高速鐵路貫通線電纜溫升效應分析*

陳 凱

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司, 430067, 武漢∥高級工程師 )

0 引言

為保障高速鐵路供電安全,需對貫通線電纜的運行狀態進行實時監測,而溫度是電纜安全運行的重要指標[1]。處于正常工作狀態下的電纜,溫升處于正常范圍以內,根據載流量的不同會有一定的差異;短期過載的電纜,盡管短期內溫升不會有明顯的變化,但能夠檢測到線芯內過額的電流,長期過載的電纜內部則會產生明顯的溫升;電纜絕緣的逐步惡化最終將導致絕緣擊穿從而發生電纜短路,在絕緣惡化的過程中伴隨著局放的增大[2],在主絕緣被擊穿的一瞬間,絕緣與金屬屏蔽層之間會出現明顯的電弧,產生大量的熱量從而導致金屬屏蔽層溫度迅速升高;此外,電纜壓接不良時存在的接觸電阻將在持續通流作用下發熱,外皮破損時,附近牽引回流會匯入電纜金屬屏蔽層而導致發熱[3],這些情況都將導致電纜對應結構處產生異常的溫升。

對于敷設距離長、敷設環境復雜的電力貫通線電纜,如何監測其溫度,監測何處的溫度能夠對電纜正常和故障狀態下的溫升均有較為明顯的反映,進而實現對電纜運行狀態的判斷,是亟需解決的問題。

1 基本原理

假設貫通線電纜為各向同性均質的連續體,其物性參數包括材料導熱系數λ、材料密度ρ及材料比熱容c,這些都是常量;線芯損耗、金屬屏蔽損耗分別均勻恒定地分布在導體層和金屬屏蔽層,單位時間單位體積內熱元生產熱即內熱源強度為H。根據熱力學第一定律,分析導熱過程中微元體的能量收支情況,建立微元體的熱平衡方程式,得到導熱微分方程式[4]:

式中:

Δt——拉普拉斯算子,在直角坐標系中,Δt=?2t/?x2+?2t/?y2+?2t/?z2,x為橫坐標值,y為縱坐標值,z為豎坐標值;

α——材料的熱擴散率;

H——內熱源強度;

t——時間;

τ——時間常數。

根據貫通線電纜的物理參數、敷設方式及運行狀態即可確定對應的幾何、物理、時間和邊界條件,進而求解得到特定條件下的電纜各層的溫升。

2 電纜有限元模型

有限元分析利用簡單而又相互作用的元素(即單元),就可以用有限數量的未知量去逼近無限未知量的真實系統[5]。在待求解電纜各個域內剖分出離散的網格,根據差分導熱微分方程式,就可以求得各工況下電纜各處溫升變化情況的近似結果。在COMSOL(多物理場仿真軟件)平臺中分別搭建了截面面積為50 mm2的單芯和三芯電纜剖面模型,在溫度梯度較大處,如絕緣層內側和金屬屏蔽層周圍,應將網格劃分得密集一些;在溫度梯度較小處,如導體層內部以及接近恒溫邊界的空氣域外部,應將網格劃分得稀疏一些,這樣既能提高計算速度,又能保證計算精度。

3 電纜正常運行時溫升效應

貫通線電纜正常運行時,影響電纜穩態通流溫升的外界因素包括外界大氣壓、環境溫度、太陽輻照及敷設條件等。

3.1 外界大氣壓影響

外界大氣壓對不同通流情況下電纜金屬屏蔽層溫升的影響如圖1所示。當外界溫度T=20 ℃時,線芯通流越大,金屬屏蔽層基礎溫升越高;外界大氣壓越低,電纜與外界熱交換越慢,金屬屏蔽層溫升越大,但總體變化不大。

注:I為芯線流通電流,單位為A。

3.2 環境溫度影響

當外界大氣壓恒定時,電纜與外界熱交換效率不變,外界溫度對電纜內部溫升基本無影響。

3.3 太陽輻照影響

當外界氣壓、環境溫度恒定時,不同電纜通流和輻照強度下的金屬屏蔽層溫升結果如圖2所示。金屬屏蔽層溫升與輻照強度基本呈線性關系,這種關系并不受到線芯通流大小的影響,主要是由于輻照本身的熱效應造成電纜溫升。

注:I為芯線流通電流,單位為A。

3.4 敷設條件影響

不同敷設條件下,電纜與外界換熱條件不同,造成電纜內部溫升不同。泡水電纜換熱條件最好,溫升最小;沿壁電纜的換熱條件和穿管電纜類似,等同于空氣中換熱,溫升居中;直埋電纜的換熱環境最差,溫升最大。

4 電纜故障時溫升效應

4.1 單相接地故障

由于受調壓器中性點小電阻限制,貫通線電纜單相短路電流最大不超過500 A。仿真時長為5 s,短路電流持續時間為0.5 s,在COMSOL多物理場仿真軟件中得到電纜金屬屏蔽層溫度隨時間變化曲線,如圖3所示。初始環境溫度為20 ℃,電纜金屬屏蔽層在短路發生時溫度開始上升,最后的溫升最大值為0.588 ℃,溫升不明顯。

圖3 單相接地短路時電纜金屬屏蔽層溫升變化曲線

4.2 相間短路故障

不同電流(約為10～20 kA)水平下,10 kV三芯電纜相間短路時電纜金屬屏蔽層溫升變化情況如圖4所示。短路從0.2 s開始,持續0.5 s。由圖4可知,由于電纜線芯與金屬屏蔽層中間隔著一定厚度的絕緣層,導致溫升出現明顯的延遲,在短路發生0.8 s后,金屬屏蔽層可以感受到明顯的溫升。

注:I為芯線流通電流,單位為kA。

4.3 絕緣電弧擊穿故障

電纜絕緣擊穿電弧產生的熱源用一個截面積為20 mm2的正方形、貫穿主絕緣的線熱源等效模擬,電弧持續時間為0.01 s。熱源功率取電纜絕緣材料著火點所需的單位體積熱功率,約為7×1010W/m3。分別在金屬屏蔽層、絕緣層和外護套的0.1m、0.3 m、0.5 m、0.7 m和0.9 m處布置測溫點,監測的溫升變化情況如圖5所示。當電纜絕緣層燒毀時,屏蔽層的最大溫升為31.89 ℃,位于金屬屏蔽層不同位置的測溫點的溫升差異很小,外護套幾乎沒有溫升。

圖5 絕緣層燒毀時電纜金屬屏蔽層溫升變化情況

4.4 電纜頭接觸不良故障

仿真電纜接頭壓接工藝缺陷導致的接頭發熱故障,持續發熱的熱源長度為2 cm,熱源中心位于電纜芯線層0.5 m處。分別在線芯層、屏蔽層、外護套的0.1 m、0.3 m、0.5 m、0.7 m和0.9 m處布置測溫點。當線芯溫度達到10 ℃、20 ℃、40 ℃、80 ℃和120 ℃時,電纜各層溫升如圖6所示。電纜頭接觸不良故障,導致的溫升變化是一個存在熱量持續累積效應的穩態過程,同一層不同分布的測溫點,距離故障點最近測溫點的溫升最高;不同層測溫點,距離線芯較近的金屬屏蔽層測溫點的溫升比外護套測溫點的溫升高,但差異不明顯。

a) 屏蔽層

4.5 引入牽引回流故障

牽引供電電路模型可簡化為接觸網與大地形成一個回路,軌道與大地形成另一個回路。當貫通線電纜的外絕緣發生破損接地時,金屬鎧裝層和金屬屏蔽層就會替大地分擔鐵路牽引供電回流系統中的部分電流。牽引供電系統電流從100～1 000 A變化時,貫通線電纜金屬屏蔽層和外護套的溫升變化情況如圖7所示。隨著牽引供電系統電流不斷增大,金屬屏蔽層和外護套的溫升都逐漸增大。

圖7 引入牽引回流時電纜金屬屏蔽層溫升變化情況

5 溫升效應試驗

采用單相調壓器+3 000 A升流器作為電流源,取1 m待測電纜,每隔120°角在屏蔽層布設一個熱電偶,并在引出端設一個熱電偶;平均每隔40 s輸入一次500 A故障電流,共進行10次,電纜金屬屏蔽層的溫升變化情況如圖8所示。整個過程中,3組屏蔽層熱電偶測溫點溫升曲線輪廓大致保持一致,初始溫度平均值為18.83 ℃,最終溫度平均值為22.64 ℃,則每一次沖擊引起的溫升約為0.38 ℃,與圖3仿真結果基本一致。

圖8 故障電流下電纜金屬屏蔽層溫升變化情況試驗結果

取一段5 m截面為50 mm2單芯電纜,在電纜3個位置共布設6個熱電偶(外護套處的編號為1號,屏蔽層處的編號為2號),試驗過程中保持一處泡水,一處暴露在空氣中,一處直埋于土壤之中。電纜線芯中每0.5 h增加20 A的持續通流,共持續10 h,電流增加至200 A,此過程中的電纜金屬屏蔽層溫升變化情況如圖9所示。電纜直埋敷設時,屏蔽層溫度及溫升最大;暴露在空氣中時,次之;泡水時,最小。

圖9 電纜不同敷設方式時電纜金屬屏蔽層溫升變化情況試驗結果

6 結語

本文對鐵路電力貫通線電纜正常和故障狀態時的溫升效應進行了仿真計算和試驗驗證,得到了不同外界條件和故障情況下電纜的溫升效應,可為后續電纜狀態監測提供理論依據和數據支撐。相較于電纜外護套層,金屬屏蔽層靠近線芯且在發生故障流經故障電流情況下,金屬屏蔽層的溫度更能夠反映電纜的運行狀態,且該處溫度不受大氣壓和環境溫度影響,因此,結合光纖復合電纜和光纖測溫技術,有望實現對長大距離、敷設環境多變、故障類型復雜的電力貫通線電纜進行實時狀態監測和故障判斷。