XLPE 電力ケーブルの熱挙動の数値モデリング

序章

それにもかかわらず、使用期間中にさまざまなストレス (電気的、熱的、機械的など) にさらされると、XLPE の寿命は制限され、化学組成と物理的形態が変化する可能性があります。一定の時間が経過すると機能を果たせなくなり、故障につながることさえあります。

特に、ケーブルの絶縁は、それを通過する負荷電流の量に比例する熱応力の影響を受けます。主に導体のジュール損失による温度上昇は、XLPE 絶縁体の物理的および構造的変化と密接に関連するケーブルの誘電パラメーター (誘電正接および誘電率) に不可逆的な変化を引き起こします。

したがって、熱による過度のストレスを回避するために、電流が流れる導体の電流容量は、ケーブル コアの最大動作温度によって制限されます。したがって、ケーブルの設計時に温度上昇を正確に予測することは非常に重要です。

この論文では、EMS ツールを使用した FEM シミュレーションを使用して、XLPE シングル パワー ケーブルの熱挙動を検討します。次の図は、XLPE 電源ケーブルの標準構成を示しています。導体とアイソレータの 2 つの重要な部分で構成されています。それに加えて、ケーブル内の電界を均一に保つ半導体層、接地導体と見なされる金属層、ケーブルを覆い保護する外部絶縁 PVC 層など、いくつかのコンポーネントが装備されています。

問題の説明

Thermal に連成された周波数ドメイン AC モジュールを使用して、熱伝導解析が XLPE 電源ケーブル全体で実行されます。電磁界解析で計算された電力損失は、熱解析の入力データとして使用され、さまざまなケーブル層の温度上昇が予測されます。

このシミュレーションでは、検討対象の 3D モデル ケーブルは、図 2 に示すように 4 つの異なる領域のみを含むように簡略化されており、次のもので構成されています。 .

部品	寸法
導体径	23mm
XLPE外径	64.6mm
PE 外径	73.6mm
PVC外径	113.6mm
ケーブルの長さ	1メートル

以下の表は、上記の対応する材料特性を定義しています。

表 -材料特性

材料	密度 ( )	透磁率	電気伝導性 ( S/m )	熱伝導率 (W/mK)	比熱容量 (J/Kg.K)
銅 (Cu)	8900	0.99	6 E+07	385	390
XLPE	920	1	0	0.28	2174
PE	952	1	0	0.28	1796年
PVC	1290	1	0	1	1600

境界条件:

1-電磁入力:

銅製インダクタはソリッド コイルとして定義され、 300 ～ 1600 A ピークの電流入力範囲と50 Hzの周波数をサポートします。

2-熱入力:

ケーブルの外部 PVC 層には、305K (32°C) の地温が適用されます。
熱伝達係数が10 W/m².Kに設定された周囲温度305°Kで、モデルを囲む空気体に熱対流が適用されます。

メッシュ

メッシュ モデルの断面図を図 3 に示します。特に導体の温度結果をより正確にするために、加熱された部品に細かいメッシュ調節が適用されます。

結果

XLPE電源ケーブルに負荷電流が流れたときの熱挙動を評価するために、最大動作温度を計算するために、300A、640A、1200A、および 1600A の電流入力範囲に対して一連のシミュレーションが実行されました。
ケーブルの断面図を通る磁束密度を図 4 に示します。300A 入力で最大値 6.15E-3 テスラを達成しました。

図 4 - XLPE ケーブル全体の磁束密度分布の断面図

温度は、300A の電流入力で 306.3K の最大値に達し、2D モデルの参照 [1] の結果を確認します。熱分布を下図に示します。

テストされたさまざまな電流入力について、EMS シミュレーションから得られた最大動作温度が、ケーブル半径全体の 2D プロットの変動で示されています。熱源であるため、温度は導体表面全体で最大値を維持し、絶縁層全体で地温まで下がります。

電力ケーブルの 2D モデルの参考文献 [1] の熱結果と 3D ケーブル モデルの EMS の結果を比較すると、それらの間の良好な一致が示されます。

結果	300A	640A	1200A	1600A
3Dモデル-EMS	306.3K	310.9K	325.75K	341.23K
2D モデル - リファレンス [1]	306.03K	309.89K	321.9K	335K

結論

従来の XLPE ケーブル絶縁体で発生するアクティブ ストレスは、本質的に熱効果を含み、時間とともに変化し、電力ケーブルの故障や有効寿命の制限につながります。一般に、ケーブル特性の物理的および化学的変化による劣化段階が先行し、数年間続く可能性があります。

この FEM シミュレーションを通じて、単芯 XLPE 外装ケーブルの 3D モデルの熱挙動を調査します。さまざまな電流負荷の下での最大動作温度を予測することができました。温度の最大率は、絶縁層の低い熱伝導率による中心導体に制限されます。

参照

[1] Boukezzi, L., Y. Saadi, and A. Boubakeur. "The radial distribution of temperature in XLPE cable: An analysis with the Finite Volume Numerical Method (FVM)." Electrical Insulation and Dielectric Phenomena (CEIDP), 2010 Annual Report Conference on. IEEE, 2010.