电力系统电缆线接头温度仿真与实验研究

引言

电缆接头是电力系统的重要部件,也是故障较多的环节,工作中会受到温度场与电场的耦合,温度异常升高。电缆接头温度过高会导致绝缘系统破坏,造成电力系统故障。因此,对电力电缆接头温度进行分析研究,对于提高电力系统运行安全性,降低风险具有重要意义。

对于电力电缆接头发热和容易出现故障的问题,可以采用仿真分析的方法,分析接头温度分布,这对改善电缆接头情况,及时发现可能存在的问题具有重要意义。如果可以提前发现电力电缆接头潜在问题,则能够达到预防优先的效果,有利于保证系统安全使用,提高电力电缆的输电质量。

本文介绍了电缆接头内部结构和常见故障,对于温度这一影响电缆接头故障的主要参数进行仿真分析,建立三维模型,进行网格划分,设定边界函数。最后掌握了温度与电缆接头故障的关系,对于维持电缆接头稳定性具有一定的参考价值。

1电缆接头内部结构及故障类型

1.1电缆接头内部结构

电缆接头是电力电缆的重要组成部分,电缆接头部位由于结构复杂,在工作过程中会出现一定的故障,影响电力系统安全运行。电缆接头需要具备一定的热学性能,对外界复杂的环境需要有一定的适应能力。电力电缆接头的结构形式如图1所示。

由图1可知,电缆接头从外到内分别为保护套、金属屏蔽层、连接管等主要部分,电缆绝缘与外界隔离,保护电缆内部连接管和线芯。连接管一般需要倒角,防止钝边造成的电缆破坏,避免出现电应力集中。电缆接头的结构对于温度和电缆故障具有重要影响。

1.2电缆接头出现的故障类型

电缆接头在工作过程中会出现故障,对线路的稳定和正常运行不利,需要对故障进行分析,及时发现并排除故障。电缆接头故障主要有两种,即导体故障、绝缘故障。

(1)导体故障:电力线缆中线芯导体出现的故障,这种故障出现后会导致电流的通路断开,影响电力系统正常工作。电力电缆内部有的是两芯,有的是三芯,线芯出现故障后电缆就无法再发挥导体的作用。

(2)绝缘故障:表现在外部,包括外部绝缘体老化、破裂等。绝缘故障出现后,电路中的电流容易泄漏,导致电力系统安全性降低。

2电缆接头温度仿真研究

电缆接头在出现故障时,外界直观的表现是温度,因此根据电缆接头温度的变化可以及时了解电缆接头的状态,出现故障时可以及时排除。为此,对电缆接头开展仿真研究,以了解电缆内部温度变化情况。

2.1仿真流程

为了描述电缆接头的温度场,使用仿真软件ANsys开展仿真分析。ANsys软件是常用的工程模拟软件,由美国ANSsS公司开发,在许多应用领域发挥着巨大作用。仿真软件开展仿真分析时依据一定的流程,ANSsSworkbenchl4.5仿真过程如图2所示。

对于电力线缆接头需要选择相应的仿真模块,建立几何模型,几何模型的建立是进行仿真分析的重要步骤。建立完几何模型后,设置材料属性并对边界条件进行限定,然后划分网格,对边界条件进行计算求解,输出计算结果。

2.2电缆中间接头建模与参数设置

连接电缆的特点是选择仿真模块、设置参数的前提,根据电缆接头,选择Geometry模块进行仿真分析,电缆中间接头型号为JLS35-l/l。建立几何模型如图3所示。

该三维几何模型包括电缆接头的关键结构,主要包含连接管、电缆线芯、半导电层、绝缘层、金属屏蔽层,这些结构需要在仿真过程中设置参数进行计算。

2.3网格划分

网格划分有利于仿真软件快速求出结果,根据几何模型的特点,网格可以划分为三边形状或四边形状,这是根据电缆接头决定的。三维几何模型Meshing划分,按照划分的算法有独立分片法和协调分片法,形状包括六面体网格、棱锥网格、四面体网格、棱柱等。

本文进行仿真分析时考虑软件功能,综合电缆接头特性,采用四面体网格、协调分片算法划分,以最大限度缩小网格。物理场参照Mechanical类型,单元尺寸l×l0-4m,相关性中心选择Medium,网格膨胀层为None,网格划分结果如图4所示。

对于网格划分而言,独立分片算法的要求并不严格,用于统一尺寸网格。使用协调分片算法时,要避免实体之间的影响,用小公差法考虑零件。这种网格划分在流体分析、电磁分析、机械分析领域应用较多。

2.4施加载荷和边界条件

对电缆接头进行电热耦合模块的仿真,设置电学类和热学类边界条件。添加电缆接头流经的电压、电流,根据热力学定律,设置在放热过程中的边界条件。

本文电缆接头线芯通电发热,电压、电流分别设置为220V、12.5A,环境温度设为18℃,电缆接头发热时存在对流,设置对流换热系数为10w/(m2·℃)。设置边界条件如图5所示。

图5设置边界条件

3仿真结果分析

电缆接头需要工作在理想的温度下,电缆接头产生的热量一定程度上会向周围传递,热量传递的过程会影响温度的分布。本文选择电阻等效长度72mm,电流225A,环境温度18℃,温度分布图如图6所示。

图6长度为72mm的等效接触电阻接头温度分布图

本文连接管的长度72mm,根据图6可知,电阻对温度分布的影响较小,只有0.07℃,选择的铜管长度不会影响模型复杂程度,可以改善仿真效果。接触电阻电阻率为2×10-80·m,温度为20℃,载流量为245A,等效仿真输出仿真图形,结果显示,外表面中心温度为27.784℃。接头电阻可以使用,能够保证安全运行的温度阈值。

4实验研究及结果对比

4.1实验验证

针对仿真结果进行验证,并对比两者的结果。在实验室利用电力电缆开展温升实验,实验设备包括恒温箱、红外成像仪、热电偶,其中热电偶温度测量范围为0~350℃,精度为0.5℃。

实验装置示意图如图7所示。

采用温度测量装置对电缆接头的温度进行测量,将TT-T-24热电偶埋入电缆缆芯,外表用隔热材料填充。

4.2仿真与实验结果对比

热电偶对电缆接头温度测试采用多次测量的方式,对比仿真实验测得的温度与实际实验温度,整理如表1所示。

由表1可知,实际实验测得的温度与仿真结果的温度最大误差为1.945C,最小误差为0.401C。误差在可接受范围之内,表明ANSYS仿真能够用于电缆接头温度的测量。

5结语

本文介绍了电缆接头内部结构和常见故障,对电缆接头的温度开展了ANSYS软件仿真分析,通过建立三维模型、进行网格划分、设定边界函数,求得电缆接头温度分布的结果。最后进行实际实验,发现仿真温度与实际温度误差在可接受范围之内,证实了仿真测温的有效性,对于电缆接头温度研究具有一定的参考价值。