式为：

式中：

Δθ——电缆导体线芯相较于外部环境的温升；

n——电缆导体线芯数量；

R——电缆导体交流电阻；

W

T

λ

本发明通过利用火电厂内液体管道，降低电缆周围土壤的热阻值T4，进而优化电缆的允许载流量I，提升电缆输送容量。

实施例

下面以某火力发电工程大输送容量电缆的选型和设计为例进行说明。

1)电缆敷设环境与工况；

在某火力发电改扩建项目当中，火电机组经350MVA主变升压后，以132kV单芯电缆送出至132kV GIS配电装置。电缆初步选型为ZC-YJLW03-Z-76/132kV-1×2500mm

由于厂区地下设施情况复杂，沿电缆路径某处与老厂已有管沟存在较复杂的交叉跨越，受现场施工条件、环境和电缆弯曲半径对路径的要求等因素制约，该处电缆无法按原设计的电缆沟方式施工，只能采用顶管施工工艺穿DN250保护管后从老厂管沟下方通过，电缆敷设断面如图3所示。该处电缆埋深为1.0m，土壤热阻系数为1.5K·m/W。

2)通过仿真软件进行电缆稳态允许载流量分析，仿真计算结果为：55℃环境温度下，电缆沟敷设处允许载流量为1751A，满足工作电流要求；穿管敷设处允许载流量为1207A，由于穿管和土壤直埋影响了电缆的散热，该处电缆允许载流量降低，不满足工作电流要求。为确保该处电缆载流量满足要求，可增大电缆截面，但工程造价也会相应增加，经济性较差。

3)为解决该回路穿管敷设处电缆允许载流量受限的矛盾，按照本发明降低周围土壤热阻提高电缆输送容量的方法，将该电缆路径和厂区某直径为100mm的水管路径进行统一规划，水管直埋铺设于该电缆下方，深度-1.2m，水管温度为30℃，如图4所示。应用本发明提出的电缆线路局部水冷系统方案后，电缆周围土壤热阻受到影响，热阻系数由1.5K·m/W降低为1.3K·m/W，该处电缆允许载流量相应提升为1454A，满足工作电缆要求。

综上所述，本发明利用火电厂内液体管道降低周围土壤热阻提高电缆输送容量的方法，适用性强，能够满足提升火电机组大输送容量电缆载流量的需求，对于火电机组工程中的大输送容量电缆选型和设计、提升电缆传输效率以及降低工程造价具有指导意义与实用价值。

以上所述的仅仅是本发明的较佳实施例，并不用以对本发明的技术方案进行任何限制，本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本发明精神和原则的前提下，该技术方案还可以进行若干简单的修改和替换，这些修改和替换也均属于权利要求书所涵盖的保护范围之内。