輸電線路傳熱特性實驗研究

陳娟 姚峰 ，2

1 東南大學能源與環境學院

2 蘇州科技大學環境科學與工程學院

輸電線路應用范圍廣泛，運行環境復雜多變（如高原，極地，沙漠，雨林等），對輸電線路的可靠運行提出了較高的技術要求。目前衛星熱設計[1-2]以及部分復雜環境下的發電站已將大功率線路發熱[3-4]納入熱設計范圍內。現有研究主要集中在常壓或高壓條件下的輸電線路發熱特性[5]，對低壓條件下發熱特性研究較少。而與常壓相比，低壓條件下冷卻效能下降，勢必會對線路的發熱特性產生影響。本文將基于不同工況下電纜的發熱對其傳熱特性進行分析。

本文設計并搭建了輸電線路發熱特性實驗系統，對輸電線路的發熱特性進行了實驗研究，分析了輸電線路內部傳熱過程，并研究了負載電流，保溫層以及大氣壓力對電纜本身在通電運行過程中表面溫度，溫度時間常數的影響。

1 實驗體系

如圖1所示，輸電線路表面散熱特性實驗系統主要由電纜測試系統，低氣壓系統以及數據采集系統組成。其中，電纜測試系統主要對電纜表面的溫度變化情況進行測量，包括被測試BVVB電纜，電流表，功率表以及多個固定電阻（阻值為256±5%Ω）并聯組成的回路，電纜參數如表1所示。低氣壓系統用來創造實驗所需的低壓環境，包括真空罐，真空泵，真空表和空氣流量計。數據采集系統用于實時采集和記錄電纜表面溫度，主要包括了數據采集儀，計算機以及k型熱電偶等。

圖1 電纜實驗系統圖

表1 電纜參數

實驗時，將BVVB電纜置于真空罐中并與外界環境隔離，保持輸電系統電壓不變，通過改變并聯電阻的個數調節電路中負載大小，從而改變通過電纜的電流大小，實現電纜發熱功率的調節。利用數據采集儀實時采集和記錄真空罐內電纜表面溫度的變化情況。測溫點布置如圖2所示，電纜上共布置6個測溫點，測點由電源接頭指向電阻方向等距離布置。本實驗中，輸電系統電壓保持220 V不變，不同工況下通過電纜的電流分別為I=1.72 A，I=4.30 A。實物圖布置如圖3所示。

圖2 電纜測溫點分布圖

圖3 電阻布置實物圖

2 實驗結果與討論

2.1 傳熱特性評價指標

電纜具有一定的電阻，因此當電纜通過一定負載電流時，必然會產生熱量，導致電纜溫度上升。為了評價電纜在施加恒定功率之后的熱響應速率，本文引入溫度時間常數tp對電纜溫度上升速度進行衡量。溫度時間常數tp的定義為，從施加恒定功率開始，電纜溫度達到穩定狀態溫度的62.23%時所經歷的時間[6]。

2.2 電纜內部傳熱過程

圖4給出了電纜護套與絕緣層表面平均溫度隨時間的變化，圖中，Tiso為絕緣層表面平均溫度，Tsur為護套表面平均溫度，Tair為空氣溫度。由圖4可知，當電路接通之后，電纜溫度開始上升，經過一段時間后基本保持不變，達到穩定狀態。這是由于電纜銅芯外依次包有絕緣層以及護套（如圖5所示），電纜向外界環境散熱時存在一定熱阻，電纜發熱量與散熱量存在一個逐漸平衡的過程。當電纜發熱量與散熱量達到平衡時，電纜表面溫度不再升高，達到穩定狀態。從圖中還可以看出，在電纜溫度上升過程中，絕緣層表面平均溫度高于護套表面平均溫度，這是由于導體發出的熱量需要依次經過絕緣層、護套后才能向外界環境釋放，而絕緣層與護套之間存在接觸熱阻，對熱量從絕緣層向護套的傳遞造成了阻礙，因而熱量在絕緣層積聚，導致了絕緣層溫度高于護套溫度，使得絕緣層的溫度時間常數有所增加。

圖4 加熱30 min中護套表面平均溫度與絕緣層表面平均溫度

圖5 電纜結構圖

2.3 負載電流的影響

由于電纜導體本身具有電阻，根據Q=I2R可知，電纜的發熱功率隨著負載電流的增大而增加。圖6（a）和圖6（b）分別給出了在常壓條件下，通過電纜的負載電流為1.72 A與4.30 A時電纜護套表面溫度隨時間的變化。從圖6可以看出，當負載電流從1.72 A增大至4.30 A時，電纜本身的發熱功率隨之增大，而電纜與周圍空氣的換熱能力基本保持不變，因此電纜的溫度上升幅度從0.4℃增大至2.0℃，溫度時間常數從12 min減小至9 min 23 s。由此可得，電纜的溫升與負載電流呈正相關，而溫度時間常數與負載電流則呈負相關。

圖6 不同負載電流下電纜的溫度變化圖

2.4 保溫層的影響

電纜除采用架空的方式進行敷設之外，還可以采用埋地等方式進行敷設。由于土壤導熱性能較差，熱量從電纜傳遞至土壤之后在電纜周圍積聚，阻礙了電纜向外界發散熱量，此時土壤相對于電纜而言起到了保溫層的作用。為了研究這種情況下電纜的發熱特性，本文對電纜進行保溫處理后進行了實驗測試。圖7比較了負載電流為4.30 A時，未保溫電纜與保溫處理后電纜表面平均溫度隨時間的變化。從圖中可以看出，對電纜進行保溫處理后，電纜溫度達到穩定后溫升約為3.4℃，比未保溫時的溫升增加了1.4℃。溫度時間常數為15 min 39 s，比未保溫時溫度常數增加了6 min 16 s。以上數據表明，與未保溫的電纜相比，保溫處理后的電纜散熱能力下降，表面溫度上升幅度增大，溫度時間常數增加。

圖7 負載電流I=4.30 A時電纜保溫前后溫度隨時間變化

2.5 壓力的影響

與常壓環境相比，低氣壓環境下空氣密度減小，空氣的冷卻效能降低。圖8比較了壓力分別為0.1 MPa（如圖 8（a）所示）與 0.02 MPa（如圖 8（b）所示），電纜負載電流為4.30 A時電纜表面溫度隨時間的變化。從圖中可以看出，常壓時，電纜溫度達到穩定時溫度上升了2.0℃，電纜的時間常數為9 min 23 s，而在低壓環境中，電纜溫度達到穩定時溫升約為3.4℃，比常壓時溫升增加了1.4℃，溫度時間常數為7 min 52 s，比常壓時縮短了1 min 31 s。當壓力降低時，空氣密度下降，空氣的換熱能力下降，導致電纜散熱效果變差，使得電纜表面溫度相對于常壓時更高，同時上升速度更快，在更短的時間內達到穩定狀態。

圖8 不同壓力下電纜的溫度變化圖

3 結論

本文搭建了輸電線路傳熱特性實驗系統，對輸電線路的傳熱特性進行了實驗研究，分析了輸電線路內部傳熱過程，研究了負載電流，保溫層以及大氣壓力對電纜本身在通電運行過程中表面溫度的影響。研究結果表明：

①導體發出的熱量需要依次經過絕緣層、護套后才能向外界環境釋放，因此電纜向外界環境散熱時存在一定熱阻，其發熱量與散熱量存在一個逐漸平衡的過程。在電纜溫度上升過程中，絕緣層表面平均溫度高于護套表面平均溫度。

②增大負載電流增加了電纜的發熱功率，使得電纜的溫度上升幅度增大而溫度時間常數減小，當負載電流從1.72 A增大至4.30 A時，電纜的溫度上升幅度從0.4℃增大至2.0℃，溫度時間常數從約12 min減小至9 min 23 s。

③與未保溫的電纜相比，進行保溫處理后的電纜散熱能力下降，表面溫度上升幅度增大，溫度常數增加。當負載電流為4.30 A時，保溫后電纜溫度比未保溫時的溫升增加了1.4℃，溫度時間常數增加了6 min 16 s。

④與常壓環境相比，低氣壓環境下空氣密度減小，電纜表面的換熱能力下降，導致電纜散熱效果變差，使得電纜表面溫度相對于常壓時更高，而時間常數縮短，電纜溫度更快達到穩定狀態。與常壓（0.1 MPa）相比，低壓（0.02 MPa）情況下，電纜溫升增加了1.4℃，溫度時間常數縮短了1 min 31 s。