絕緣劣化對110kV交聯聚乙烯高壓電纜溫度梯度分布的實驗研究

摘要：溫度監測是高壓電纜長期可靠運行過程的有效手段，熱作用導致電纜絕緣劣化并使得導熱特性發生變化，也使得絕緣層溫度分布發生變化從而影響電纜溫度監測準確性。本文基于高壓電纜絕緣層交聯聚乙烯不同劣化程度下導熱系數的變化，建立了電纜溫度仿真計算模型，進行了電纜絕緣劣化后溫度分布計算，探究了基于溫度監測用于反應電纜絕緣劣化的初步可行性。

關鍵詞：高壓電纜；交聯聚乙烯；導熱系數；溫度分布

從20世紀80年代開始，國內大中城市即開始應用110kV高壓電纜，目前110kV高壓電纜成為城市輸電網的主要載體。隨著越來越多的高壓電纜到達30年的設計運行年限，如何準確利用現有檢測技術開展帶電條件下電纜絕緣狀況評估，是適當延長此類老舊電纜運行年限的關鍵［1］。對電纜整體而言，絕緣層交聯聚乙烯的劣化是決定電纜整體性能的關鍵因素。同時交聯聚乙烯作為典型高分子材料，劣化后分子結構變化引起自身傳熱特性變化是較多高分子材料的典型特性之一［2］。本文以交聯聚乙烯劣化后傳熱特性變化為基礎，建立高壓電纜模型，探究導熱系數變化對電纜絕緣層溫度分布變化對電纜溫度檢測的狀態檢測提供指導。

1實驗準備

1.1高壓電纜結構及參數

本文以導體截面積1000mm2為研究對象，電纜截面示意圖及各層結構材料參數分別如圖1與表1所示。

以電纜正常運行為例，當導體溫度為90℃時，電纜絕緣屏蔽外表面溫度通常為60℃～70℃。1000mm2導體截面積的110kV電纜絕緣層厚度為16.7mm，因此可知電纜正常運行時最大溫差/厚度為1.8℃/mm。

1.2加速熱老化及導熱系數測試

通過環切法或者電纜絕緣層交聯聚乙烯片狀試樣，并剪裁為長寬均為4cm的試樣。利用恒溫箱（DKM310C，YAMATOScientific），在115℃下對試樣進行加速熱老化，15天取樣一次共完成90天加速老化實驗。

利用瞬態導熱儀完成各試樣導熱系數測定，測試溫度為30℃～90℃，其中溫度間隔為10℃。

1.3電纜仿真模型

依據圖1建立的電纜仿真模型如圖2所示。相比圖1，仿真計算模型中電纜絕緣層按照從導體屏蔽到絕緣屏蔽順序，分隔為10部分。

圖2電纜模型建立示意圖

2結果與分析

2.1老化試樣導熱系數

表2為不同老化階段及測試溫度下試樣導熱系數測試結果。從測試結果可知，隨著老化時間增加，相同測試溫度下試樣導熱系數在老化1～2階段時差異較小，3～6階段逐漸增加，主要原因為老化時間增加內部晶體結構破壞程度提高，提高了分子結構振動及熱傳遞［3］。相同老化階段時，測試溫度升高，導熱系數緩慢增加，表明溫度升高加速了分子結構振動頻率與幅值，提升了導熱效率［4］。此外，當測試溫度相差為10℃時，相同老化程度試樣的導熱系數變化較小；當溫度差異為20℃時，導熱系數約有8%的差異。

為簡化模擬計算，不同測試溫度下試樣導熱系數變化利用線性函數進行擬合。不同老化程度試樣導熱系數——溫度擬合參數，如表3所示。隨著老化時間增加，試樣導熱系數隨溫度增加的線性曲線斜率系數a不斷增加，表明交聯聚乙烯劣化后產生的鏈狀分子結構熱運動提升，更有利于傳熱［5］。

2.2導熱系數選取對電纜溫度變化影響

以往研究中，較多場景下選擇導熱系數不變，不考慮導熱系數隨溫度變化的影響［68］。以未老化及老化第六階段試樣30℃導熱系數為例，模擬電纜電流負荷為1450A時，電纜截面溫度特性如圖3所示。在固定導熱系數下，電纜內部溫度呈現均勻分布，且由于老化第6階段試樣的導熱系數提升，使得穩態下電纜導體溫度由90.1℃下降至86.9℃，但電纜外層溫度幾乎無差異。當考慮絕緣層材料溫度特性時，絕緣層外部溫度變化如圖4所示。由于溫度升高后絕緣層交聯聚乙烯導熱系數增大，因此相同負荷下，未老化試樣導體溫度由90.1℃下降至87.8℃，老化第六階段試樣的導體溫度由86.9℃下降至84.4℃。綜合圖3與圖4可知，當同時考慮電纜絕緣層交聯聚乙烯老化狀況及溫度分布對導熱系數影響時，相同電流負荷下計算得到的溫度分布差異明顯，可達5.7℃。

從圖3與圖4可知，電纜絕緣屏蔽至導體屏蔽之間溫差可達25℃。在此情況下分別考慮絕緣層各位置溫度分布時，導體最高溫度計算結果如表4所示。由于溫度升高及絕緣老化均會使得交聯聚乙烯導熱系數上升，提升了電纜整體散熱特性，因此相同電流負荷在穩定狀態下溫度分布很好地反映了由于絕緣劣化引起的恒定電流負荷下導體溫度差異［6］。

2.3絕緣劣化對電纜絕緣溫度分布影響

電纜實際運行過程中，除絕緣劣化程度外，電纜電流負荷持續時間也是電纜影響電纜絕緣層溫度分布的關鍵因素。圖5為考慮導熱系數溫度及劣化特征時，未老化及老化第六階段試樣分別運行6小時與12小時的溫度分布。試樣經歷絕緣老化后，在運行階段由于絕緣層導熱系數差異，因此運行6小時后出現2.1℃溫差，12小時出現3℃溫差。考慮到現有紅色成像設備能夠準確識別2℃～3℃溫度差異，因此基于溫度差異能夠較好地反映電纜絕緣劣化特征。

除此之外，高壓電纜實際運行過程中鋁護套中環流存在，使得自身發熱對于電纜絕緣層溫度變化起作用。圖6對比了未老化與老化第六階段試樣在鋁護套環流為負荷電流30%情況下穩態溫度分布特征。對比圖4可知，盡管環流存在使得電纜熱源增加，但是外護套散熱增強，因此電纜穩態溫度最高值，即導體溫度幾乎無變化。

結語

本文以高壓電纜絕緣層交聯聚乙烯老化后導熱系數變化，建立了110kV電纜仿真計算模型，探究了絕緣劣化及溫度對導熱系數作用后引起電纜在相同負荷電流下溫度分布的變化。計算結果表明電纜絕緣劣化后導熱系數升高，促進了導體至外部環境的散熱，導體最高溫度明顯下降，因此可通過溫度測量開展電纜絕緣狀況評估研究。

參考文獻：

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［3］趙學風，郝一帆，黃國強，等.基于有限元仿真的土壤直埋電纜中間接頭穩態載流量計算［J］.高壓電器，2022，58（03）：6470+85.

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［5］劉剛，王振華，徐濤，等.110kV電纜中間接頭載流能力計算與實驗分析［J］.高電壓技術，2017，43（05）：16701676.

［6］Pompili，M.，Calcara，L.，D'Orazio，L.，Ricci，D.，Dervikadic＇，A.，He，H.（2021）.JointsdefectivenessofMVundergroundcableandtheeffectsonthedistributionsystem［J］.ElectricPowerSystemsResearch，192：107004.

作者簡介：周露（1992—），女，漢族，江西吉安人，碩士，工程師，研究方向：從事輸電線路運維與檢修。