隨橋敷設高壓電纜接頭結構層溫升與載流特性研究

王根成，閆循平，李捍平，張振鵬

（1.國網浙江省電力有限公司舟山供電公司，舟山 316000；2.中國電力科學研究院有限公司，武漢 430074）

隨著我國電力系統的快速發展與全球能源互聯網戰略的實施，跨海能源互聯網系統的建設已經成為我國電力系統發展的重要方向[1-2]。隨橋敷設電纜線路是實現海島-大陸互聯、海島多端聯網的重要手段，是能源互聯網系統的重要組成部分。相較于海底電纜輸電線路，隨橋敷設電纜有著更優異的經濟性與更高的運行可靠性，并且由于電纜為沿橋敷設，后期可以通過橋梁檢修通道對電纜進行監測檢修[3-4]。隨橋敷設電纜在跨海輸電系統中發揮著愈發重要的作用，國內外已有多項電力工程利用跨海或者跨江大橋作為電力通道走廊，例如：2010年在上海東海大橋上敷設了雙回25 km的110 kV交流電纜；上海長江大橋沿橋敷設的220 kV的交流電纜是我國首例220 kV電力電纜過橋工程；寧波舟岱跨海大橋連接舟山諸島，長達17.355 m，是世界上最長的連島高速公路和規模最大的跨海橋梁群，舟岱大橋建成后將在橋上沿橋敷設220 kV高壓輸電線路，用于海島多端的電力連接[5]。

隨橋敷設電纜根據橋梁的不同形式而輻射在不同的環境中，如鋼箱梁、混凝土箱梁、鋼平臺等。不同敷設條件下的電纜運行環境存在極大的差異，舟岱大橋現場測量數據表明，在夏季溫度較高時，鋼箱梁內的最高環境溫度可以達到近50℃。高壓電纜中間接頭是用于連接兩根電纜的重要組件，同時也是電力線路中最薄弱最容易出現故障的部分[6]。在舟岱大橋沿橋敷設電纜中，鋼梁箱中的高溫環境嚴重影響電纜及中間接頭的正常運行，影響電力線路的輸送能力與穩定性。重慶大學陳仁剛等[7]針對電纜的敷設環境，通過實驗來測量土壤水分遷移后的電纜載流量，分析了外界環境因素對電纜溫度場與載流量的影響；華南理工大學牛海清等[8]仿真研究了防火封堵對隧道電纜運行情況的影響，表明防火封堵結構改變了空氣經過防火門后的流場分布，從而影響了熱場的分布；武漢大學提出的電纜接頭暫態熱路簡化模型，根據接頭監測點的溫度逆向推出導體的實際溫度的方法[9]；樂彥杰等[10]分析了填充介質熱阻率對電纜載流量的影響，通過選擇合適的材料來提高電纜的載流能力。以上研究表明了電纜及中間接頭的運行狀態受外界環境的影響，但是針對沿橋敷設電纜的特殊運行工況，尚未展開系統研究，亟待研究環境溫度、電纜接頭結構、空氣對流散熱條件對電纜中間接頭結構層溫升與載流量特性的研究。

為此，本文采用COMSOL Multiphysics軟件搭建了隨橋敷設電纜中間接頭的有限元[11]仿真模型，仿真獲得了高環境溫度對電纜中間接頭溫度分布與載流量的影響情況，分析了防水結構與空氣對流對電纜接頭溫度分布情況的影響。為沿橋敷設電纜運行狀況監測與載流量提升方法提供了參考。

1 220 kV XLPE電纜中間接頭建模分析

圖1為基于COMSOL Multiphysics有限元分析軟件的220 kV XLPE電纜中間接頭結構層溫度場仿真分析過程。仿真中，將電纜中間接頭看作軸對稱結構，選擇固體和流體傳熱物理模型對XLPE中間接頭進行仿真計算，對電纜中間接頭結構層溫度分布規律進行分析研究。采用自由三角形劃分網格并進行瞬態求解計算，設置繪圖組以得到關注的溫度分布情況。

圖1 仿真分析流程Fig.1 Flow chart of simulation analysis

1.1 模型參數選取與設置

以浙江舟山舟岱大橋沿橋敷設電纜整體預制型中間接頭（普銳斯曼，型號：GMS-300-CA-Cu-CAS-41-297-2-1252.C）為研究對象，構建電纜中間接頭的仿真模型，如圖2所示。

圖2 電纜中間接頭結構Fig.2 Structure of cable joint

XLPE電纜主要由電纜線芯、導體屏蔽、絕緣屏蔽、金屬屏蔽、外護套構成，電纜中間接頭結構包括導體壓接桿、鋁屏蔽罩、應力錐、乙丙橡膠接頭主絕緣、銅殼、防水膠、防水膠殼等，各結構層材料參數如表1所示。圖2中黑色方塊為各結構層溫度采集點，分別為導體溫度、XLPE絕緣/SiR絕緣界面溫度、接頭SiR絕緣外表面溫度、銅殼表面溫度、防水膠殼表面溫度。

表1 220 kV電纜中間接頭參數Tab.1 Parameters of 220 kV cable joint

相較于傳統的直埋與隧道電纜敷設方式，隨橋敷設電纜運行過程中環境溫度相對較高，舟岱大橋橋梁梁箱溫度最高可達50℃，且橋梁箱梁內部環境密閉，電纜表面空氣對流速度較低。上述3種電纜敷設方式的環境差異如表2所示，可知，較高的環境溫度與較小的空氣對流均會影響電纜接頭結構層溫升與載流特性，為此基于隨橋敷設電纜的特殊環境因素設定仿真模型參數。

表2 不同電纜敷設方式的環境差異Tab.2 Environmental differences between different cable laying methods

1.2 參數設置與網格劃分

沿橋敷設電纜中間接頭的仿真研究涉及熱量傳遞與熱源設置兩個方面。熱量傳遞有3種形式，分別是熱傳導、熱對流與熱輻射，其中熱傳導發生在相互接觸的兩個物體中，是由溫度梯度所產生的自然對流。熱傳導過程中滿足傅里葉定律，有

式中：?為流過平板的熱量，W；λ為導熱系數；A為平板的面積，m2；dt/dx為平板上一點在x方向上的溫度變化率。

熱對流一般是流體之間的宏觀位移伴隨著熱傳導，是指物體表面的一種傳熱過程，可表示為

式中：h為對流換熱系數，W/（m2·K）；Δt為兩相鄰結構表面溫度之差，℃。

地球上任何物體都存在熱輻射現象，發生輻射換熱的場合主要考慮電纜及中間接頭的表面輻射能力，滿足公式

式中：ΔT為物體表面的溫度差；σb為黑體輻射常數，一般取值為5.67×10-8W（m2·K）；ξ為輻射率，因為物體輻射能力相對于黑體輻射小，因此輻射率取值小于1。

在電纜運行過程中，主要熱源為導體電流熱效應產生的熱量，有負荷時導體的發熱情況為

式中：WC為單位長度的銅導體因為發熱產生的損耗，W/m；I為導體流入的電荷，A；R為通入交流電時單位長度導體的交流電阻，Ω/m。

對于通入交流電的導體，趨膚效應會使導體的有效電阻增加，趨膚深度的計算公式為

式中：Δ為趨膚深度，m；γ為導電材料的電導率，S/m；ω為交流電的角頻率，rad/s；μ為材料的磁導率，H/m。

設置電纜中間接頭的兩端為熱絕緣邊界，分別研究30、40、50℃環境溫度下中間接頭的結構層溫升特性，并研究防水結構和空氣對流速度對結構層溫度與載流量的影響。中間接頭采用自由三角形網格進行劃分，網格劃分情況如圖3所示。

圖3 網格劃分示意Fig.3 Schematic of meshing

2 實驗結果

2.1 高環境溫度對電纜接頭溫升與載流量的影響

設置接頭表面環境溫度分別為30、40、50℃，仿真計算得到導體電流為1 300 A時，高壓電纜接頭結構層溫度的分布特性。圖4為接頭溫度達到穩態時的溫度分布，為了可以直觀地對比各環境溫度下的接頭溫度分布，仿真結果采用相同的溫度范圍。可以看出，在相同負荷電流條件下，導體的熱量通過中間接頭的各結構層向外傳遞，從而在各結構層上形成了溫度梯度場分布。隨著接頭所處環境溫度的升高，電纜導體及接頭各結構層溫度不斷升高。

圖4 不同環境溫度下高壓電纜接頭溫度場分布Fig.4 Temperature field distributions of HV cable joint at different ambient temperatures

為進一步研究接頭各結構層的溫升過程，仿真得到不同環境溫度下的接頭各結構層溫升曲線，結果如圖5所示。由圖5可以看出，接頭所處環境溫度分別為30、40、50℃時，導體溫度分別為72.8、83.6、95.8℃，接頭銅殼外表面的溫度分別為37.5、47.3、57.7℃。在接頭各結構層中，距離導體近的結構溫升速度也相對較快，這是因為熱源主要是導體線芯，因此距離導體越近的結構受熱傳導過程影響越大，溫度上升的速度也就越快。環境溫度升高各結構層的溫度均有一定的提升，且環境溫度每升高10℃，各結構層穩態溫度均升高10℃左右，接頭各結構層的溫度與環境溫度的溫差基本上是固定不變的。這是因為當環境溫度在一定范圍內變化時，對中間接頭的發熱量影響很小，可以忽略不計，因此電流一定時，環境溫度與中間接頭各結構層溫度呈正線性相關關系。XLPE電纜的長期工作溫度為90℃，使導體能夠連續運行在不超過其穩定溫度的最大電流稱為載流量。在接頭導體通入1 300 A電流，當環境溫度為30℃時，接頭導體溫度為72.8℃，低于長期絕緣耐受溫度，即電纜負荷沒有被充分利用，系統負荷還可以適當增加；當環境溫度為50℃時，接頭導體溫度為95.8℃，高于長期絕緣耐受溫度，會加速絕緣老化，降低電纜長期運行壽命，對電力系統長期穩定運行造成威脅。

圖5 環境溫度對接頭溫升過程的影響Fig.5 Influences of ambient temperature on the temperature rise process of joint

因此，環境溫度會影響電纜中間接頭的載流量，對載流量隨環境溫度變化情況進行仿真分析，得到結果如圖6所示。由圖可以看出，電纜中間接頭所處的環境溫度越高，接頭導體的載流量就越低，載流量與環境溫度之間的關系呈負線性相關。

圖6 載流量隨環境溫度的變化情況Fig.6 Variation of current carrying capacity with ambient temperature

2.2 防水結構對電纜接頭溫升與載流量的影響

沿海、沿河區域的電纜敷設環境往往較為潮濕，為避免接頭在潮濕環境中絕緣性能下降影響其使用壽命，往往對中間接頭進行防水處理，在電纜中間接頭處安裝防水殼，灌注防水膠。防水殼與防水膠的加入會影響中間接頭的熱傳導與散熱過程，從而影響中間接頭結構層的溫度分布。電纜導體通入1 300 A交流電流，設置環境溫度為40℃，仿真分析防水結構對電纜中間接頭溫度分布的影響。接頭各結構層溫度達到穩態后其溫度分布情況如圖7所示，可以看出在安裝防水結構后，接頭內部各結構層溫度都有一定的提高。

圖7 40℃下防水結構對中間接頭溫度分布的影響Fig.7 Influences of waterproof structure on the temperature distribution of joint at 40℃

為了研究防水結構對接頭溫升過程的影響，繪制了安裝防水結構前后接頭各結構層的溫升曲線，如圖8所示。可以看出，在環境溫度為40℃，導體電流為1 300 A情況下，中間接頭在安裝防水結構后，導體溫度由原來的83.6℃提升到87.8℃，導體運行溫度提高了4.2℃；銅殼外表面溫度由48.1℃上升到51.8℃，溫度提升了3.7℃。接頭各結構層溫度均有所提升，這是因為添加防水結構后，由于防水膠的導熱性能較差，抑制了接頭的對外散熱能力，導致接頭內部溫度均有一定的提高，而導體溫度升高則會影響接頭的載流量。

圖8 40℃環境溫度下防水結構對接頭溫升過程的影響Fig.8 Influences of waterproof structure on the temperature rise process of joint at 40℃

仿真分析在40℃環境溫度下，安裝防水結構前后接頭導體載流量的變化情況，結果如圖9所示。可以看出，在安裝防水結構后，接頭的載流量由1 371 A降低到了1 318 A，降低了53 A。因此，對于干燥鋼箱梁中的電纜中間接頭，不安裝中間接頭防水結構可以一定程度地降低接頭結構層溫度，提高接頭導體的載流量，有利于中間接頭的長期穩定運行。

圖9 40℃環境溫度下考慮防水結構對載流量的影響Fig.9 Influences of waterproof structure on current carrying capacity at 40℃

2.3 空氣對流對電纜接頭溫升與載流量的影響

熱對流也是物體進行熱量傳遞的主要形式，當電纜中間接頭處于良好的通風環境中時，空氣對流會影響中間接頭表面的對流散熱，進而影響接頭的溫度分布。仿真分析空氣對流速度對電纜中間接頭各結構層溫度分布的影響，設置環境溫度為40℃，導體電流為1 300 A，空氣對流速度分別為1、2、10 m/s時接頭穩態溫度分布如圖10所示。對比圖4無空氣對流條件下溫度分布，可見增大空氣對流有利于電纜中間接頭的散熱，降低中間接頭各結構層溫度。隨著空氣對流速度的不斷增大，中間接頭各結構層溫度均發生不同程度的下降，各結構層的溫升過程如圖11所示。

圖10 40℃下空氣對流對中間接頭溫度分布的影響Fig.10 Influences of air convection on temperature distribution of joint at 40℃

圖11 40℃環境溫度下空氣對流對接頭溫升過程的影響Fig.11 Influences of air convection on the temperature rise process of joint at 40℃

結合圖5（b）可見，在相同環境溫度與導體電流情況下，接頭表面無空氣對流時，導體溫度為83.6 ℃，當空氣對流速度分別為1、2、10 m/s時，導體溫度分別為81.9、79.6、77.8℃。可以看出，接頭表面空氣對流有利于接頭的散熱，并且空氣對流速度越大，接頭各結構層的溫度也越低。這是因為空氣對流使中間接頭的散熱能力得到了一定的提升，從而降低了接頭各結構層的溫度，因此空氣流速也會影響載流量，通過仿真分析不同風速下載流量的變化情況，結果如圖12所示。可以看出，接頭所處環境溫度相同均為40℃時，風速對流會對載流量產生影響，對流速度提高時，接頭導體的載流量會得到相應的提升。不考慮空氣流動的對流散熱時，載流量為1 371 A，當對流速度分別為1、2、10 m/s時，載流量分別為1 403、1 427、1 467 A。因此可得，空氣對流可以降低接頭的內部溫度，并且提高接頭電纜的載流量。因此可以在環境溫度較高情況下，通過對接頭進行通風來降低接頭溫度，保證接頭的長期穩定運行。

圖12 空氣對流速度對載流量的影響Fig.12 Influences of air convection velocity on current carrying capacity

3 分析與討論

綜上所述，電纜中間接頭的溫度場分布與載流量大小受到電纜接頭防水結構、橋梁敷設環境溫度、空氣對流等因素的顯著影響。

橋梁電纜中間接頭安裝防水殼并灌注防水膠后，防水結構會阻礙接頭內部熱量的徑向散熱過程，導致接頭各結構層溫度升高。特別是對于橋梁鋼箱梁和混凝土箱梁中相對封閉空間中的電纜敷設，環境溫度較高，安裝防水結構后電纜載流量降低5%～10%，成為電纜載流量的瓶頸段。因此，對于鋼箱梁和混凝土箱梁干燥環境中敷設的電纜，可取消中間接頭防水結構以提高載流量。

取消防水結構后，隨橋敷設電纜中間接頭載流量與環境溫度、空氣對流速度的關系如圖13所示。橋梁梁廂環境溫度對中間接頭的載流量造成很大的影響。夏季橋梁梁箱中的溫度可以達到50℃。橋梁梁廂環境溫度為30℃時，電纜載流量為1 506 A；當環境溫度升高至50℃時，載流量則降低到了1 223 A，約降低了18.8%，嚴重影響電能輸送容量。同時，高環境溫度極易導致電纜中間接頭溫度超過額定運行溫度，出現中間接頭因溫度過高甚至發生爆炸等危害。

圖13 橋梁電纜中間接頭載流量與環境溫度、空氣對流速度的關系Fig.13 Relationship among current carrying capacity of bridge cable joint,ambient temperature,and air convection velocity

因此，針對高環境溫度橋梁梁廂中的隨橋敷設電纜，需設計橋梁梁廂中的空氣對流系統，對隨橋敷設電纜進行通風處理。基于圖13中電纜載流量的等高線，可設置隨橋敷設電纜運行安全域，即隨著環境溫度的升高，調節橋梁梁廂空氣對流速度，從而保障隨橋敷設高壓電纜中間接頭的安全、可靠運行。

4 結論

本文建立了隨橋敷設高壓電纜中間接頭溫度場仿真模型，研究了電纜接頭防水結構、橋梁敷設環境溫度、空氣對流等因素對中間接頭結構層溫升特性與載流量的影響，主要結論如下：

（1）環境溫度是影響電纜接頭溫升過程與載流量的最重要原因，當橋梁梁廂環境溫度由30℃提升50℃，電纜接頭結構層溫度顯著升高，載流量降低了18.8%。

（2）中間接頭防水結構會阻礙電纜內部熱量沿徑向的散熱過程，導致中間接頭結構層溫度升高、載流量下降。

（3）隨橋敷設高壓電纜接頭結構層溫升抑制與載流量提升的措施有：①在高環境溫度下，提高橋梁梁廂空氣對流速度可以有效抑制中間接頭結構層溫升，提高電纜載流量；②對于橋梁梁箱敷設的電纜接頭，可以通過去除接頭防水結構加強電纜接頭散熱，提升載流量。