摘要： 根据电缆沟通风系统内流体流动与传热的特点，建立电缆沟通风系统三维流体流动与传热耦合计算模型，给出求解域相应的边界条件和假设条件，采用有限元法对流体场和温度场方程进行耦合计算，得到电缆沟内流体速度分布和电缆表面温度分布特性，验证了耦合模型的正确性；并在求得电缆表面最高温度的基础上，利用电缆区域的等值热路法和数值迭代法计算了电缆允许载流量。此外，基于该模型通过实例仿真得出了不同影响因素对通风电缆沟敷设电缆允许载流量的影响规律：电缆载流量随着进风速度的增大而增大；进风温度每升高1 K，电缆允许载流量相应下降约5.6 A；随着电缆隧道通风长度的增加，电缆允许载流量随之下降。
关键词： 载流量； 强制通风； 有限元法； 等值热路法； 数值迭代法； 电缆
考虑到城市规划和景观的需要，电缆越来越多地采用地下敷设方式。与其他敷设方式相比，电缆沟敷设方式具有走向灵活且能容纳较多电缆、增加电缆回路数、不需要工井、电缆进出方便、占地少和投资省等优点，因此被广泛使用［1］。
电缆沟内电缆运行时产生热量，如果不能被及时带走，不仅会使得电缆沟内空气温度升高，电缆的载流量和缆芯利用率降低，直接造成经济损失，还会加速电缆绝缘层的热老化，影响电缆寿命和整个电网的安全运行；相反，若对电缆沟进行人工强制通风，冷却空气流过电缆沟可将由电缆损耗散发的热量带走，改善其散热条件，达到冷却电缆缆芯的目的，从而提高电缆载流量。同时，实际电缆沟内由于废气沉积以及微生物的生长，霉味较重，空气质量差，对于巡视检修人员的身体健康也是不利的。因此，电缆沟进行通风设计和改造，对保障电缆的经济、可靠运行以及改善作业环境具有重要意义［2-4］。
地下电缆温度场计算方法主要有2 种：一种是基于IEC60287 标准的解析法［5-7］；另一种是数值计算法，常用的数值计算方法包括边界元法［8］、有限差分法［9］、有限容积法［10］以及有限元法［11-12］等。现有文献对地下电缆温度场和载流量做了一定研究，但涉及电缆沟通风和热-流耦合场计算的甚少［13-14］。为了改善电缆散热条件以提高电缆允许载流量，电缆沟通风系统将会被越来越多地采用，因此，开展具有通风系统电缆沟内多物理场耦合的研究也具有重要意义。
本文在流体力学［15］理论和传热学［16］理论的基础上，结合通风电缆沟内流体流动与传热的特点，建立了电缆沟通风系统内三维流体场与三维温度场耦合求解的物理模型和数学模型，采用有限元法对其进行了准确计算，得到了通风电缆沟内三维流场的速度分布和电缆以外区域的三维温度场分布，验证了耦合模型的正确性。根据求得的电缆表面最高温度，运用等值热路法［17］和双点弦截法［13］，计算得到了一定通风条件下的电缆允许载流量。此外，分析并总结了入口风速、入口流体温度和通风长度对于通风电缆沟敷设电缆载流量的影响规律，为工程实际中电缆沟通风方案的选取提供了理论指导。
1 载流量计算与影响因素分析
电缆载流量是由电缆缆芯温度确定的，准确计算电缆缆芯温度具有重要意义。当电缆缆芯温度达到363 K 时的电流值即为在规定敷设条件下此种电缆的载流量。根据有限元法求得的电缆表面的温度分布，结合单芯电缆的等值热路法可得到电缆缆芯温度分布，并用数值迭代法计算了电缆载流量。
1.1 等值热路法
电缆在运行时，缆芯、绝缘层、金属屏蔽层等均会产生损耗，发出热量形成热流场。根据热流场中的热连续原理及傅里叶定律，热流通过电缆各层向外传导时，电缆的每一层都可以用等值热阻来表示，由于热阻的作用将产生温降。
1.2 结论
建立了通风电缆沟系统的三维耦合场模型，并通过实例计算与结果对比分析证实了流场与温度场之间的耦合关系，验证了热-流耦合模型的正确性。分别计算分析了电缆沟进风速度、进风温度以及通风长度（即2 个通风口之间的距离）对电缆的允许载流量的影响规律，结果表明：
a. 随着进风速度的增大，电缆载流量随之增大，但增大的趋势随进风速度的增大而变缓；
b. 随着进风温度（即冷却空气温度）的升高，电缆的允许载流量呈近似线性下降趋势，进风温度每升高1 K，电缆允许载流量相应下降约5.6 A；
c. 随着电缆隧道通风长度的增加，电缆允许载流量随之下降，但当通风长度增加到一定长度时，载流量下降趋势变缓。
因此，在设计通风电缆隧道时，需要针对实际情况进行计算，确定最优的设计方案。