Análisis de la influencia del espaciado de bucles en la electrodinámica de cortocircuito de cables de alimentación.

1. Introducción

Con el aumento del nivel de voltaje de transmisión y la capacidad de transmisión de los cables eléctricos en los últimos años, los cables de sección grande de alto voltaje se han utilizado ampliamente en los sistemas eléctricos. En los túneles, los cables de alta tensión de gran sección generalmente se colocan en forma de serpentina para reducir la expansión y contracción térmica de los cables y aliviar eficazmente el daño causado por el efecto mecánico de los cables. Las tres fases del cable están dispuestas horizontalmente o en un patrón tipográfico. Existe una cierta separación de fases entre los cables tendidos horizontalmente, lo que favorece la disipación del calor; Las tres fases de los cables tipo tendido están muy juntas, lo que favorece la reducción del voltaje inducido en la cubierta metálica. Con el creciente número de bucles de cables tendidos en los túneles, los campos electromagnéticos generados por cada fase se afectan entre sí, complicando el análisis electrodinámico del cable. Las fallas de cortocircuito comunes en los sistemas de cable incluyen cortocircuito trifásico, cortocircuito bifásico, cortocircuito a tierra bifásico y cortocircuito a tierra monofásico. Las consecuencias de las fallas de cortocircuito trifásico son más graves que las de otros tipos y la corriente de cortocircuito puede alcanzar más de diez veces la corriente de trabajo normal. El conductor energizado se encuentra en un campo electromagnético alterno y está sometido a enormes fuerzas electrodinámicas. El cable vibrará bajo la acción de fuerzas electrodinámicas alternas. Si la resistencia mecánica del cable y sus accesorios es insuficiente, puede causar grandes tensiones mecánicas en el cuerpo del cable, uniones y abrazaderas, que pueden destruir toda la línea de transmisión en casos severos. Por lo tanto, el análisis y cálculo precisos de la fuerza electromotriz de cables de gran sección de alta tensión pueden proporcionar una base teórica para el tendido de cables y el diseño de hardware para evitar fallas.

2. Establecimiento del modelo de cable

Los cables de alta tensión de gran sección se suelen tender de dos formas: horizontal y tipo. Un túnel de cable puede contener múltiples circuitos, como circuitos dobles y circuitos triples. En este artículo, se toma como objeto de investigación el cable aislado de polietileno reticulado tipo ZC-YJLW02 AC 330kV que se muestra en la Figura 1. La sección nominal del conductor del cable es de 2500 mm².

La fuerza electromotriz de cortocircuito recibida por el cable durante el funcionamiento es generada por el conductor en el campo magnético bajo la corriente de cortocircuito. Las otras estructuras de capas del cable tienen poco efecto sobre los resultados numéricos de la fuerza electromotriz. Por lo tanto, el blindaje del conductor y el blindaje aislante de menor espesor se fusionan en la capa aislante de polietileno reticulado (XLPE) con un rendimiento similar. Finalmente, se establece un modelo de elementos finitos electromagnéticos de cable con una estructura de cinco capas, que es la capa conductora de cobre, la capa de aislamiento XLPE, la capa de barrera de agua amortiguadora, la capa de revestimiento de aluminio y la capa de revestimiento exterior. Combinado con el tendido real de una sección de cable de alta tensión de gran sección en un túnel en Xi'an, la luz del cable se establece en 6 m, el eje del cable es una estructura serpenteante vertical, la distancia desde la cresta hasta el valle es 0,26 m, y el modelo de cable trifásico horizontal y tipo se establece como se muestra en la Figura 2. Los parámetros del material utilizados para el cálculo electromagnético del cable se muestran en la Tabla 1.

Cuando la corriente de cortocircuito fluye a través del conductor, se generará un campo electromagnético en el espacio. Teniendo en cuenta la atenuación del potencial magnético vectorial en el espacio, se establecen suficientes dominios de cálculo alrededor del cable para garantizar la precisión del cálculo de la fuerza electromotriz de cortocircuito. El material del dominio de cálculo es aire, y el potencial magnético vectorial en el límite exterior del dominio de cálculo se establece en 0 (el primer tipo de condición de contorno), y el límite en la unión de la cara del extremo del cable y el dominio de cálculo está configurado en aislamiento magnético. La solución de fuerza electromotriz de cortocircuito es un análisis de características electromagnéticas transitorias y el tiempo de terminación de la solución se establece en 60 ms, es decir, contiene 3 ciclos y el tamaño del paso es 0,4 ms. En corriente alterna, se debe considerar la influencia del efecto superficial del conductor en el cálculo de la fuerza electromotriz. Para garantizar la velocidad y precisión del cálculo, el mallado adaptativo del software y la configuración manual del tamaño de malla se combinan para mallar el cable con mallas más densas y el dominio computacional con mallas relativamente escasas, como se muestra en la Figura 3.

III. Conclusión

Este artículo utiliza el método de elementos finitos de acoplamiento electromagnético para establecer el modelo electrodinámico de cables de gran sección de alta tensión horizontales y de tipo, analiza la distribución electromagnética y las características electrodinámicas de cortocircuito de los dos métodos de tendido bajo cortocircuito trifásico, y se centra en la influencia del espaciado de bucles en la electrodinámica de cortocircuito de cables de doble circuito. Se extraen las siguientes conclusiones:

(i) Después de que ocurre un cortocircuito trifásico, en la dimensión espacial radial del cable, la intensidad del campo magnético es mayor en la superficie del conductor y decae gradualmente hacia afuera. En la dimensión temporal, el campo magnético oscila y decae, lo que se refleja como una superficie repetitiva en forma de silla de montar en el diagrama espacio-temporal; En la dirección axial del cable, la intensidad del campo magnético permanece sin cambios. La electrodinámica de cortocircuito del cable cambia periódicamente con el tiempo y el período es aproximadamente múltiplo del período de frecuencia industrial. El valor máximo de la electrodinámica de cortocircuito decae gradualmente con el aumento del período. Los valores máximos de la electrodinámica de cortocircuito de cables horizontales y de tendido tipo aparecen en la fase B y en la fase A respectivamente.

(II) En el caso de cables de doble circuito tendidos horizontalmente, la fuerza electromotriz está relacionada exponencialmente con la separación de los circuitos. A medida que aumenta el espaciamiento de los circuitos, la fuerza electromotriz primero cae bruscamente y luego tiende a ser plana. Se puede encontrar un punto de inflexión que puede usarse como referencia para el valor de compromiso de la separación entre circuitos. El mismo método también se puede utilizar para encontrar el punto de inflexión para el cambio en la fuerza electromotriz y el espaciamiento de los circuitos de cables tendidos tipo doble circuito. Para cables aislados de polietileno reticulado tipo ZC-YJLW02 AC 330kV, considerando la fuerza electromotriz de cortocircuito y la tasa de utilización del túnel, se recomienda que el espaciado horizontal del doble circuito no sea inferior a 800 mm, y el doble circuito tendido tipo. el espaciado no debe ser inferior a 600 mm.