不同状态下电缆接头温度分布对比研究_蔡涛.pdf

2023年 第3期 总第261期江西电力 2023JIANGXI DIANLI 2023不同状态下电缆接头温度分布对比研究不同状态下电缆接头温度分布对比研究不同状态下电缆接头温度分布对比研究不同状态下电缆接头温度分布对比研究不同状态下电缆接头温度分布对比研究不同状态下电缆接头温度分布对比研究不同状态下电缆接头温度分布对比研究不同状态下电缆接头温度分布对比研究不同状态下电缆接头温度分布对比研究不同状态下电缆接头温度分布对比研究不同状态下电缆接头温度分布对比研究不同状态下电缆接头温度分布对比研究不同状态下电缆接头温度分布对比研究不同状态下电缆接头温度分布对比研究不同状态下电缆接头温度分布对比研究不同状态下电缆接头温度分布对比研究不同状态下电缆接头温度分布对比研究不同状态下电缆接头温度分布对比研究不同状态下电缆接头温度分布对比研究不同状态下电缆接头温度分布对比研究不同状态下电缆接头温度分布对比研究不同状态下电缆接头温度分布对比研究不同状态下电缆接头温度分布对比研究不同状态下电缆接头温度分布对比研究不同状态下电缆接头温度分布对比研究不同状态下电缆接头温度分布对比研究不同状态下电缆接头温度分布对比研究不同状态下电缆接头温度分布对比研究不同状态下电缆接头温度分布对比研究不同状态下电缆接头温度分布对比研究不同状态下电缆接头温度分布对比研究蔡涛（国网江苏省电力有限公司检修分公司，江苏 南京 211102）摘要：文中根据电缆接头容易发热导致电缆出现故障的问题，对不同状态下电缆接头温度分布进行分析。首先，分析电缆接头的结构和主要形式，对电缆接头的温度变化采用仿真分析的形式进行分析。其次，开展理想状态下中间温度的仿真，对不同接触电阻和不同接触电阻率对温度分布的影响对比研究。最后得出以下结论：电缆接头位置不同温度分布也不同，随着电阻的增加，温度也在增加，最小温度的增加趋势小于最大温度增加趋势，当电阻率较大时，线芯温度变化也较大。电阻率为210-8m，温度为18，电缆接头温度分布正常，可以保证安全运行。关键词：电缆接头；故障；电阻率；温度中图分类号：TM 247文献标志码：B文章编号：1006-348X（2023）03-0021-04收稿日期：2023-02-20作者简介：蔡涛（1989），男，硕士研究生，工程师，现从事变电运维研究工作。0引言电力系统中直流分压器、电缆接头等经常出现故障，其中温度升高是导致故障出现的主要原因1-2。温度是对电缆接头起到影响作用的主要因素，温度的升高会使得绝缘体出现损坏，导致线路故障的出现3。对不同状态下的电缆接头温度进行控制和监测能够及时发现温度变化异常，适当采取措施可以避免更大危害的发生，对于提高电力系统安全具有重要意义4-6。电缆接头温度故障由于产生的热量较多，会导致绝缘体老化，出现绝缘体击穿的现象7。开展电力系统电缆接头温度监测能够避免电缆接头温度过高，根据监测发现的结果及时做出对温度调节的改变8。电力系统因绝缘体故障导致火灾和爆炸的发生，需要密切注意。针对电缆接头发热问题，对不同状态下的电缆接头温度分布进行研究，开展仿真分析，提高电缆接头温度分析效果，对于维持电缆接头的安全和保证电力系统安全具有重要意义。1电力线缆的结构与分类1.1电力线缆结构电力电缆的结构是影响电缆温度变化和故障发生的主要因素，为了分析不同状态下电缆温度，首先需要了解电缆的结构，电缆的结构如图1所示。1.外护层；2.垫层包带；3.铜带屏蔽；4.外半导电层；5.XLPE绝缘；6.内半导电层；7.导体图1电力系统电缆结构图在电力线缆中，外护层位于电缆的最外侧，对于电力线缆具有保护作用，XLPE电缆导体可以选用圆形单线、绞合线，半导电层也是内屏蔽，对于外界的热量能够进行屏蔽。1.2电力线缆分类对于电缆接头而言，按照绝缘材料对电力电缆分类标准中，按电压等级和绝缘材料是常见的一种分类方式，电力线缆分类如表1所示。表1电力线缆电压分类表分类标准电压（kV）材料分类形式低压（l）橡胶绝缘电缆中压（635）油浸纸绝缘电缆高压（63220）阻燃电缆超高压（大于330）塑料绝缘电缆电缆线的材料对于电力系统而言十分重要，阻燃材料可以防止电缆因温度过高发生自燃现象，橡胶绝缘能够将电缆芯导体与外界断开，预防漏电现象的21电网技术GRID TECHNOLOGY发生。2电缆接头发热分析2.1电缆接头温度变化在电力系统中，当电压较高时，电流经绝缘材料泄露，电缆线出现局部放电现象。局部放电导致电缆接头温度增大，随着电流增大，过高的温度会导致电缆接头出现故障。在出现故障的过程中伴随热量的产生和释放，导致电缆接头温度升高，对电缆接头温度的产生和变化进行分析，能够及时发现故障。电缆线的发热如果能够及时监测，可以有效避免电缆故障的发生，对于电缆接头温度的监测是有效发现故障的手段。在电缆线正常工作的过程中，电缆接头的部位会产生热量，热量不影响电缆线工作，不会导致电缆线故障。当热量累计或者线路出现负载过大、电压突变等导致电缆线接头温度升高。需对电缆接头进行温度分析，研究不同状态下温度分布。2.2电缆接头温度分析方法根据电缆接头发热和辐射原理，在产生热量导致温度升高的过程中，能够采用仿真分析的方法。通过仿真获得不同状态下电缆接头温度变化情况。电缆接头部位是热量交换过程中产生热量较多的部分，电缆接头在与外界进行热量交换的过程中，导体是主要的发热体。导体产生的热量形成温度场，产生热量，这个热量的产生过程可以使用仿真过程进行模拟，使用ANSYS软件对电缆接头的温度分布进行仿真研究。2.3电缆接头的建模与仿真进行电缆接头温度仿真，选择Geometry 模块作为电缆接头温度分布仿真分析的模块，建立电缆接头模型。电缆接头模型包括外护层、垫层包带、铜带屏蔽、外半导电层、XLPE绝缘、内半导电层、导体。不同材料的导热率和电阻率不同，材料属性如表2所示。表2电缆接头材料及属性结构外护层垫层包带铜带屏蔽外半导电层XLPE绝缘内半导电层导体材料聚乙烯铜铜半导电聚烯烃硅胶铜铜电阻率（m）110-71.610-71.610-71.610-7110-71.610-71.610-7热导率（W/m ）0.53853850.60.450.6半径（mm）2.12112514文中使用电热耦合模块开展电缆接头温度分布的的仿真分析，添加电流、电压等条件，根据热力学定律设置边界条件。电缆线的电流设置为12.5 A，外界环境温度设为18，空气中存在热交换，对流交换热系数10 W/（m2）。3不同状态下电缆接头温度分布仿真分析3.1理想状态的中间接头温度分布仿真分析时，将电缆看做一种理想状态，理想稳定运行状态时，电缆接头部位温度变化不明显，空气在电缆接头分布均匀。设置单芯铜芯电缆载流量是245 A，仿真结果如图2（a）：电缆最高温度89.636，已知电缆线在工作过程中允许温度为90 C，仿真分析温度与允许温度相差0.364，需要考虑进行降温。图2（b）表示电缆中间接头温度分布，在允许温度 范 围 内，温 度 分 布 较 为 均 匀，接 头 线 芯 温 度43.37，工作状态平稳安全。电缆接头外层最低温度为27.569，能够适应工作温度要求。（a）电缆温度分布图（b）接头温度分布图图2电缆温度仿真分布云图电缆接头温度发生变化时，在不同的部位可能表现出不同的特点，为此，需要对内部径向温度和表面轴向温度进行分析，绘制温度分布曲线如图3所示。图3（a）表示电缆接头位置与径向温度分布关系，图3（b）表示外表面温度沿轴向分布曲线。所示，曲线规律符合热传导定律，接头温度由内到外逐渐降低。如，温度范围27.58928.238，相差不到1，符合热量学传导规律。接头外表面中间温度低，中间存在接触电阻，两侧的温度高，接头两端存在半导电层搭接。222023年 第3期 总第261期江西电力 2023JIANGXI DIANLI 2023（a）电缆接头外表面轴向温度分布（b）电缆接头内部径向温度分布图3电缆接头温度分布曲线由3（a）可知，在接头的中间位置，外表面温度从两边向中间逐步降低，由图3（b）可知，在电缆接头内部，径向温度先增大后减小。3.2不同接触电阻对接头温度分布的影响对于电缆来说，中间接头在安装完成后形成接触电阻，电阻的存在会导致电缆接头的温度升高，电缆接头温度变化导致绝缘材料老化加快。研究等效电阻对电缆接头温度变化的影响，添加等效电阻，等效电阻示意图如图4所示。图4电缆接头添加等效电阻示意图为了考查不同长度等效电阻产生的温度变化，选择长度不同的等效电阻进行分析。等效电阻长度分别为20 mm、40 mm、60 mm、72 mm、80 mm、100 mm，对这些不同长度的等效电阻进行温度分析。设置外界条件，电流大小为225 A，环境温度18，不同长度等效电阻温度分布如图5所示。图5不同长度等效电阻温度分布曲线由图5可知，不同长度等效电阻电缆接头的外表面温度变化趋势相同，在接头位置2030 cm处，电缆接头外表面温度最低。3.3不同电阻率对电缆接头温度分布的影响对接触电阻进行分析后，继续考察不同电阻率对电缆接头温度分布的影响。在电力线缆中，电缆的电阻率是影响电缆发热和温度变化的主要因素。电力线缆采用铜芯时，电阻率为1.810-8m，最大电阻率和最小电阻率对温度变化的影响不同。以铜芯作为材料设置电阻率，温度18，电流225 A，电缆接头温度分布曲线如图6所示。图6不同电阻率下的温度图由图6可知，电阻率不太大情况下，电缆接头的温度分布不同。随着电阻率的增加，温度也在增加，最小温度的增加趋势小于最大温度增加趋势。接触电阻率每增加0.210-8m，最小温度增加1，最大温度增加5。为了进一步分析不同电阻率对电缆接头温度分布的影响，在外表面轴向温度和电缆线内部轴向温度不同尺寸处温度进行分析，提取200个温度测量点，绘制温度分布曲线如图7所示。（a）电缆外表面轴向温度分布（b）电缆线芯温度分布图7不同电阻率温度分布23电网技术GRID TECHNOLOGY由图7可知，线芯温度与外表面温度基本一致，电缆外表温度变化小于线芯温度变化。图7等效接触电阻温度39.4，电缆接头中间温度24.87，与电缆线芯相比差别较大，温度相差14.53，其外表面温度曲线呈现凹形。温度升高现象存在等效电阻中，线芯温度升高呈现波浪趋势。当电阻率较大时，线芯温度变化也较大。接触电阻电阻率为210-8m，温度为 18，电缆接头温度分布正常，可以保证安全运行。4结语根据电缆接头容易发热导致电缆出现故障的问题，对不同状态下电缆接头温度分布进行分析。分析电缆接头的结构和主要形式，对电缆接头的温度变化采用仿真分析的形式进行分析。开展理想状态下中间温度的仿真，对不同接触电阻和不同接触电阻率对温度分布的影响对比研究，得出以下结论：1）在接头的中间位置，外表面温度从两边向中间逐步降低，在电缆接头内部，径向温度先增大后减小。2）不同长度等效电阻电缆接头的外表面温度变化趋势相同，在接头位置2030 cm处，电缆接头外表面温度最低。3）随着电阻的增加，温度也在增加，最小温度的增加趋势小于最大温度增加趋势。接触电阻每增加0.210-8m，最小温度增加1，最大温度增加5。4）当电阻率较大时，线芯温度变化也较大。接触电阻电阻率为210-8m，温度为18，电缆接头温度分布正常，可以保证安全运行。参考文献：1 李光耀，闫殳裔，王晓禹，等.直流分压器故障诊断分析J.东北电力技术，2023，44（1）60-62.2 蒲路，段玮，孙骥，等.基于有限元法的单芯电缆接头线芯温度计算J.电网与清洁能源，2021，37（2）57-63.3 刘永莉，熊豪文，肖衡林，等.基于有限元的综合管廊电缆温度场分布研究J.电力科学与技术学报，2022，37（6）82-90.4 张梦炎，文博.低功耗电力电缆中间接头测温系统的设计J.江西电力，2020，44（2）25-31.5 贺毅，代文平，肖琨.铁道27.5 kV电缆接头芯温监测系统方案研究J.电气技术，2020，21（2）114-118.6 李岚冰，张逢雪，张强，等.10 kV电缆终端头温