英國(guó)國(guó)家電網(wǎng)模擬地下電纜線路

當(dāng)住戶高興地為新購(gòu)的娛樂(lè)設(shè)備或廚房電器接通電源時(shí)，問(wèn)他們對(duì)家庭用電有何期望，答案很可能會(huì)包含這幾個(gè)詞匯：安全、可靠、便宜。

對(duì)電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)者來(lái)說(shuō)，管理電網(wǎng)意味著要滿足全天候的用電需求，要將電網(wǎng)電壓和頻率維持在允許范圍內(nèi)，這是保證用電安全、可靠以及電價(jià)實(shí)惠的根本。在英格蘭和威爾士，管理電網(wǎng)這一職責(zé)由英國(guó)國(guó)家電網(wǎng)公司承擔(dān)，該公司擁有并負(fù)責(zé)建造、維護(hù)和運(yùn)營(yíng)高壓輸電網(wǎng)，保障家庭和企業(yè)用電。圖 1 展示了電網(wǎng)中的一段高壓地下電纜系統(tǒng)。

圖 1. 一段穿過(guò)隧道（上）和埋于地下（下）的高壓電纜系統(tǒng)。

英國(guó)國(guó)家電網(wǎng)公司面臨著不少挑戰(zhàn)：提高規(guī)模龐大的電纜網(wǎng)絡(luò)的熱管理能力，優(yōu)化新電纜的鋪設(shè)路線，以及準(zhǔn)確評(píng)估電纜額定值。有時(shí)在維修舊部件時(shí)會(huì)使用新材料，就會(huì)出現(xiàn)同一電纜線路中不同材料混用的情況，這時(shí)尤其要確保電纜安全額定值的準(zhǔn)確性。應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)并不容易，運(yùn)營(yíng)者不僅需要全面了解周?chē)寥缹?duì)電纜的影響、電纜使用年數(shù)及維修情況，還要考慮電纜對(duì)臨近區(qū)域電纜性能的影響。

面對(duì)的挑戰(zhàn)

在計(jì)算電纜的額定值時(shí)，大多數(shù)傳輸與配電網(wǎng)采用的是由國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）頒布、并獲得國(guó)際大電力系統(tǒng)委員會(huì)（CIGRE）認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)。所謂電纜額定值，是指在正常工作溫度區(qū)間并且不會(huì)引起潛在損害的前提下，電纜所能承受的最大負(fù)載。

網(wǎng)絡(luò)測(cè)繪工程師 David Scott 隸屬于英國(guó)國(guó)家電網(wǎng)資產(chǎn)完整性部門(mén)，負(fù)責(zé)架空與埋地電纜性能的維護(hù)工作。他解釋說(shuō)：“測(cè)量高壓系統(tǒng)電纜的額定值并非易事。這些高壓電纜深埋于地下，最深可達(dá) 50 米，隨著電纜向前延伸，其周?chē)嗤恋臏囟瓤赡軙?huì)隨電纜長(zhǎng)度發(fā)生變化。而且這些電纜并不是孤立存在的，它們是大型電力系統(tǒng)的一部分，因此附近還會(huì)有其他電纜，或者鐵路電網(wǎng)電纜等。當(dāng)周?chē)娎|橫穿過(guò)去，或者只是并排通過(guò)，但只要距離接近，就會(huì)改變所測(cè)電纜的熱負(fù)荷。因此想獲得有效的測(cè)量值非常困難。我們一直在尋找更準(zhǔn)確的方法來(lái)測(cè)量電纜額定值?！?/p>

英國(guó)南安普頓大學(xué)（University of Southampton）的托尼·戴維斯高壓實(shí)驗(yàn)室（Tony Davies High Voltage Laboratory，簡(jiǎn)稱(chēng) TDHVL）與英國(guó)國(guó)家電網(wǎng)公司合作開(kāi)展了一系列創(chuàng)新項(xiàng)目。該實(shí)驗(yàn)室率先建立了不同電纜組件的模型，并使用仿真分析來(lái)理解電纜組件在環(huán)境變化與使用時(shí)長(zhǎng)影響下的性能變化。

TDHVL 與英國(guó)國(guó)家電網(wǎng)的研究合作始于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕?。雙方密切合作，TDHVL 的工程師使用 COMSOL Multiphysics? 軟件進(jìn)行有限元分析。研究人員將關(guān)注重點(diǎn)放到了熱傳遞上。他們首先驗(yàn)證了特殊類(lèi)型電纜的額定值，然后開(kāi)始分析處在孤立狀態(tài)或不同環(huán)境等特定狀態(tài)下的電纜（圖 2）。

圖 2. 仿真結(jié)果顯示了土壤中電纜的熱分布。

土壤濕潤(rùn)時(shí)，熱量消散得較快。干燥的土壤導(dǎo)熱較慢，因?yàn)槠渲谐錆M的微小氣穴會(huì)阻礙熱量的散失，這就會(huì)影響電纜的熱性能（圖 3）。在模擬鋪設(shè)電纜的溝渠時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)將土壤干燥度和開(kāi)裂程度也考慮了進(jìn)來(lái)。

圖 3. 水平鋪設(shè)的長(zhǎng)隧道橫截面內(nèi)歸一化的氣流分布仿真結(jié)果。

“對(duì)于模型中的土壤和專(zhuān)用回填材料，我們都有參數(shù)設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)。不同的土壤參數(shù)會(huì)對(duì)模擬結(jié)果有較大影響，我們通常會(huì)選取一個(gè)最不利的數(shù)值，來(lái)代表土壤給電纜帶來(lái)的負(fù)面影響?！盨cott 解釋說(shuō)。

熱與電的分布

對(duì)于英國(guó)國(guó)家電網(wǎng)公司而言，建模工作的成果帶來(lái)了嶄新的前景，尤其是評(píng)估緊密布設(shè)電纜的額定值和優(yōu)化新建電纜路線的配置時(shí)，仿真提供了全新的思路。例如，兩根電纜距離過(guò)近會(huì)影響熱量的消散，從而導(dǎo)致電纜的溫度升高，載流能力下降。但有時(shí)也會(huì)遇到評(píng)估結(jié)果過(guò)于謹(jǐn)慎的情況?！拔覀儼l(fā)現(xiàn)，基于標(biāo)準(zhǔn)的各類(lèi)方法在評(píng)估電纜額定值時(shí)，得到的結(jié)果通常較為保守。例如兩根電纜實(shí)際相距 100 米時(shí)，彼此之間的相互作用幾乎可以忽略不計(jì)，所以我們可以用這類(lèi)方法給出過(guò)熱警告?！盨cott 表示。

他的團(tuán)隊(duì)利用相關(guān)的 COMSOL 模型來(lái)確定在現(xiàn)有線路基礎(chǔ)上鋪設(shè)新電纜時(shí)，是否能夠符合安全標(biāo)準(zhǔn)，以及電纜鋪設(shè)的最佳位置（圖 4）?！胺抡孀屛覀兪芤媪级啵F(xiàn)在我們能夠?yàn)樾孪到y(tǒng)的設(shè)計(jì)及其對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的影響提供準(zhǔn)確的反饋。”Scott 評(píng)價(jià)道。

圖 4. COMSOL? 模型顯示了四個(gè)相同載流能力的電路，區(qū)別僅在于它們與相鄰電路的距離不同。

“我們以前只能采取一些特定的措施以減小電纜干擾，通常是要求第三方將電纜鋪設(shè)得更遠(yuǎn)一些或埋得更深一些。但埋得太深會(huì)讓電纜的性能大打折扣；若想把電纜鋪設(shè)得遠(yuǎn)一些，就會(huì)對(duì)土地面積提出很高的要求，這會(huì)使電纜的安裝成本變得相當(dāng)高，對(duì)于土地有限的城市來(lái)說(shuō)，這一要求也非常不現(xiàn)實(shí)。借助仿真，我們可以更清楚地了解電纜鋪設(shè)后的真實(shí)情形、實(shí)際的電纜額定值，以及可能出現(xiàn)的狀況?！?/p>

舊電網(wǎng)系統(tǒng)的維護(hù)工作還向運(yùn)營(yíng)者拋出了另一個(gè)難題：舊備件畢竟有限，維修時(shí)始終使用舊備件不現(xiàn)實(shí)。如果使用新備件，就可能造成一個(gè)系統(tǒng)中不同材料的混用（圖 5）。許多舊電纜采用鉛制的外護(hù)套，新電纜卻往往使用鋁制的。為了控制維修成本，我們自然愿意只更換損壞的零件。然而，許多電纜系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)都力求感應(yīng)電流降到最小，從而保障電纜載流量最大化。如果在維修過(guò)程中混入了不同的材料，可能就無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)之初的要求了?，F(xiàn)有的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)并沒(méi)有考慮使用不同導(dǎo)體的情況。我們可以使用 COMSOL 計(jì)算電纜損耗，根據(jù)具體的材料組合，判斷需要采取怎樣的對(duì)策。

圖 5. 將分段電纜連接在一起的安裝接頭。

可靠結(jié)果，明智決策

Scott 向大家公開(kāi)了新建傳輸電纜的費(fèi)用：400kV 的埋地電纜每公里的鋪設(shè)費(fèi)用約為 2000 萬(wàn)英磅（約 1.8 億元人民幣）。聽(tīng)到這個(gè)數(shù)字，仿真的價(jià)值瞬間明晰起來(lái)。如果一項(xiàng)即將動(dòng)工的工程涉及到安裝電纜，那么精簡(jiǎn)資產(chǎn)設(shè)計(jì)和最大化電纜容量便是降低成本的首要任務(wù)。利用仿真獲得的信息，我們可以放心地選擇那些埋得更淺一些、但布線更復(fù)雜的埋設(shè)方案。對(duì)于那些建在類(lèi)似倫敦市中心這樣擁擠地帶的電力傳輸系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，因?yàn)榛緵](méi)有可以水平延伸的空間，因此通過(guò)仿真所獲得的信息就更有價(jià)值了。

未來(lái)我們可以在考慮高壓設(shè)備（包括地上電纜）的生命周期、兼容性和連接性的基礎(chǔ)上，利用建模制定與之相關(guān)的決策，類(lèi)似的創(chuàng)意層出不窮?！叭绻梢阅M高架電線周?chē)娘L(fēng)和空氣溫度，并在給定時(shí)間內(nèi)加上系統(tǒng)負(fù)荷，我們就擁有了盡早發(fā)現(xiàn)潛在問(wèn)題的有效方法，例如預(yù)測(cè)線路表面污染物的凝結(jié)位置?！?Scott 解釋道。仿真還可以用來(lái)排查電纜接頭由于疲勞循環(huán)或機(jī)械損害而產(chǎn)生的問(wèn)題，并預(yù)測(cè)此配件可能出現(xiàn)的故障模式。

Scott 補(bǔ)充道：“我們能夠?qū)Ｗ⒂趯?shí)際的物理問(wèn)題，而不必陷于復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算中。使用 TDHVL 創(chuàng)建的仿真模型，我們可以調(diào)整關(guān)鍵參數(shù)，探討不同的設(shè)計(jì)方案，而且能夠確信得到可靠的仿真結(jié)果。事實(shí)證明，只要確保輸入?yún)?shù)是準(zhǔn)確的，仿真結(jié)果的可靠性就毋庸置疑。在電纜鋪設(shè)和維修方面，仿真總能幫助我們做出明智的決策?！?/p>