摘要：针对排管敷设电缆的载流量是常见的限制线路载流量的瓶颈因素之一，提出了一种提高排管敷设电缆载流量的方法，即通过在排管中预埋水管带走电缆产生的热量，以有效消除电缆相互加热导致的电缆载流量急剧下降。通过对比，分析有限元的分析计算方式与传统规定的计算方式在电缆载流量计算结果上的差别，利用有限元分析的方法验证了在排管中预埋水管对电缆载流量提升的效果。

    电缆载流量的选择是关系到电网安全可靠运行的最重要参数之一，也是体现电缆价值关键参数。电缆的载流能力与其敷设环境的散热情况密切相关，而电缆在其敷设的全长度范围散热情况有好有坏，因此散热条件恶劣的区段成了限制电缆载流量的瓶颈，如能改善瓶颈处的散热条件则电缆载流量就能得到提高，从而充分发挥其经济价值，具有重大的实际意义。

    1 理论分析
    多层排管敷设是最常见的载流量瓶颈之一，无锡电力公司与上海三原电缆附件有限公司通过一系列的试验定量分析了多种排管敷设情况下的电缆载流量下降情况。从理论上分析，多层排管敷设导致电缆载流量下降主要是由于排管内电缆相互加热，导致每个单根电缆的外部热阻急剧增加。
结构相同、负荷相等的由q根电缆组成的电缆组的第p根电缆的外部热阻计算式（共有（q-1）项，项除外）为：

    式中，dpk和dpk＇分别为第p根电缆的中心至第k根电缆中心距离和第p根电缆的中心至第k根电缆在大地一空气的镜象中心距离（如图1所示）。

    若能采取管道强制通风等措施，及时带走电缆的热量，防止电缆相互加热，则能有效提高电缆的载流量。本文介绍一种在排管间预埋水管，有效阻止电缆相互加热，进而提高电缆载流量的方法。该方法的有效性是明显的，但其有效程度到底如何必有可靠的试验和理论计算支持。鉴于试验条件所限，本文仅利用有限元进行分析。

    2 电缆载流量计算与有限元分析
    环境温度选为30℃，排管外混凝土与土壤热阻统一按1. 0km/W计算，所用电缆为21/35kV单芯400mm2电缆。电缆结构见表1，排管参数见表2。



    通过软件计算电缆载流量，并把计算结果作为有限元分析的输入，同时与试验结果进行对比。对比结果见表3，有限元分析热场云图如图2（a）-（d）所示。



    由以上分析可知，有限元模拟的计算结果与IEC60287标准规定的计算结果较为接近，因此该计算方法是可靠的。甚至根据George J Anders等人的分析，数值方法通过整体热场的模拟更加接近实际情况，据此得出的电缆载流量比IEC 60287更为可靠。
    本文选择对4X4电缆排管进行优化（如图3所示），在管道间预埋好水管（以导热性能好的水管为优）。因其结构复杂，无法继续用IEC 60287规定的方法进行计算，而利用计算机技术的有限元模拟计算方法提供了很好的解决途径。操作时，应将人水口选择在温度较高处（中心或中心靠下），出水口选择上层水管出口，更有利于利用水流带走电缆所发出的热量，同时通过控制水流量来调节优化效果。计算时，可根据电缆发热功率和水流速度（流量）预先估计水流的温升，出于保守计算目的，将所有水管水温设为出水口水温。本文分析时将所有水管边界设定为50℃。

    由图4可知，预埋的水管有效阻碍了电缆间的相互加热，中心电缆温度下降明显，最高电缆芯温度为63℃。为了定量分析电缆载流量的提高情况，进一步增加电流负荷至650A，计算分析结果如图5所示。



    从分析结果看，电流达到650A时，线芯温度为90. 8℃，电缆载流量较优化前提高了62. 5%，效果显著。而且在考虑水分迁移的情况下，优化前所有热量通过土壤传到地面，排管与地表间的温升较高，很可能超出了水分迁移的边界温度，导致电缆散热能力变得更差，进一步限制了电缆载流量。优化后部分热量可通过水流引出，降低了排管与地表的温升，有利于防止水分迁移的发生。
    但必须说明的是，随着电缆载流量的提高，其焦耳热也是以二次方的关系增长，即电缆总焦耳热增长为优化前的2.6倍，水流的温升必有相应的提高。同时，水流的换热情况与管道材质、水流速度等都有很大关系，所以其实际载流量增长效果必须有更为严格的试验才能确定。

   3 结束语
    有限元分析的方法可用于电缆载流量的计算，尤其是敷设条件复杂的情况下更具可操作性。实践证明，在电缆排管中预埋水管可有效防止电缆间相互加热，显著改善电缆散热情况。