摘要：在大電流作用下，電纜支架的導磁性會改變電纜周圍的磁場分布，進而影響電纜本體運行，導致其溫升變化，以往電力規程規范對于電纜支架的選材并未給出明確說明。文中以江蘇省電力公司鎮江市南徐２２０ｋＶ變電站電纜為例，采用二維電磁場－流體場－溫度場多物理場耦合有限元計算方法，研究不同載流量、不同電纜材質支架對電纜運行溫升的影響。結果表明不同材質電纜支架因渦流引起的電纜支架溫升不會危及人身及設備安全，是否選用非磁性材質支架應綜合考慮渦流引起的損耗及經濟性。文中考慮了電纜支架的影響，給出了支架選擇時的理論與工程應用依據，對提高電纜建設經濟性和運行可靠性有重要意義。
關鍵詞：電纜支架；多物理場耦合；不同材質；渦流；溫度
交流電纜在運行時，其交變電場會產生交變磁場，交變磁場作用在金屬質電纜支架上感應出渦流。在大電流作用下，支架的導磁性會對電纜周圍的磁場產生不可忽視的影響，進而對電纜本體的運行產生影響，導致電纜本體溫度升高［１］。長期電纜
運行經驗表明，普通鋼支架渦流損耗不能忽略，且鋼制支架長期發熱對電纜外護套的壽命也有一定的影響［２，３］。由于電阻率的存在，金屬支架上產生的渦流會產生損耗，該損耗以熱量的形式散發出去。支架上熱量難以散發，這使金屬支架的溫度較高［４］。目前電纜支架材料主要分為導磁材質（鋼制）與不導磁材質（復合材料與不銹鋼等），根據國標規定，電纜支架除支持作電流大于１５００Ａ的交流系統單芯電纜外，宜選用鋼制［５］。技術經濟綜合較優時，可選用鋁合金制電纜橋架。根據國家電網的指導意見，電纜支架材料以普通鋼材為主；分相布置的單芯電纜，電纜支架應采用非鐵磁性材料［６］。
根據電力行業標準《城市電力電纜線路設計技術》規定：單芯電纜用的夾具，不得形成磁閉合回路，與電纜接觸面應無毛刺，即使用非磁性鋁合金夾具隔斷磁環路，減少因單芯電纜而引起的渦流和磁滯損耗而導致電纜局部發熱［７］。
不銹鋼材料價格高，工程投資大。一組不銹鋼支架價格超過普通鋼支架５０００元左右，全部使用不銹鋼支架的電纜線路造價往往達到普通鋼支架電纜線路的４倍。目前發展策劃部門要求降低工程造價，但支架是否采用非鐵磁性材料，各方仍存在異議。按規程要求：電纜支架支持工作電流小于１５００Ａ的交流系統單芯電纜（大截面電纜）宜采用鋼制。
這與運行檢修部門提出的“分相布置的單芯電纜，電纜支架應采用非鐵磁性材料”明顯矛盾。因此，在電纜設計時，存在規程依據不明確、標準要求相對粗放的實際情況。據此，江蘇省電力設計院提出設計考慮的電纜工作電流是正常時的負荷電流，不要考慮最大電流（Ｎ－１情況）。其次工作電流大于１０００Ａ時采用非鐵磁性材料；工作電流小于１０００
Ａ時采用絕緣材料將電纜抱箍與支架隔離，但該解決方法仍然缺乏可靠的理論與計算依據。關于支架材質選擇時的具體標準與現有規程的理論支撐，目前仍很缺乏。
針對該問題，本文主要研究電纜支架處１１０ｋＶ及以上電纜運行的電磁場、流體場與溫度場分布情況，重點研究不同材質電纜支架對不同排列方式電纜的耦合場的影響程度。采用二維電磁場－流體場－溫度場多物理場耦合有限元計算方法，建立含支架電纜電磁場、流體場、溫度場耦合仿真計算模型，計算不同電纜支架材質、載流量、排列方式下電纜及支架的溫度，并進行實驗驗證。結論中，基于現有電力電纜上規程標準，根據所建立模型給出電纜支架材質選擇的標準與依據。
１電纜計算數學模型
１．１二維渦流場的數學模型
考慮本文研究的是電纜不同載流量情況下電纜支架的溫升分析，并且電纜的磁場沿軸向分布基
２計算數學模型
２．１電纜仿真模型２２０ｋＶ變電站電纜隧道介紹本文計算模型采用江蘇省電力公司南徐２２０ｋＶ變電站電纜，該變電站位于鎮江市市區，采用全戶內設計，其電纜排列方式為水平排列，電纜隧道支架采用鋼材料，電纜夾具為鋁合金，圖２為南徐２２０ｋＶ變電站電纜隧道。
圖２南徐２２０ｋＶ變電站電纜隧道
２．２仿真模型
考慮到阻水帶、阻水帶、鋁塑帶、瀝青等對磁場及溫度場的影響不大，因此，為簡化計算，可以不考慮，計算模型如圖３所示。圖３電纜剖面示意圖
對于電纜模型的參數及材料屬性分別如表１
和表２所示。
２．４不同載流量對電纜溫度運行影響
電纜溫度計算時，溫度變化主要由電流損耗轉化的熱能引起，因此需要計及不同的載流量對電纜及其電纜支架的影響。因為電纜電流產生的磁場主要對導磁材料產生影響，所以仿真時電纜支架材料?。矗疤栦?。圖７為不同載流量時電纜及電纜支架溫度場的模擬圖?？梢钥吹?，電纜溫度大小與載流量的大小正相關。同時，支架部分溫度高于周圍空氣溫度。
２．５對電纜溫度運行影響因素的綜合性分析電纜支架根據電壓等級、應用場合以及建造預算，會采用不同的材料，其中主要包括：鋼材、不銹鋼及復合材料等。隨著支架材料的不同，其對電纜溫度的影響也不盡相同。因此，在２０００Ａ載流量的條件下，通過有限元法分析不同電纜支架材料對電纜溫度的影響。
圖８為采用不同電纜支架材料時，電纜及其周邊溫度場示意圖?？梢钥吹?，與不銹鋼以及復合材料相比，采用鐵磁材料作為支架材料時，電纜與電纜支架接近的地方存在溫度積聚的情況，最高可接近７０℃。由于鐵磁材料支架存在較高的磁導率，當電纜通電后，交變電流產生的感應磁場導
致支架中渦流的產生。同時，支架磁場反作用于電纜磁場，使電纜與支架靠近處的磁通密度增大。
兩者同時作用，使得該處溫度高于遠離支架處的溫度。
電纜芯溫度對應不同材料與載流量如表３所示。電纜支架溫度對應不同材料與載流量如表４所示。
的“電纜支架材料以普通鋼材為主”相吻合。
（２）電纜運行時，其載流量直接影響電纜周圍磁場分布，進而導致電纜及支架的溫度的變化。一般來說，溫度變化與電流大小成正相關，對于本文中分析的２２０ｋＶ電纜，當電流為２２５０Ａ時，電纜溫度接近國標設計規范［５］所允許最高的９０℃。
（３）當支架采用鋼材、不銹鋼、復合材料時，對支架本身的溫度有一定的影響，并且隨著載流量增加，影響逐漸增大，采用鋼材支架時，支架部分存在較高的溫升。
３結語
本文從電纜支架材料選擇的角度對電纜運行進行研究，采用電磁－流體－溫度間接耦合法建立含支架電纜仿真計算模型，計算不同電纜支架材質、載流量下電纜及支架的溫度，得出不同材質的電纜支架因渦流導致引起的電纜支架溫升不會危及人及設備的安全，是否選用非磁性材質支架應從渦流引起的損耗與經濟性入手，綜合考慮。
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