電力系統(tǒng)電纜線接頭溫度仿真與實(shí)驗(yàn)研究

楊 劍 繆 薇

（1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司超高壓分公司，江蘇 南京 211100；2.江蘇省江都水利工程管理處，江蘇 揚(yáng)州 225200）

0 引言

電纜接頭是電力系統(tǒng)的重要部件，也是故障較多的環(huán)節(jié)，工作中會(huì)受到溫度場(chǎng)與電場(chǎng)的耦合，溫度異常升高[1-2]。電纜接頭溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致絕緣系統(tǒng)破壞，造成電力系統(tǒng)故障。因此，對(duì)電力電纜接頭溫度進(jìn)行分析研究，對(duì)于提高電力系統(tǒng)運(yùn)行安全性，降低風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義[3]。

對(duì)于電力電纜接頭發(fā)熱和容易出現(xiàn)故障的問(wèn)題，可以采用仿真分析的方法，分析接頭溫度分布，這對(duì)改善電纜接頭情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能存在的問(wèn)題具有重要意義[4-5]。如果可以提前發(fā)現(xiàn)電力電纜接頭潛在問(wèn)題，則能夠達(dá)到預(yù)防優(yōu)先的效果，有利于保證系統(tǒng)安全使用，提高電力電纜的輸電質(zhì)量。

本文介紹了電纜接頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)和常見(jiàn)故障，對(duì)于溫度這一影響電纜接頭故障的主要參數(shù)進(jìn)行仿真分析，建立三維模型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)定邊界函數(shù)。最后掌握了溫度與電纜接頭故障的關(guān)系，對(duì)于維持電纜接頭穩(wěn)定性具有一定的參考價(jià)值。

1 電纜接頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)及故障類型

1.1 電纜接頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)

電纜接頭是電力電纜的重要組成部分，電纜接頭部位由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在工作過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)一定的故障，影響電力系統(tǒng)安全運(yùn)行。電纜接頭需要具備一定的熱學(xué)性能，對(duì)外界復(fù)雜的環(huán)境需要有一定的適應(yīng)能力。電力電纜接頭的結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

由圖1可知，電纜接頭從外到內(nèi)分別為保護(hù)套、金屬屏蔽層、連接管等主要部分，電纜絕緣與外界隔離，保護(hù)電纜內(nèi)部連接管和線芯。連接管一般需要倒角，防止鈍邊造成的電纜破壞，避免出現(xiàn)電應(yīng)力集中。電纜接頭的結(jié)構(gòu)對(duì)于溫度和電纜故障具有重要影響。

圖1 電力電纜接頭

1.2 電纜接頭出現(xiàn)的故障類型

電纜接頭在工作過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)故障，對(duì)線路的穩(wěn)定和正常運(yùn)行不利，需要對(duì)故障進(jìn)行分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除故障。電纜接頭故障主要有兩種，即導(dǎo)體故障、絕緣故障。

（1）導(dǎo)體故障：電力線纜中線芯導(dǎo)體出現(xiàn)的故障，這種故障出現(xiàn)后會(huì)導(dǎo)致電流的通路斷開(kāi)，影響電力系統(tǒng)正常工作。電力電纜內(nèi)部有的是兩芯，有的是三芯，線芯出現(xiàn)故障后電纜就無(wú)法再發(fā)揮導(dǎo)體的作用。

（2）絕緣故障：表現(xiàn)在外部，包括外部絕緣體老化、破裂等。絕緣故障出現(xiàn)后，電路中的電流容易泄漏，導(dǎo)致電力系統(tǒng)安全性降低。

2 電纜接頭溫度仿真研究

電纜接頭在出現(xiàn)故障時(shí)，外界直觀的表現(xiàn)是溫度，因此根據(jù)電纜接頭溫度的變化可以及時(shí)了解電纜接頭的狀態(tài)，出現(xiàn)故障時(shí)可以及時(shí)排除。為此，對(duì)電纜接頭開(kāi)展仿真研究，以了解電纜內(nèi)部溫度變化情況。

2.1 仿真流程

為了描述電纜接頭的溫度場(chǎng)，使用仿真軟件ANSYS開(kāi)展仿真分析。ANSYS軟件是常用的工程模擬軟件，由美國(guó)ANSYS公司開(kāi)發(fā)，在許多應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮著巨大作用。仿真軟件開(kāi)展仿真分析時(shí)依據(jù)一定的流程，ANSYS Workbench 14.5仿真過(guò)程如圖2所示。

圖2 軟件工作流程

對(duì)于電力線纜接頭需要選擇相應(yīng)的仿真模塊，建立幾何模型，幾何模型的建立是進(jìn)行仿真分析的重要步驟。建立完幾何模型后，設(shè)置材料屬性并對(duì)邊界條件進(jìn)行限定，然后劃分網(wǎng)格，對(duì)邊界條件進(jìn)行計(jì)算求解，輸出計(jì)算結(jié)果。

2.2 電纜中間接頭建模與參數(shù)設(shè)置

連接電纜的特點(diǎn)是選擇仿真模塊、設(shè)置參數(shù)的前提，根據(jù)電纜接頭，選擇Geometry模塊進(jìn)行仿真分析，電纜中間接頭型號(hào)為JLS35-1/1。建立幾何模型如圖3所示。

圖3 電纜接頭建模

該三維幾何模型包括電纜接頭的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，主要包含連接管、電纜線芯、半導(dǎo)電層、絕緣層、金屬屏蔽層，這些結(jié)構(gòu)需要在仿真過(guò)程中設(shè)置參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

2.3 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分有利于仿真軟件快速求出結(jié)果，根據(jù)幾何模型的特點(diǎn)，網(wǎng)格可以劃分為三邊形狀或四邊形狀，這是根據(jù)電纜接頭決定的。三維幾何模型Meshing劃分，按照劃分的算法有獨(dú)立分片法和協(xié)調(diào)分片法，形狀包括六面體網(wǎng)格、棱錐網(wǎng)格、四面體網(wǎng)格、棱柱等。

本文進(jìn)行仿真分析時(shí)考慮軟件功能，綜合電纜接頭特性，采用四面體網(wǎng)格、協(xié)調(diào)分片算法劃分，以最大限度縮小網(wǎng)格。物理場(chǎng)參照Mechanical類型，單元尺寸1×10-4m，相關(guān)性中心選擇Medium，網(wǎng)格膨脹層為None，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4所示。

圖4 電纜接頭網(wǎng)格劃分

對(duì)于網(wǎng)格劃分而言，獨(dú)立分片算法的要求并不嚴(yán)格，用于統(tǒng)一尺寸網(wǎng)格。使用協(xié)調(diào)分片算法時(shí)，要避免實(shí)體之間的影響，用小公差法考慮零件。這種網(wǎng)格劃分在流體分析、電磁分析、機(jī)械分析領(lǐng)域應(yīng)用較多。

2.4 施加載荷和邊界條件

對(duì)電纜接頭進(jìn)行電熱耦合模塊的仿真，設(shè)置電學(xué)類和熱學(xué)類邊界條件。添加電纜接頭流經(jīng)的電壓、電流，根據(jù)熱力學(xué)定律，設(shè)置在放熱過(guò)程中的邊界條件。

本文電纜接頭線芯通電發(fā)熱，電壓、電流分別設(shè)置為220 V、12.5 A，環(huán)境溫度設(shè)為18℃，電纜接頭發(fā)熱時(shí)存在對(duì)流，設(shè)置對(duì)流換熱系數(shù)為10 W/（m2·℃）。設(shè)置邊界條件如圖5所示。

圖5 設(shè)置邊界條件

3 仿真結(jié)果分析

電纜接頭需要工作在理想的溫度下，電纜接頭產(chǎn)生的熱量一定程度上會(huì)向周圍傳遞，熱量傳遞的過(guò)程會(huì)影響溫度的分布。本文選擇電阻等效長(zhǎng)度72 mm，電流225 A，環(huán)境溫度18℃，溫度分布圖如圖6所示。

本文連接管的長(zhǎng)度72 mm，根據(jù)圖6可知，電阻對(duì)溫度分布的影響較小，只有0.07℃，選擇的銅管長(zhǎng)度不會(huì)影響模型復(fù)雜程度，可以改善仿真效果。接觸電阻電阻率為2×10-8Ω·m，溫度為20℃，載流量為245 A，等效仿真輸出仿真圖形，結(jié)果顯示，外表面中心溫度為27.784℃。接頭電阻可以使用，能夠保證安全運(yùn)行的溫度閾值。

圖6 長(zhǎng)度為72 mm的等效接觸電阻接頭溫度分布圖

4 實(shí)驗(yàn)研究及結(jié)果對(duì)比

4.1 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

針對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，并對(duì)比兩者的結(jié)果。在實(shí)驗(yàn)室利用電力電纜開(kāi)展溫升實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括恒溫箱、紅外成像儀、熱電偶，其中熱電偶溫度測(cè)量范圍為0～350℃，精度為0.5℃。

實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖7所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

采用溫度測(cè)量裝置對(duì)電纜接頭的溫度進(jìn)行測(cè)量，將TT-T-24熱電偶埋入電纜纜芯，外表用隔熱材料填充。

4.2 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

熱電偶對(duì)電纜接頭溫度測(cè)試采用多次測(cè)量的方式，對(duì)比仿真實(shí)驗(yàn)測(cè)得的溫度與實(shí)際實(shí)驗(yàn)溫度，整理如表1所示。

表1 仿真與實(shí)際實(shí)驗(yàn)溫度對(duì)比

由表1可知，實(shí)際實(shí)驗(yàn)測(cè)得的溫度與仿真結(jié)果的溫度最大誤差為1.945℃，最小誤差為0.401℃。誤差在可接受范圍之內(nèi)，表明ANSYS仿真能夠用于電纜接頭溫度的測(cè)量。

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了電纜接頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)和常見(jiàn)故障，對(duì)電纜接頭的溫度開(kāi)展了ANSYS軟件仿真分析，通過(guò)建立三維模型、進(jìn)行網(wǎng)格劃分、設(shè)定邊界函數(shù)，求得電纜接頭溫度分布的結(jié)果。最后進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)仿真溫度與實(shí)際溫度誤差在可接受范圍之內(nèi)，證實(shí)了仿真測(cè)溫的有效性，對(duì)于電纜接頭溫度研究具有一定的參考價(jià)值。