含防爆盒的三芯電纜中間接頭散熱性能及載流量研究

夏川，劉會家，吳剛梁，夏竹青

(1.三峽大學 電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443002； 2.廣東電網有限責任公司廣州供電局，廣州 510700； 3.國網湖北電力中超建設管理公司，武漢 430000)

0 引 言

隨著城市化進程的不斷加快，配電網系統中電纜已被廣泛應用，由于受到安裝工藝、工程施工、負荷率等因素的影響，電纜中間接頭已成為城市配電網系統的薄弱環節[1-2]。在道路改造、地鐵施工和管線敷設等市政建設過程中，中間接頭缺少必要的保護，致使電力事故頻繁發生[3-4]，為了避免電纜遭受外力破壞，防止中間接頭過熱出現故障后蔓延至其他電纜，新裝的電纜中間接頭規定必須加裝防爆盒，但盒體內的密封腔會增加中間接頭的傳熱路徑，降低其散熱性能，進而直接制約線路的載流量，影響線路的安全運行[5-7]。因此，研究配電網三芯電纜中間接頭在加裝防爆盒后的溫度及載流特性，對電力部門的負荷調度和預防電纜事故具有重要的現實意義。

近年來，為了研究電纜中間接頭的溫升及載流問題，國內外專家學者做了大量的工作，主要可分為熱網絡法和數值分析法[8-14]。其中，熱網絡法是將接頭散熱過程等效為熱網絡，以熱路的形式表征電纜接頭內熱量的傳遞過程，從而計算接頭的溫升，確定電纜的載流量，但三芯電纜中間接頭截面為非中心對稱結構，如此大大增加了熱網絡法的復雜程度，傳統模型已無法滿足其溫升計算的要求。隨著計算機技術的快速發展，采用數值方法計算電纜中間接頭溫升日益得到重視，基于有限元法的多物理場計算技術亦被應用于中間接頭溫升仿真分析，但這些研究主要集中在早期的中間接頭上，未考慮加裝防爆盒對電纜中間接頭傳熱特性的影響，目前僅文獻[7]利用實驗方法研究了防爆盒對單芯電纜中間接頭溫升的影響，但未進一步探究載流量的變化規律，難以為三芯電纜運維提供有效依據。

介于配網電纜多以三芯結構為主，故二維模型受到了限制[15]。因此，文中以廣州中新知識城某含防爆盒的20 kV三芯電纜中間接頭為例，在考慮接觸電阻的基礎上建立中間接頭的三維磁-熱耦合模型，研究289 A負荷電流下中間接頭的溫升情況，分析了防爆盒對中間接頭溫升的影響，并進一步探究了加裝防爆盒后電纜載流特性的變化規律，為電纜中間接頭可靠性運行提供了一些有益的依據。

1 含防爆盒的中間接頭模型

1.1 物理模型

以中新廣州知識城某含防爆盒的20 kV冷縮三芯電纜中間接頭為研究對象，所屬電纜為兩座變電站之間的20 kV聯絡電纜，如圖1所示，電纜總長為15.5 km，型號為ZRYJV22-18/24-3*300，電纜位于綜合管廊內部，全段線路共有31個中間接頭，目前，中間接頭僅部分完成防爆盒的安裝，選取其中無防爆盒、未灌膠防爆盒、灌膠防爆盒三種中間接頭。

圖1 聯絡電纜示意圖

中間接頭內部結構如圖2所示，主要組成部分有護套、鎧裝帶、銅網、防水帶、填充物、屏蔽管、接續管、導體等。

圖2 三芯電纜中間接頭結構圖

作為電纜最為脆弱的部分，為了防止遭受外力破壞、水浸，中間接頭外部加裝防爆盒，如圖3所示，防爆盒外殼材料為玻璃鋼材料，其耐壓性能高，抗沖擊力強，能夠保護中間接頭不受外力破壞，并防止中間接頭爆炸沖擊附近的電纜，為了增強防爆盒的防水特性，殼體連接處則采用硅橡膠密封，殼體上的瀉能孔能夠在中間接頭爆炸后迅速打開，朝固定方向釋放能量，從而有效防止對其他電纜的破壞。根據中間接頭的運行環境，防爆盒空腔內可灌注介質以增強特性，選擇環氧樹脂ab膠，環氧樹脂導熱性較好，且阻燃性良好，完全符合電纜安全運行的要求。

圖3 防爆盒結構圖

1.2 仿真模型

三芯電纜中間接頭的結構參數如表1所示。

表1 結構參數

在保證不影響磁-熱耦合仿真結果的前提下，盡可能簡化局部結構，降低后續剖分的網格量，在建立仿真模型前，做了以下簡化：

(1)由于內外半導電層的厚度較薄，對計算結果影響較小，建立模型時將內外半導電層與絕緣層進行了合并；

(2)考慮到電纜填充物與內護套的材料屬性相近，在建模時也將二者進行合并。

根據表1中的結構參數，根據防爆盒和中間接頭的幾何尺寸，可建立含防爆盒的18/30 kV冷縮三芯電纜中間接頭的仿真模型如圖4所示，用于含防爆盒的中間接頭磁-熱耦合場計算所需的材料屬性分別如表2所示。除導體接觸電阻熱阻外，其他材料屬性均可通過表2查得。

表2 中間接頭各材料屬性

圖4 中間接頭仿真模型

根據文獻[16]，接觸電阻和熱阻可表示為：

(1)

式中Rd為接續管與導體間的接觸電阻；F為兩者間的接觸壓力;m為相關的系數，其值與接觸面的壓力大小、接觸點數及接觸類型有關，接續管與導體壓接面取1；kj為接觸材料、表面狀況等的影響系數，接續管與導體接觸取0.1。

依據文獻[17]中接觸熱阻與接觸電阻的計算公式，接觸熱阻可表示為：

(1)

式中λ12=2λ1λ2/(λ1+λ2)為接觸處的等效導熱系數；ρ12=2ρ1ρ2/(ρ1+ρ2)為接觸處等效電阻率。

2 磁-熱耦合分析及驗證

2.1 磁-熱耦合場模型

中間接頭在運行過程中，電流通過導體形成磁場，形成電磁損耗使中間接頭溫度升高，而溫升也會影響導體的電阻率，反過來改變中間接頭的損耗。因此，中間接頭的溫升是磁場、熱場共同作用的，且相互關聯[18-19]。由此，其磁-熱耦合關系可以表示為：

(2)

λT?2T+QV=0

(3)

2.2 磁-熱耦合計算

監測到聯絡電纜上的負荷在某段時間內較為穩定，文中將流過電流近似等效為恒定289 A，電纜敷設在綜合管廊內，在空氣域邊界上設置磁力線平行邊界條件A=0，運行時測得周圍環境溫度為30 ℃，管廊內為自然對流，設置表面對流換熱系數為5，通過程序控制ANSYS進行迭代計算，可得無防爆盒、未灌膠防爆盒、灌膠防爆盒時中間接頭的仿真結果。

考慮到防爆盒不影響磁場分布，故有無防爆盒的中間接頭產生的熱損耗都是相同的，取線芯及接續管部分的損耗分布如圖5所示，介于導體線芯與接續管間接觸電阻的大于線芯電阻，故在接觸位置會出現電流擁擠現象，該處熱損耗最大，為96 347 W/m3，由于接續管通流能力大于負荷電流，故接觸位置的電流擁擠現象不算明顯，其外表面流過的電流較小，損耗也不大。由于線芯間的鄰近效應，故三相導體臨近處電流密度大，發熱大，而背離處發熱較小，損耗分布符合物理規律。

圖5 熱功率分布圖

無防爆盒、未灌膠防爆盒、灌膠防爆盒時中間接頭的溫度分布如圖6所示，從圖6中可以看出由于接續管與纜芯接觸部位接觸損耗的存在，該處溫度最高，而中間接頭由于安裝附件的緣故，影響其內部散熱，故表面溫度相對電纜外表面低，對比三種情況下電纜中間接頭的溫升情況可知，加裝防爆盒后，中間接頭內部溫度會明顯上升，接續管與纜芯接觸部位結溫高達67.9 ℃，相對于無防爆盒時上升了21.7 ℃，而在防爆盒內部灌注環氧樹脂ab膠后，其內部結溫僅為48.5 ℃，相對于未灌膠防爆盒時，結溫下降了19.4 ℃，而相對于無防爆盒時，結溫僅上升了2.3 ℃，表明在防爆盒內灌注環氧樹脂ab膠，可以增強含防爆盒的三芯電纜中間接頭散熱性能。

圖6 中間接頭溫度分布

2.3 工程應用及驗證

作為中新廣州知識城變電站之間的聯絡電纜，該線路長度大，多處跨越施工路段，且管廊內敷設其他電纜數量多，為了確保中間接頭的安全可靠，聯絡電纜上的中間接頭需安裝防爆盒。為了驗證仿真計算的準確性，選擇了聯絡電纜上的三個中間接頭，中間接頭1未安裝防爆盒，中間接頭2加裝未灌膠防爆盒，中間接頭3安裝灌膠防爆盒，在289 A電流下采用Raynger ST80紅外測溫儀分別測量電纜表面溫度。由于Raynger ST80紅外測溫儀為單點測溫，故針對三種情況下的中間接頭選擇三個相同的觀測點進行測溫對比，分別為中間接頭表面結溫、中間接頭左端電纜表面結溫，中間接頭右端電纜表面結溫。

灌膠防爆盒右端電纜表面的溫度如圖7所示。測得遠接頭的左端部結溫為42.3 ℃，近接頭的右端部溫度為42.5 ℃。同理，進一步測量中間接頭表面的最高溫度分別為38.5 ℃。三種情況下中間接頭的溫度測量數據如表3所示，對比表3中的數據，可知仿真和實測的最大絕對誤差不超過7%，滿足工程計算要求，從而驗證了考慮接觸電阻的三維磁-熱耦合模型的準確性。考慮到防爆盒對中間接頭散熱性能的影響勢必制約電纜的載流量，為了研究三芯電纜中間接頭的熱可靠性，必須進一步分析其載流特性。

圖7 中間接頭溫度分布

表3 中間接頭溫度測量數據

3 電纜載流量分析

為了更好地了解防爆盒對中間接頭載流量的影響，就必須對電纜進行載流量計算。改變負荷電流，通過磁-熱耦合可計算出中間接頭在不同負荷的溫升情況，表4給出了電纜本體線芯及三種情況下中間接頭的結溫數據。

根據表4中的數據可繪制電纜本體及中間接頭的結溫變化曲線如圖8所示，曲線1為無防爆盒時中間接頭內部結溫，曲線2為加裝未灌膠防爆盒時中間接頭內部結溫，曲線3為加裝灌膠防爆盒時中間接頭內部結溫，曲線4為電纜本體線芯結溫。根據電纜穩態運行下導體溫度不超過90 ℃可以確定電纜及中間接頭的載流量。

表4 不同電流下的結溫

圖8 結溫變化曲線

由此可知，該電纜本體載流量可達580 A，而考慮中間接頭時，考慮到中間接頭的接續管為規范施工壓接，其接觸電阻對中間接頭的載流量影響不大，載流量下降為556 A，不足4.2%。而加裝未灌膠防爆盒后，由于空腔的導熱性能下降，此時中間接頭載流量僅為365 A，約下降37.1%。而灌注環氧樹脂ab膠后，由于環氧樹脂增強了中間接頭的散熱性能，此時中間接頭的載流量可達515 A，載流量下降11.2%，而相對于未灌膠的中間接頭，載流量提升近41.1%。因此，中間接頭在加裝防爆盒后，應灌注環氧樹脂ab膠以避免載流量的大幅度下降。

4 結束語

以知識城20 kV三芯電纜中間接頭為例，通過磁-熱耦合計算，研究了防爆盒對三芯電纜中間接頭散熱性能及載流量。得到結論如下：

(1)通過運行數據與磁-熱耦合仿真結果比較，在考慮中間接頭接觸電阻時，中間接頭溫度相對誤差不超過7%，滿足工程計算精度，由此表明建立的三芯電纜中間接頭三維模型是準確的；

(2)介于防爆盒空腔的傳熱差，三芯電纜中間接頭加裝防爆盒后，散熱性能會明顯下降；而灌注良好的傳熱介質環氧樹脂ab膠后，可增強中間接頭的散熱性能，進而提升其載流量；

(3)由于接觸電阻和加裝防爆盒的影響，中間接頭的載流能力會低于電纜本體，在計算投運電纜的載流量時，必須考慮中間接頭的載流極限，如此，在電力負荷調度時方能確保負荷不超過熱穩定限制，從而避免事故的發生。