輸電線路傳熱特性實(shí)驗(yàn)研究

陳娟 姚峰 ，2

1 東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院

2 蘇州科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

輸電線路應(yīng)用范圍廣泛，運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜多變（如高原，極地，沙漠，雨林等），對(duì)輸電線路的可靠運(yùn)行提出了較高的技術(shù)要求。目前衛(wèi)星熱設(shè)計(jì)[1-2]以及部分復(fù)雜環(huán)境下的發(fā)電站已將大功率線路發(fā)熱[3-4]納入熱設(shè)計(jì)范圍內(nèi)?，F(xiàn)有研究主要集中在常壓或高壓條件下的輸電線路發(fā)熱特性[5]，對(duì)低壓條件下發(fā)熱特性研究較少。而與常壓相比，低壓條件下冷卻效能下降，勢(shì)必會(huì)對(duì)線路的發(fā)熱特性產(chǎn)生影響。本文將基于不同工況下電纜的發(fā)熱對(duì)其傳熱特性進(jìn)行分析。

本文設(shè)計(jì)并搭建了輸電線路發(fā)熱特性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)輸電線路的發(fā)熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，分析了輸電線路內(nèi)部傳熱過程，并研究了負(fù)載電流，保溫層以及大氣壓力對(duì)電纜本身在通電運(yùn)行過程中表面溫度，溫度時(shí)間常數(shù)的影響。

1 實(shí)驗(yàn)體系

如圖1所示，輸電線路表面散熱特性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由電纜測(cè)試系統(tǒng)，低氣壓系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。其中，電纜測(cè)試系統(tǒng)主要對(duì)電纜表面的溫度變化情況進(jìn)行測(cè)量，包括被測(cè)試BVVB電纜，電流表，功率表以及多個(gè)固定電阻（阻值為256±5%Ω）并聯(lián)組成的回路，電纜參數(shù)如表1所示。低氣壓系統(tǒng)用來(lái)創(chuàng)造實(shí)驗(yàn)所需的低壓環(huán)境，包括真空罐，真空泵，真空表和空氣流量計(jì)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于實(shí)時(shí)采集和記錄電纜表面溫度，主要包括了數(shù)據(jù)采集儀，計(jì)算機(jī)以及k型熱電偶等。

圖1 電纜實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

表1 電纜參數(shù)

實(shí)驗(yàn)時(shí)，將BVVB電纜置于真空罐中并與外界環(huán)境隔離，保持輸電系統(tǒng)電壓不變，通過改變并聯(lián)電阻的個(gè)數(shù)調(diào)節(jié)電路中負(fù)載大小，從而改變通過電纜的電流大小，實(shí)現(xiàn)電纜發(fā)熱功率的調(diào)節(jié)。利用數(shù)據(jù)采集儀實(shí)時(shí)采集和記錄真空罐內(nèi)電纜表面溫度的變化情況。測(cè)溫點(diǎn)布置如圖2所示，電纜上共布置6個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)由電源接頭指向電阻方向等距離布置。本實(shí)驗(yàn)中，輸電系統(tǒng)電壓保持220 V不變，不同工況下通過電纜的電流分別為I=1.72 A，I=4.30 A。實(shí)物圖布置如圖3所示。

圖2 電纜測(cè)溫點(diǎn)分布圖

圖3 電阻布置實(shí)物圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 傳熱特性評(píng)價(jià)指標(biāo)

電纜具有一定的電阻，因此當(dāng)電纜通過一定負(fù)載電流時(shí)，必然會(huì)產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致電纜溫度上升。為了評(píng)價(jià)電纜在施加恒定功率之后的熱響應(yīng)速率，本文引入溫度時(shí)間常數(shù)tp對(duì)電纜溫度上升速度進(jìn)行衡量。溫度時(shí)間常數(shù)tp的定義為，從施加恒定功率開始，電纜溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)溫度的62.23%時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間[6]。

2.2 電纜內(nèi)部傳熱過程

圖4給出了電纜護(hù)套與絕緣層表面平均溫度隨時(shí)間的變化，圖中，Tiso為絕緣層表面平均溫度，Tsur為護(hù)套表面平均溫度，Tair為空氣溫度。由圖4可知，當(dāng)電路接通之后，電纜溫度開始上升，經(jīng)過一段時(shí)間后基本保持不變，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。這是由于電纜銅芯外依次包有絕緣層以及護(hù)套（如圖5所示），電纜向外界環(huán)境散熱時(shí)存在一定熱阻，電纜發(fā)熱量與散熱量存在一個(gè)逐漸平衡的過程。當(dāng)電纜發(fā)熱量與散熱量達(dá)到平衡時(shí)，電纜表面溫度不再升高，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。從圖中還可以看出，在電纜溫度上升過程中，絕緣層表面平均溫度高于護(hù)套表面平均溫度，這是由于導(dǎo)體發(fā)出的熱量需要依次經(jīng)過絕緣層、護(hù)套后才能向外界環(huán)境釋放，而絕緣層與護(hù)套之間存在接觸熱阻，對(duì)熱量從絕緣層向護(hù)套的傳遞造成了阻礙，因而熱量在絕緣層積聚，導(dǎo)致了絕緣層溫度高于護(hù)套溫度，使得絕緣層的溫度時(shí)間常數(shù)有所增加。

圖4 加熱30 min中護(hù)套表面平均溫度與絕緣層表面平均溫度

圖5 電纜結(jié)構(gòu)圖

2.3 負(fù)載電流的影響

由于電纜導(dǎo)體本身具有電阻，根據(jù)Q=I2R可知，電纜的發(fā)熱功率隨著負(fù)載電流的增大而增加。圖6（a）和圖6（b）分別給出了在常壓條件下，通過電纜的負(fù)載電流為1.72 A與4.30 A時(shí)電纜護(hù)套表面溫度隨時(shí)間的變化。從圖6可以看出，當(dāng)負(fù)載電流從1.72 A增大至4.30 A時(shí)，電纜本身的發(fā)熱功率隨之增大，而電纜與周圍空氣的換熱能力基本保持不變，因此電纜的溫度上升幅度從0.4℃增大至2.0℃，溫度時(shí)間常數(shù)從12 min減小至9 min 23 s。由此可得，電纜的溫升與負(fù)載電流呈正相關(guān)，而溫度時(shí)間常數(shù)與負(fù)載電流則呈負(fù)相關(guān)。

圖6 不同負(fù)載電流下電纜的溫度變化圖

2.4 保溫層的影響

電纜除采用架空的方式進(jìn)行敷設(shè)之外，還可以采用埋地等方式進(jìn)行敷設(shè)。由于土壤導(dǎo)熱性能較差，熱量從電纜傳遞至土壤之后在電纜周圍積聚，阻礙了電纜向外界發(fā)散熱量，此時(shí)土壤相對(duì)于電纜而言起到了保溫層的作用。為了研究這種情況下電纜的發(fā)熱特性，本文對(duì)電纜進(jìn)行保溫處理后進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。圖7比較了負(fù)載電流為4.30 A時(shí)，未保溫電纜與保溫處理后電纜表面平均溫度隨時(shí)間的變化。從圖中可以看出，對(duì)電纜進(jìn)行保溫處理后，電纜溫度達(dá)到穩(wěn)定后溫升約為3.4℃，比未保溫時(shí)的溫升增加了1.4℃。溫度時(shí)間常數(shù)為15 min 39 s，比未保溫時(shí)溫度常數(shù)增加了6 min 16 s。以上數(shù)據(jù)表明，與未保溫的電纜相比，保溫處理后的電纜散熱能力下降，表面溫度上升幅度增大，溫度時(shí)間常數(shù)增加。

圖7 負(fù)載電流I=4.30 A時(shí)電纜保溫前后溫度隨時(shí)間變化

2.5 壓力的影響

與常壓環(huán)境相比，低氣壓環(huán)境下空氣密度減小，空氣的冷卻效能降低。圖8比較了壓力分別為0.1 MPa（如圖 8（a）所示）與 0.02 MPa（如圖 8（b）所示），電纜負(fù)載電流為4.30 A時(shí)電纜表面溫度隨時(shí)間的變化。從圖中可以看出，常壓時(shí)，電纜溫度達(dá)到穩(wěn)定時(shí)溫度上升了2.0℃，電纜的時(shí)間常數(shù)為9 min 23 s，而在低壓環(huán)境中，電纜溫度達(dá)到穩(wěn)定時(shí)溫升約為3.4℃，比常壓時(shí)溫升增加了1.4℃，溫度時(shí)間常數(shù)為7 min 52 s，比常壓時(shí)縮短了1 min 31 s。當(dāng)壓力降低時(shí)，空氣密度下降，空氣的換熱能力下降，導(dǎo)致電纜散熱效果變差，使得電纜表面溫度相對(duì)于常壓時(shí)更高，同時(shí)上升速度更快，在更短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖8 不同壓力下電纜的溫度變化圖

3 結(jié)論

本文搭建了輸電線路傳熱特性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)輸電線路的傳熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，分析了輸電線路內(nèi)部傳熱過程，研究了負(fù)載電流，保溫層以及大氣壓力對(duì)電纜本身在通電運(yùn)行過程中表面溫度的影響。研究結(jié)果表明：

①導(dǎo)體發(fā)出的熱量需要依次經(jīng)過絕緣層、護(hù)套后才能向外界環(huán)境釋放，因此電纜向外界環(huán)境散熱時(shí)存在一定熱阻，其發(fā)熱量與散熱量存在一個(gè)逐漸平衡的過程。在電纜溫度上升過程中，絕緣層表面平均溫度高于護(hù)套表面平均溫度。

②增大負(fù)載電流增加了電纜的發(fā)熱功率，使得電纜的溫度上升幅度增大而溫度時(shí)間常數(shù)減小，當(dāng)負(fù)載電流從1.72 A增大至4.30 A時(shí)，電纜的溫度上升幅度從0.4℃增大至2.0℃，溫度時(shí)間常數(shù)從約12 min減小至9 min 23 s。

③與未保溫的電纜相比，進(jìn)行保溫處理后的電纜散熱能力下降，表面溫度上升幅度增大，溫度常數(shù)增加。當(dāng)負(fù)載電流為4.30 A時(shí)，保溫后電纜溫度比未保溫時(shí)的溫升增加了1.4℃，溫度時(shí)間常數(shù)增加了6 min 16 s。

④與常壓環(huán)境相比，低氣壓環(huán)境下空氣密度減小，電纜表面的換熱能力下降，導(dǎo)致電纜散熱效果變差，使得電纜表面溫度相對(duì)于常壓時(shí)更高，而時(shí)間常數(shù)縮短，電纜溫度更快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。與常壓（0.1 MPa）相比，低壓（0.02 MPa）情況下，電纜溫升增加了1.4℃，溫度時(shí)間常數(shù)縮短了1 min 31 s。