電纜中間接頭溫度場仿真分析

衛(wèi)世超，孟曉凱，蘆竹茂

（國網(wǎng)山西省電力公司電力科學研究院，太原 030002）

近年來，隨著我國城市電力建設(shè)的不斷發(fā)展，10 kV配電網(wǎng)絡(luò)由于其節(jié)約了線路走廊、降低了環(huán)境污染等突出優(yōu)點，從而被大量采用。隨著電纜數(shù)量的增加，對電纜附件的要求也越來越高。但是，由于電力系統(tǒng)中存在著大量的電纜接頭故障失效，給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行帶來了很大的風險，嚴重時還會引發(fā)斷電、火災、爆炸等事故。

調(diào)查結(jié)果顯示，在過去的25 年里，電纜附件的故障率始終位居首位，而這主要是由電纜接頭的故障引起的。研究發(fā)現(xiàn)，當溫度超過8%時，XLPE 電纜的壽命將縮短到原來的一半；15%以上，就只剩25%的使用壽命。當絕緣層溫度遠小于允許值時，則表明電纜負荷利用率不高，會造成資源浪費。

1 電纜中間接頭的建模

1.1 單芯XLPE 電纜基本結(jié)構(gòu)

在電力系統(tǒng)輸配電網(wǎng)中，交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電力電纜有著廣泛的應(yīng)用，與其他類型的電纜相比，其有著優(yōu)秀的高負載能力，較高的絕緣性能，能承受較高的工作溫度，以及良好的耐老化性能和耐腐蝕性等優(yōu)點[1]。常用的10 kV 單芯交聯(lián)聚乙烯電力電纜的基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 10 kV 單芯XLPE 電纜結(jié)構(gòu)

1.2 中間接頭的幾何模型構(gòu)建

首先運用SolidWorks 中的單一零部件設(shè)計功能，把中間電纜接頭，分為導體、壓接銅管、接頭主絕緣、絕緣層、內(nèi)外屏蔽層、外護套和應(yīng)力錐幾個零散部件，再運用裝配體功能把零件整合成一個如圖2 和圖3 所示的完整的電纜中間接頭。

圖2 中間接頭結(jié)構(gòu)

圖3 中間接頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2 溫度場仿真分析

由于電纜接頭的溫度場是一個相對復雜的熱傳導過程，因此對其進行具體的數(shù)值分析。針對這一問題，本文采用ANSYS Workbench 軟件，根據(jù)有關(guān)的傳熱學理論，建立了中間接頭溫度場的計算模型，并對溫度場進行了分析、計算。通過對仿真結(jié)果進行分析，以合理的理論基礎(chǔ)為依據(jù)，來指導布置在接頭表面的溫度傳感器，從而對接頭溫度場的分布規(guī)律[2-3]有更好的了解。

2.1 幾何模型及參數(shù)設(shè)置

構(gòu)建幾何模型是進行有限元仿真分析的前提與基礎(chǔ)，所構(gòu)建的電纜接頭三維模型具體如圖4 和圖5 所示，其參數(shù)見表1。圖4 和圖5 中的接頭兩端包含部分電纜本體。

表1 電纜中間接頭尺寸及材料參數(shù)

圖4 模型外部結(jié)構(gòu)

圖5 模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2.2 網(wǎng)格劃分

ANSYS Workbench 提供了許多不同的網(wǎng)格劃分方式，本文使用了能自適應(yīng)任意形狀幾何體并且能夠自動細化網(wǎng)格的四面體網(wǎng)格方式，其可以對任意幾何形狀進行自動加密。由于電纜接頭的厚度結(jié)構(gòu)不同，本文將屏蔽層與接觸區(qū)劃分成更細的網(wǎng)格，并采用更細的網(wǎng)格來增加計算的準確性。針對如絕緣層等較厚的結(jié)構(gòu)，適當加大劃分的網(wǎng)格尺寸，以確保解的精確性，并減少計算工作量，節(jié)約計算時間。最后的網(wǎng)格剖分結(jié)果表明，網(wǎng)格剖分后的網(wǎng)格數(shù)達到了95 485 個，網(wǎng)格剖分得到了54 396 個。詳細的網(wǎng)格剖分結(jié)果如圖6所示。

圖6 模型網(wǎng)格劃分

2.3 負載和邊界條件設(shè)置

在對電熱耦合進行仿真計算時，考慮到電纜接頭的電流對導體、絕緣介質(zhì)所造成的損耗，使其發(fā)出熱量，并與外界環(huán)境交換熱量，使其達到熱平衡[4]。為實現(xiàn)該過程的仿真計算，必須設(shè)定傳熱學及電學類負載等邊界條件。

本文涉及一種電學類負載設(shè)定，其特征在于，所述電學類負載設(shè)定為：將特定負載電流施加于所述接頭導體的一端，并將所述接頭導體的另一端接入零電壓，以使所述接頭導體的軸向方向上形成電流通路，從而發(fā)熱；在此基礎(chǔ)上，電纜本體表面和電纜接頭表面與空氣直接接觸的部分，是屬于條件中固體和氣體相交的邊界，因此適用于邊界條件中氣固相交的傳熱條件。為此本文空氣對流換熱系數(shù)設(shè)定為5 W/（m2·K），并可根據(jù)實際情況來確定空氣溫度。在電纜的橫截面中，由于電纜在達到熱平衡狀態(tài)后，其軸向方向上基本沒有熱量傳遞，電纜的熱流量密度為0，因此在電纜的溫度場條件下，電纜的法向熱流密度可作為電纜的邊界條件。其設(shè)置的電纜接頭和負載設(shè)定的邊界條件如圖7 所示。

圖7 負載及邊界條件設(shè)置

2.4 仿真結(jié)果及分析

利用ANSYS Workbench 工作區(qū)中的電熱耦合模塊，對電纜接頭所在的溫度場進行仿真分析。按照國際電工委員會規(guī)定，在環(huán)境溫度為30 ℃且電纜運行溫度為90 ℃下的工作條件時，其載流量可達590 A。將電纜的電流和環(huán)境溫度調(diào)節(jié)到上述數(shù)值，進行仿真計算，可以得到電纜中間接頭的溫度場分布圖，仿真所得的接頭溫度分布具體如圖8 和圖9 所示。

圖8 接頭表面溫度分布

圖9 接頭內(nèi)部溫度分布

從圖8 可以看出，中間接頭的表面溫度分布較為不均勻，在軸向方向中心位置附近溫度比較高，在2 個端部附近溫度比較低。另外，在實際應(yīng)用中，接頭表面的溫度往往比電纜本體表面的溫度要低，這主要是因為接頭的絕緣層比電纜本體的要厚，而且絕緣材料具有與電纜本體的導熱性質(zhì)不同的特點[5]。這樣，熱量沿導線的徑向傳遞就會變得緩慢，因此，在接頭表面上的溫差就會變得更大且更加明顯。另外，在焊接過程中，由于接頭內(nèi)部有一種壓接的銅管結(jié)構(gòu)，導致接頭的表面中央部位有一個很高的溫度。所以，在對中間接頭的溫度進行監(jiān)測時，應(yīng)在連接處的最大溫度范圍內(nèi)設(shè)置溫度傳感器。

從圖9 可以看出，在中間接頭內(nèi)部通道存在著顯著的溫度梯度。電纜接頭的導體部分是內(nèi)部較明顯的區(qū)域，也就是溫度最高的那部分。在軸向上，溫度場的變化規(guī)律基本一致，而在徑向上則呈遞減趨勢。接頭的主絕緣區(qū)溫度分布不均勻，是接頭溫度梯度最大的部位。與之相比較，在電纜導體與導體之間的溫度差很小，這一點與接頭外表面的溫度分布相符合。

3 電纜接頭溫度場影響因素分析

3.1 環(huán)境溫度對接頭溫度場的影響

電纜接頭在運行時，其散熱過程以與外界熱交換為主。這個換熱速率在很大程度上是由外部環(huán)境和接頭表面之間的溫差所決定的[6]。故環(huán)境溫度的高低將直接影響到電纜接頭的溫度狀態(tài)。在該部分，設(shè)置了中間接頭的電阻率為1.37×10-7，負載電流為590 A，空氣對流的換熱系數(shù)為5 W/（m2·K），設(shè)定環(huán)境溫度為10、15、20、25、30、35、40 ℃，對中間接頭的溫度場分布進行了仿真計算。導體與表面沿軸向連接的溫度分布圖如圖10 及圖11 所示。

圖10 不同環(huán)境溫度下接頭導體溫度分布曲線

圖11 不同環(huán)境溫度下接頭表面溫度分布曲線

通過對圖10 和圖11 分析可知，當環(huán)境溫度升高時，電纜接頭的導體及表面溫度均會升高。結(jié)果表明，在10～15 ℃、35～40 ℃的條件下，導線中心與表面中心的升溫幅度都在5 ℃左右。結(jié)果表明，在不同的溫度下，接頭導體與表面溫度均呈現(xiàn)出線性增長，而溫升幅度基本不變。當負載電流不變時，環(huán)境溫度越高，則電纜接頭越有可能超出其最大容許工作溫度。所以，在對電纜接頭的溫度進行監(jiān)測時，必須將環(huán)境溫度影響因素考慮在內(nèi)。

3.2 負載電流對接頭溫度場的影響

作為電纜接頭發(fā)熱的一個主要來源，負載電流對接頭的溫度場分布會產(chǎn)生很大的影響[7]。在此基礎(chǔ)上，設(shè)置電阻率為1.37×10-7，環(huán)境溫度為30 ℃，空氣對流換熱系數(shù)5 W/（m2·K）為中間接頭條件[8]。然后，逐步增大負載電流從100 A 至700 A，對中間接頭的溫度場進行溫度變化規(guī)律的分析。

從圖12 和圖13 的曲線分布可以看出，當負載電流增大時，電纜接頭的導體和表面溫度也隨之增大。從100A升高至200 A 時，導體的中心溫度升高幅度達5.84 ℃；在600～700 A 條件下，導體中心溫度升高的幅度達到了25.35 ℃。由此表明，隨著負載電流的增大，溫升幅度也隨之增大，接頭溫度上升的速度更加明顯，而且接頭溫度隨著負載電流的增加呈現(xiàn)出非線性增長的趨勢。

圖12 不同負載電流下接頭導體溫度分布曲線

圖13 不同負載電流下接頭表面溫度分布曲線

在負載電流數(shù)值較低時，接頭中心到兩端電纜本體溫差變化較小。然而，當負載電流數(shù)值較大時，接頭中心處與電纜本體的溫差呈遞增趨勢，這表明隨著負載電流的增大，接頭中心處會因接觸電阻而出現(xiàn)更加明顯的發(fā)熱現(xiàn)象。尤其是在接觸壓力系數(shù)k值比較大的條件下，在經(jīng)過較大電流時，接頭導體連接部位的溫升會更高，接觸電阻的影響也會更大，這會加快接頭絕緣的老化，從而也會對電纜線路的正常運行造成影響。

4 結(jié)束語

電纜接頭作為電力電纜線路的重要組成部分，其溫度監(jiān)測對于預防接頭故障、提高電纜供電可靠性具有重要意義[9]。隨著計算機技術(shù)和通信技術(shù)的迅速發(fā)展，電纜接頭溫度監(jiān)測逐漸從傳統(tǒng)的人工巡檢方式轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄芑脑诰€監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了電纜接頭溫度的快速、高效的實時感知。因此，本文利用ANSYS Workbench 中的有限元分析方法，對接頭溫度進行仿真分析，探究電纜接頭溫度場分布規(guī)律，并分析電纜接頭溫度場影響因素，根據(jù)最終仿真結(jié)果為溫度傳感器在接頭表面布置提供參考。