极端高温下10kV电缆中间接头载流量分析.pdf

：年 月 第 卷第 期极端高温下 电缆中间接头载流量分析卢斌先，薛涛，王宜静，孙欣宇，吴铮，焦重庆（华北电力大学电气与电子工程学院，北京 ；黑龙江省政府投资项目建设管理中心，黑龙江 哈尔滨 ；广东电网有限责任公司广州供电局，广东 广州 ）摘要：随着世界各地夏季环境温度不断升高，电缆中间接头的工作环境正在恶化。为此，文中基于有限元法建立 三芯电缆及其中间接头仿真模型，分析不同环境温度和不同电流下中间接头的温度分布。首先，开展温升试验，得到电缆中间接头表面的稳态温度，验证仿真模型的准确性；然后，拟合不同环境温度下中间接头高压载流导体表面温度与电流的函数关系，以此可以计算不同极端环境温度下中间接头的极限安全载流量。结果表明，环境温度升高对中间接头高压载流导体表面的温度分布趋势几乎没有影响，在外护套外表面处也满足此规律。中间接头高压载流导体表面温度与电流近似成二次函数关系。当电流幅值为 、环境温度为 时，高压载流导体表面与外护套外表面最高温度分别是环境温度为 时的 倍与 倍。当环境温度超过 时，按照国标规定的持续允许载流量会使中间接头高压铜导体表面温度超过最高允许运行温度 。考虑到自 年起夏季环境温度持续增加，现行国标中 铜导体三芯交联聚乙烯绝缘电缆中间接头的持续允许载流量须被修正。关键词：三芯电缆；中间接头；电缆沟；极端环境温度；有限元法；载流量中图分类号：文献标志码：文章编号：（）收稿日期：；修回日期：基金项目：国家重点研发计划资助项目“柔性直流海上换流平台轻型化关键技术研究”（）引言目前，?城市电力发展越来越快，电力电缆与电缆中间接头使用量日益增加 。中间接头的结构相比于电力电缆更加复杂，也更容易发生事故。据统计，的电力电缆事故是由电缆中间接头故障造成的 。在国内，电缆附件故障频繁发生 。极端高温环境可能进一步增加电缆中间接头故障的风险。年夏季，国内某些地区的环境温度超过 ，但目前国家标准 中仅明确给出了 及以下环境温度下铺设于土壤中的电缆的载流量校正系数。极端高温已经严重威胁到人类的正常生活 。在这种极端高温环境下，如果电缆高压载流导体温度超过 中规定的以交联聚乙烯为绝缘的电缆铜导体的最高温度 ，电缆中间接头内部绝缘材料会加速老化，从而发生故障 。目前，国内外学者们对中间接头的内部温度已进行大量研究。文献 通过实验发现当温度在 左右时，硅胶具有明显的热破坏特征，且随着温度增加，硅胶的电树形态呈丛状电树的趋势。文献 研究了在不同温度下退役高压电缆的绝缘介电特性。但上述文献仅从实验的角度研究内部温度过高对中间接头的影响，并未通过仿真具体分析中间接头内部温度分布情况。文献 通过研究发现由电缆段确定的载流量会使中间接头高压载流导体的温度比最大长期允许温度值高，不利于电缆长期稳定运行。文献 通过仿真得到了正常运行、电缆芯短路和接头中存在间隙和水滴时接头外表面的温度分布。文献 建立了城市配电网中常见的 交流三芯电缆接头的三维仿真模型，采用热 电耦合模块对接触系数为 的接头模型进行温度场仿真研究。文献 计算了隧道内敷设的超高压电力电缆载流量。但上述文献仅在正常环境温度下进行仿真分析，并未研究极端高温环境下的中间接头内部温度分布。文献 对退役 电缆附件绝缘的热学性能和陷阱分布特性进行了测试和分析，但对环境温度的研究仍在正常范围内，并未达到极端高温环境温度。年 年，某些地区夏季气温已经远超国标所考虑的环境温度范围。为此，文中基于有限元法，建立 三芯电缆及其中间接头仿真模型，并分析在不同极端高温环境和不同电流下铺设于电缆沟中的电缆中间接头的内部温度分布。文中研究可为考虑极端高温环境的 铜导体三芯交联聚乙烯绝缘电缆中间接头的持续允许载流量的标准制定提供指导。电缆中间接头仿真模型 仿真模型及材料参数目前，电缆大多为电缆沟铺设。基于此，文中建立三维仿真模型。该模型分为四部分，第一部分为 三芯电缆中间接头，是文中主要的研究对象；第二部分为与中间接头相连的三芯电缆，考虑轴向传热对中间接头温度分布的影响，在中间接头模型两端各加 长的电缆，用以分析电缆对中间接头的轴向传热；第三部分为电缆沟，根据相关标准在模型中设置电缆沟的宽度和深度均为 ，长度与电缆首末两端的距离等长，为 ；第四部分为外界土壤，土壤长度与电缆沟保持一致，左右边界和下边界应设置为距离电缆沟 。电缆中间接头的结构如图 所示，其从外到内分别由高压载流导体、屏蔽层、电缆绝缘、绝缘屏蔽、铜网层和电缆外护套层构成。为方便表示，在图 中定义 为中间接头的轴向方向。当 时，为中间接头区域，当 时，为电缆区域。图 电缆中间接头沿轴向截面模型示意 为清晰地展示中间接头的结构，仿真中隐藏了填充层和外护套结构，电缆及其中间接头的仿真模型如图 所示。文中认为压接管与高压载流导体良好接触，不考虑接触电阻的影响；压接管与电缆绝缘良好接触，不存在环形气隙；忽略电缆沟中搭接电缆的支架模型，模型各结构的材料参数如表 所示 。图 三芯电缆及其中间接头模型示意 边界条件与控制方程电磁场和温度仿真模型的边界条件分别如图（）和图 （）所示。图 （）中，、为电缆首末两端的边界；为与空气接触的电缆；、为中间接头最外层的边界。图 （）中，黄色、红色和白色区域分别为土壤、电缆沟和空气区域，电缆及其中间接头铺设于白色的空气区域正中心。其中表 电缆中间接头材料参数 接头部位相对介电常数电导率（）相对磁导率导热系数 （）密度（）恒压热容 （）高压载流导体 压接管 电缆绝缘 接头绝缘 半导电层 防水带 屏蔽层 铠装带 填充层 外护套 应力锥 电缆沟 土壤 空气 、分别为三维空间中土壤区域的前后边界；、分别为左右边界；为深层土壤边界；为地表边界。图 电缆及其中间接头仿真模型边界 当电缆足够长时，认为电缆端部 和 为绝热边界条件，而距离电缆超过 远的土壤层也可设置为绝热边界条件，因此设置土壤的前后边界（和）和左右边界（和 ）为第二类齐次边界条件，其中边界法向热通量密度为 ；距离足够深的深层土壤不受电缆温度影响，因此设置 为第书书书一类边界条件，温度为 ；设置地表边界 为和空气产生对流换热的第三类边界条件 。准静态磁场和温度场的边界条件分别如式（）和式（）所示。，（），（）（）式中：为边界外法线方向；为磁矢位；为高压载流导体处的电流；为热通量；为外加电流；为环境温度；为温度；为对流换热系数。在仿真计算中，图 （）电磁场部分的控制方程如式（）式（）所示。?（）?（）（）式中：为电场强度；为磁感应强度；为角频率；为磁场强度；为电流密度；为真空磁导率。图 （）温度场仿真的稳态传热方程如式（）和式（）所示。?（）?（）式中：为电磁热源；为导热系数。电缆中间接头在运行阶段的热源由三部分构成：高压载流导体中的焦耳热产生的损耗、金属中的感应发热产生的损耗和绝缘层中的介质损耗。其中，高压载流导体的焦耳热与金属中的感应发热所产生的损耗可用电磁场中计算所得的电磁损耗表示；而绝缘层的介质损耗特别小，可以忽略不计。在仿真模型中设置电缆高压载流导体通过幅值为 的对称三相电流。设置对流换热系数 为 （）。当环境温度大于 时可认为处于极端高温环境，文中设定环境温度分别为 、，在这 种情况下研究中间接头内部温度变化情况。设定中间接头高压载流导体所通电流的频率为 。此次仿真模型中铜高压载流导体的横截面积为 ，根据 中以 交联聚乙烯为绝缘的三芯电缆铜高压载流导体横截面积为 的持续允许载流量为 的规定，考虑到用电高峰期电缆及其中间接头可能会过负荷运行，设定高压载流导体所通电流幅值 分别为 、。仿真模型准确性验证考虑到三芯电缆温度分布的测量比较困难，文中通过对比单芯中间接头温度仿真结果和试验结果，验证图 所示仿真模型。其中，准静态磁场的边界条件如式（）所示，而温度场的边界条件修改为：，（），（）设置高压载流导体所通电流为频率 、幅值 的交流电流。同时建立电缆中间接头热扩散特性试验平台，如图 所示，试验平台中红外测温仪的测温范围为 ，测温精度为 。图 电缆中间接头测温试验 在中间接头表面处设置 、个测温点。其中试验测温点分别为、和，仿真测温点分别为、和，试验测温点和仿真测温点一一对应。依据试验测温点的稳态温度数据提取相对应的仿真测温点、和 的稳态温度数据，具体位置分别如图 （）和图 （）所示。设置测温点的初始温度均为 ，环境温度为 ，对流换热系数 仍为 （）。图 测温点示意 试验中，从第 个小时开始试验品表面、点的温度停止上升，到第 个小时仍保持不变，则认为从第 个小时开始中间接头温度达到稳卢斌先 等：极端高温下 电缆中间接头载流量分析态，稳态时测温点温度如表 所示。表 同时给出了稳态时仿真测温点的温度数据。表 稳态时仿真结果与试验结果对比 测温点稳态温度 试验 仿真 误差的计算公式如式（）所示。（）式中：为误差绝对值，取 、，分别表示 个测温点仿真数据与试验数据的误差绝对值；为试验中 个测温点的稳态温度；为仿真中 个测温点的稳态温度。根据计算得到 ，。将稳态温度仿真结果与试验结果进行对比，可知相对误差较小，从而验证了所建中间接头数值仿真模型的准确性。结果分析 极端高温环境下电缆及其中间接头温度分布当环境温度 设置为 ，高压载流导体电流幅值 为 时，中间接头在稳态温度下的温度分布如图 所示。图 中间接头温度分布 图 中，点为高压载流导体温度最高点，同时也是整体温度最高点（），点温度为 ；点为高压载流导体温度最低点（），点温度为 ；点为整体温度最低点（），点温度为 。根据仿真分析结果可知，温度最高点位于电缆高压载流导体处，最高可达 ，温度最低点位于电缆中间接头的外护套外表面，最低为 。电缆和中间接头的高压载流导体表面温度如图 所示，由于温度分布具有对称性，文中选取其中一根电缆芯进行分析并展示出了 到 的温度情况。图 高压载流导体表面温度分布（、）（、）图 中，中间接头段位于 到 区域；其余区域为电缆段。高压载流导体的温度最高点和温度最低点在图 中已经标出，即 点和 点。由图 可知，最高温度在 附近，约为 ；最低温度在 附近，约为 。中间接头段与电缆段的高压载流导体的最大温差可达 。整体来看，中间接头段处高压载流导体的温度高于电缆段处的温度，因此当中间接头处高压载流导体的温度满足国标要求时，电缆段也满足要求。后续研究将以中间接头处高压载流导体温度为重点进行分析。当 时温度几乎不再变化，因此可认为此时电缆末端不再有轴向传热，且文中仿真模型电缆长度足够长，设置合理。图 为整体模型中从某一单芯中间接头的中间位置沿 轴剖开的截面，包含了填充层和外护套外表面区域。取图 中外护套外表面计算路径与高压载流导体表面计算路径来计算中间接头轴向不同位置的温度分布，其中红色截线为计算路径，其计算结果如图 所示。由图 可知，高压载流导体总体温度从两端到中间呈现下降趋势，最大温差约为 ，温度较低的区域在 区域内。该区域为压接管所在区域，因为压接管与高压载流导体良好接触，此处导体的横截面积相当于增大了，高压载流导体距离外护套外表面更近，电磁热能更快传递到外护套外表面，从而散发到空气中，故高压载流导体温书书书图 中间接头温度计算路径示意 图 外护套外表面与高压载流导体表面轴向不同位置温度分布对比（、）（，）度在此处最低。外护套外表面温度的变化趋势为从两端到中间温度增大，最大温差约为 。该变化趋势与高压载流导体表面轴向不同位置温度变化趋势刚好相反，这是因为压接管区域处电磁热更快传递到了外护套外表面，因此与压接管对应的外护套外表面区域温度最高。不同极端高温环境下中间接头内部温度变化取图 中的外护套外表面计算路径和导体表面计算路径计算其温度分布情况。为更好地对比，此次仿真分析加入了正常夏季的环境温度，即环境温度为 的情况。不同环境温度下高压载流导体表面温度分布和外护套外表面温度分布如图 所示。由图 可知，种不同环境温度下中间接头的高压载流导体表面温度与外护套外表面温度的变化趋势大致相同。外护套外表面与高压载流导体表面的最大温差与环境温度无关，前者固定为 ，后者固定为 。在通过幅值为 的电流的情况下，当环境温度达到 时，高压载流导体表面最高温度是环境温度为 的 倍，外护套外表面最高温度是环境温度为 的 倍。此外，当环境温度达到 时，在所通电流幅图 不同环境温度下中间接头温度分布对比（）（）值为 的情况下，高压载流导体表面温度已经超过了 所规定的最高温度 。在极端环境下中间接头内部温度过高会对其安全稳定运行造成严重危害。极端高温环境下电流对中间接头温度分布影响为探究中间接头在最恶劣工作环境下的内部温度分布情况，同时考虑到世界某些国家环境温度高达 ，文中设置极端温度为 ，在不同电流幅值下高压载流导体表面最高温度的仿真结果如图 所示。图 中，红色虚线为 中规定的以交联聚乙烯为绝缘的三芯电缆铜高压载流导体的最高允许温度 。由图 可知，高压载流导体表面温度与所通电流幅值的关系近似二次函数。根据式（）对所有不同环境温度下的最高温度与所通电流幅值关系进行拟合。（）式中：、为常数；为最高温度。得到的高压载流导体上电流的拟合曲线参数如表 所示。定义 为极限安全载流量，以表示在高压载流导体温度为 时所通过的电流幅值大小，即图 中红色虚线与各曲线交点对应的横坐标电流幅值。卢斌先 等：极端高温下 电缆中间接头载流量分析图 不同环境温度下高压载流导体最高温度与所通电流幅值关系 表 曲线拟合参数 环境温度 根据表 和式（）可以得到不同环境温度时高压载流导体在不同电流幅值下的温度。中规定，电缆铜高压载流导体横截面积为 的电缆的最大额定载流量为 。年，国内外许多地方的环境温度已经突破 。在该情况下，的电流就使得导体最高温度达到了 ，如表 所示。如果考虑到一定裕度，额定电流应该还远低于 ，而不是国标规定的 ，因此按照国标规定的允许载流量在极端环境温度下运行有可能造成中间接头段处的高压载流导体过热损坏。结论文中采用有限元法分析了极端环境温度下电缆沟铺设的 三芯电缆中间接头内部温度分布。研究结论如下：（）中间接头的高压载流导体表面与外护套外表面的温度分布趋势相反。高压载流导体表面温度从中间向两端升高，外护套外表面温度从中间向两端降低。（）环境温度的升高对中间接头高压载流导体表面的温度分布几乎没有影响，在外护套外表面处也满足此规律。电流增大的倍数对中间接头高压载流导体表面温度的影响近似为二次函数关系。（）文中拟合了不同极端环境温度下外护套外表面和高压载流导体表面最高点温度随所通电流幅值变化的函数关系，计算得到各环境温度下的极限安全载流量。（）考虑近些年夏季环境温度持续明显增加，现行国标中 铜导体三芯交联聚乙烯绝缘电缆中间接头的持续允许载流量须被修正。参考文献：邢洁，曹瑞琳 城市配电网中电缆大规模接入条件下的无功优化方法研究 电力电容器与无功补偿，（）：，（）：陶瑞祥，王成珠，姜云土，等 电缆中间接头 绝缘收缩电场分析 浙江电力，（）：，（）：徐明忠，夏荣，欧阳本红，等 基于内置差分电容的电缆接头局放检测技术研究 智慧电力，（）：，（）：陶宇航，张熹，宫祥龙 电缆故障测距及定位典型案例分析 电气技术，（）：，（）：揭青松，杨庆，崔浩楠，等 基于暂态电压传递特性的电缆接头绝缘状态检测方法 高电压技术，（）：，（）：王华楠，王霞，余栋，等 电缆中间接头的合闸过电压仿真研究 高压电器，（）：，（）：孙欣宇，吴铮，伍铭妍，等 基于小缺陷扰动模型中压电缆附件综合绝缘性能评价方法 南方电网技术，（）：，（）：李海鸣 电缆中间接头小尺寸缺陷电场分布精确建模及分析 北京：华北电力大学，：，游佳斌，葛馨远，陈剑，等 电缆中间接头测温防爆装置的研究与设计 自动化与仪器仪表，（）：，（）：朱亮，苏娟，马振祺，等 电缆中间接头故障解体分析 电工技术，（）：，（）：李春阳，陈先胜，胡巍，等 电压稳定剂对电缆附件 本体与绝缘界面耐电性能影响 中国电机工程学报：，：，（）：陈胤，黄瑞梅 基于电 热场耦合的 电缆中间接头气隙缺陷仿真分析 电气技术，（）：，（）：，（）：，（）：胡青云，黄应敏，胡超强，等 电缆附件用硅胶的热老化特性及其可靠性分析 粘接，（）：，（）：范星辉，谢月，刘刚，等 不同温度下退役高压电缆绝缘介电特性研究 电力工程技术，（）：，（）：，赵学风，郝一帆，黄国强，等 基于有限元仿真的土壤直埋电缆中间接头稳态载流量计算 高压电器，（）：，（）：，（），：赵莉华，周冬冬，闫志强，等 交流三芯电缆中间接头直流化改造热 电耦合仿真研究 南方电网技术，（）：，（）：林梓圻，周贺，牛林华，等 隧道敷设条件下超高压电力电缆热 流场耦合分析 电力工程技术，（）：，（）：谢坤，张伟，张杰，等 高压电缆附件绝缘理化性能与电气特性研究 电工电能新技术，（）：，（）：朱江 基于多场耦合的电力电缆温度场仿真及其监测系统研究 北京：华北电力大学，：，陈梦曦 三芯电缆接头温度场的仿真研究 西安：西安科技大学，：，郑文坚 空气敷设电缆热流耦合场仿真及其参数研究 广州：华南理工大学，：，刘刚，王鹏宇，毛健琨，等 高压电缆接头温度场分布的仿真计算 高电压技术，（）：卢斌先 等：极端高温下 电缆中间接头载流量分析 ，（）：郝一帆，李嘉明，陈曦，等 直埋直流电缆中间接头稳态载流量计算 电线电缆，（）：，（）：作者简介：卢斌先卢斌先（），男，博士，教授，研究方向为电晕放电、电压测量、中压电缆附件的热扩散特性（：）；薛涛（），男，硕士在读，研究方向为电缆绝缘、电缆热扩散特性；王宜静（），女，学士，高级工程师，从事工业电气自动化、电力系统分析等工作。，（，；，；，）：，：；（编辑陆海霞）