单芯电缆中间接头温度场计算模型分析

引言

电网中大量使用电缆线路进行供电,而电力电缆导体的温度是确定电缆是否达到载流量的依据,电缆超载运行将导致线芯过热,绝缘加速发生热老化现象,严重降低电缆运行寿命。因此,研究电缆导体的温升具有重要意义。目前,国内外关于电缆接头温度的检测主要有热路模型法、数值计算法、数据挖掘法等。其中,热路模型法和数值计算法虽然可以计算电缆接头温度,但需准确获取接头结构和材料参数,且需要在电缆接头附近布置大量测温点,才能保证准确描述温度边界条件,这对实际工程而言是难以实现的。数据挖掘法需对电缆接头开展温升试验,获取测量点和接头热点温度数据,但开展过温升试验的电缆接头是不能挂网运行的,因而该方法不能用于工程实际。

因此,本文通过建立110kV电缆接头的温度场计算模型,对电缆及接头外表面加载第三类边界条件,进行暂态温度场计算。为验证网格划分的准确性,对网格独立性和时间步长进行独立性验证,并对温度场进行分析探讨得出实验结论,同时,对缆芯压接电接触模型进行探讨,通过对比分析结果,验证计算模型的合理性,为后续实现对中高压电缆接头温度的无损检测研究提供参考。

1110kV单芯电缆接头热路模型加载条件

本文以型号YJLw03-Z64/110kV630mm2电缆作为研究对象,电缆总长设为10m。电缆及接头外表面加载第三类边界条件,其中环境温度为25℃,对流换热系数为8w/·m2)℃）。热源由电流在缆芯上的焦耳热产生,分为本体缆芯发热·用G1表示）以及压接管处导体发热·用G2表示）两部分,其中压接管处的总电阻Rj实测为5.1u0。通过计算可得两部分热源为G1=I2×0.035,G2=I2×0.0217。1000A单阶跃电流下的暂态温度场计算,时间步长设置为600s,总计算时间为100h。

2电缆接头温度场分析

通过实验仿真可发现,100h时缆芯温度基本达到稳态,分析电缆温度场分布可见,接头内部缆芯温度较高,向两边本体方向延伸温度逐渐降低,距中心4m以后温度趋于平衡,整体表现为一个上凸曲线,分析接头整体热流密度矢量分布,热流主要集中在缆芯和铝护套等导热率高的金属上,由接头向两边本体沿轴向传播,经过电缆接头端部附近时热流最大,之后逐渐减小,而绝缘体上的热流要比金属小很多。由于接头热阻大,热流被挤入周围热阻更小的本体部分,因而靠近接头的电缆本体热流较大,而远离接头的电缆本体热流较小,故电缆本体的径向热流沿轴向分布并不均匀。在时变过程中,在温升的前10h电缆本体缆芯温度高于接头缆芯温度,随后本体缆芯温度逐渐趋于稳定,而接头内缆芯温度持续升高,接头内部温度最终高于本体缆芯。

3考虑接触面电流分布不均匀的精细电接触模型

压接管将两段电缆缆芯连接在一起,通过压接管内壁与缆芯外表面的压力实现电接触。为便于建立电接触模型进行如下假设:·1）忽略缆芯绞线结构,将其当作实心铜导体,忽略压接管表面的不规则形状,将其等效为空心圆柱体:·2）两段缆芯的压接处端部通常不直接接触,中间留有一定缝隙,其大小对于接触电阻影响不大,将缝隙距离固定为1mm。

实际压接管与缆芯之间的接触面由许多个点接触组成,可将实际接触面等效为完全接触面,接触部分的参数由等效接触长度1c和等效接触电阻率pc进行表征,假设等效接触长度1c=1mm,通过调整pc使压接管区域总电阻与实测电阻相等进行等效,其中,压接区域的总电阻可通过恒定电流场进行计算。

由于压接管内电流分布不均匀,需要进行电流-温度场耦合计算,首先对压接管内电流场进行计算,然后将对应热生成率加载到温度场计算模型中。首先确定等效接触电阻率pc=1.031×10-50)m,根据加载1000A电流时的接触电阻区域电位、电流密度矢量及热生成率分布云所示,其电位和电流密度分布均符合物理规律,热生成率分布云图表明热量主要集中在接触面区域,这是接触面等效电阻率远远大于压接管和缆芯部分的结果。不同电接触模型下缆芯压接处温度随时间变化如图1所示,从图中可见精细化与简化电接触模型计算结果几乎没有差异,因此采用简化电接触模型进行电缆接头温度计算是合理的。

4结语

本文建立了110kV电缆接头温度场计算模型,通过对电缆接头温度场分布进行分析得出以下结论:

（1）稳态时电缆接头内部缆芯温度较高,向两边本体方向延伸温度逐渐降低,距中心4m以后温度趋于平衡,整体表现为一个上凸曲线,但接头热点并不在压接处:

（2）稳态时热流主要集中在缆芯和铝护套等导热率高的金属上,电缆本体的径向热流沿轴向分布并不均匀,暂态过程中缆芯轴向温度分布不是固定不变的,形态十分复杂:

(3）对比精细电接触模型,采用简化的电接触模型进行温度场计算的结果是合理的,可以在保证计算精度的前提下降低计算复杂度。