高壓電纜主絕緣熱膨脹研究

明建圣

設(shè)計(jì)電纜的熱態(tài)試驗(yàn)，截取不同規(guī)格的?66k V、220k V 電纜，制成試樣，分別在不同溫度下測量電纜試樣的徑向尺寸，得出電纜主絕緣幾何尺寸隨溫度的變化規(guī)律，為金屬護(hù)套變形限制電纜載流量提供更加精確的數(shù)據(jù)支撐。本試驗(yàn)的關(guān)鍵點(diǎn)是：制作電纜試樣;制作電纜加熱試驗(yàn)裝置;準(zhǔn)確測量各種溫度下的電纜徑向幾何尺寸;得出電纜主絕緣徑向幾何尺寸與溫度之間的關(guān)系。用于試驗(yàn)的電纜試樣均取于長春供電公司的運(yùn)行電纜，將截取的電纜剝?nèi)ソ饘僮o(hù)套、緩沖層，用車床加工成易于試驗(yàn)的尺寸。

采用?HG881-2 遠(yuǎn)紅外電熱鼓風(fēng)干燥箱作為加熱試驗(yàn)艙，箱內(nèi)工作室尺寸為55×55×55cm，加熱功率 3kW，溫度范圍：常溫-250℃，溫度控制偏差：±3℃，為便于觀察試驗(yàn)過程保持箱內(nèi)溫度，加裝了玻璃門，在加熱箱內(nèi)襯板上水平固定了鋼板尺。測量電纜熱態(tài)試驗(yàn)后絕緣層膨脹變化的工具為訂制游標(biāo)卡尺，可測量 500mm 試樣，測量精度：0.02mm。為準(zhǔn)確確定電纜試樣加熱達(dá)到熱穩(wěn)定所需要的試驗(yàn)時(shí)間，本采用有限元法對電纜試樣熱穩(wěn)定時(shí)間進(jìn)行仿真研究。仿真電纜為所選取的電纜為型號(hào) YJL03-66-1×1200 的 66k V 電纜。參考實(shí)際試驗(yàn)的電纜模型，只對電纜纜芯、導(dǎo)體屏蔽層、XLPE 絕緣層進(jìn)行建模分析溫度場。分析一定截取長度的試驗(yàn)電纜試品放入 90℃恒溫烘箱時(shí)的溫度場后，試樣各層的溫度變化情況。由于試驗(yàn)電纜是有限長度，對定長電纜就行縱切面建模，建立二維軸對稱模型。烘箱加熱電纜時(shí)間為 4 小時(shí)絕緣層長度 40cm，纜芯長50cm 的電纜溫度云圖，此時(shí)纜芯內(nèi)部的溫度最低為 89.75℃，與 90℃差值小于0.3℃。由此可知電纜試樣熱穩(wěn)定時(shí)間可取為 4 小時(shí)。

熱態(tài)試驗(yàn)利用游標(biāo)卡尺測量電纜試樣的外徑，需要將加熱箱門打開或者將電纜試樣移出加熱箱，在測量過程中電纜試樣將降低一定溫度。對從?90℃烘箱中取出的試樣，進(jìn)行測量過程進(jìn)行模擬仿真，已知測量過程需要 3 分鐘，當(dāng)電纜試樣從恒溫烘箱中取出時(shí)，初始溫度為 89.92℃，室溫環(huán)境 3 分鐘后，溫度下降 0.6℃。可知，測量試驗(yàn)操作所需要的時(shí)間所造成的試驗(yàn)電纜溫度變化幅度很小，可認(rèn)為所得尺寸為測量溫度下的尺寸。將電纜試樣放入加熱箱中，依次將加熱溫度調(diào)節(jié)為 40℃、60℃、80℃、90℃，每個(gè)溫度下持續(xù)加熱 4 小時(shí)后取出，在標(biāo)定的同一位置上，測量五次其徑向尺寸，然后取五次測量的平均值作為該試樣的尺寸，每個(gè)電纜試樣進(jìn)行同樣的操作步驟。

（1）220k V 運(yùn)行電纜膨脹量計(jì)算分析 單回 YJLW03-127/220-1×1000 電纜，埋深 0.8m，電纜間距 0.2m，敷設(shè)在土壤熱阻系數(shù) 2.44 K·m·W-1、深層土壤溫度 25℃的均勻土壤。恒定負(fù)荷下載流量為 830.2A，此時(shí)電纜的纜芯溫度 89.99℃，主絕緣層內(nèi)側(cè)溫度（靠近纜芯側(cè)）為 89.68℃，絕緣層外側(cè)溫度 80.27℃。

直埋電纜的深層土壤溫度一般在?10℃-20℃之間變化，受環(huán)境影響較小。采用有限元分析 220k V，1000mm2 電纜不同恒定負(fù)荷電流下主絕緣層的內(nèi)外側(cè)溫度，進(jìn)而可以求出電纜主絕緣平均溫度，根據(jù)上面得出的徑向膨脹系數(shù)，得到電纜主絕緣徑向膨脹量。

（2）66k V 運(yùn)行電纜膨脹量計(jì)算分析 單回 YJLW03-48/66-1×240 電纜，埋深 0.8m，電纜間距 0.2m，敷設(shè)在土壤熱阻系數(shù) 2.44 K·m·W-1、深層土壤溫度 25℃的均勻土壤中。其載流量為 409.9A，此時(shí)纜芯溫度 90.00℃，絕緣層內(nèi)側(cè)溫度（靠近纜芯側(cè)）為 89.73℃，絕緣層外側(cè)溫度 79.892℃，采用傳統(tǒng)熱力學(xué)熱膨脹的計(jì)算公式計(jì)算絕緣層的徑向膨脹量為 0.54mm。

通過對不同運(yùn)行負(fù)荷下?66k V 和 220k V 電纜的溫度場的分析，對于同一運(yùn)行狀態(tài)下的電纜，電纜主絕緣徑向膨脹量隨著外界土壤溫度增大而增大，但是影響作用較小。主絕緣尺寸變化受電纜承擔(dān)負(fù)荷的情況影響較大，膨脹量隨負(fù)荷變化情況，同種運(yùn)行負(fù)荷百分比下的 220k V 絕緣層的徑向膨脹量遠(yuǎn)大于 66k V，當(dāng)負(fù)荷電流為載流量時(shí)，電纜主絕緣平均溫度最為接近 90℃，電纜輸送的負(fù)荷電流減小時(shí)，絕緣層平均溫度會(huì)降低，主絕緣徑向膨脹量也隨之減小。以選取的計(jì)算電纜為例，220k V 的運(yùn)行電纜絕緣層的徑向膨脹量最大不超過 1.0mm，66k V 的運(yùn)行電纜絕緣層的徑向膨脹量最大不超過 0.6mm。

一般情況下考慮到電纜安全運(yùn)行裕度等情況，電力電纜的運(yùn)行電流會(huì)低于額定載流量，該情況下電纜的纜芯溫度低于允許長期運(yùn)行的最高溫度，當(dāng)運(yùn)行遇到突發(fā)性電流增大也就是過負(fù)荷情況，電纜持續(xù)運(yùn)行在該負(fù)荷下，纜芯溫會(huì)超過?90℃，造成 XLPE 絕緣介質(zhì)的熱不穩(wěn)定性，使電力電纜各項(xiàng)性能受到損壞。電纜在載流量下運(yùn)行時(shí)，是沒有過負(fù)荷運(yùn)行能力;但通常情況下電纜運(yùn)行負(fù)荷小于其額定載流量，此時(shí)對電纜施加過負(fù)荷，纜芯溫度上升到 90℃還需要一段時(shí)間，該時(shí)間內(nèi)不會(huì)對電纜絕緣造成損傷。

在?750A 正常負(fù)荷運(yùn)行下的電纜，負(fù)荷突增到 980A（超出恒定負(fù)荷載流量830.2A 的過負(fù)荷）時(shí)電纜絕緣層內(nèi)側(cè)、絕緣層外側(cè)及電纜纜芯的溫升變化情況。過負(fù)荷運(yùn)行一段時(shí)間纜芯溫度會(huì)超出 90℃，如纜芯長時(shí)間超出允許值運(yùn)行，會(huì)對系統(tǒng)的可靠運(yùn)行造成極大危害。

對于實(shí)際電力系統(tǒng)中的負(fù)荷，并不是恒定不變的，在此負(fù)荷曲線下電纜絕緣層內(nèi)側(cè)、絕緣層外側(cè)及電纜纜芯的溫升變化情況，纜芯溫度和絕緣層內(nèi)側(cè)溫度差值很小，絕緣層外側(cè)的溫度變化趨勢和纜芯是同步的。電纜在此周期負(fù)荷下的的載流量為?1147.6A，當(dāng)纜芯溫度為 90.02℃時(shí)，絕緣層內(nèi)側(cè)溫度為89.51℃，絕緣層外側(cè)溫度為 75.57℃，絕緣層的徑向熱膨脹量為 0.96mm。

參考文獻(xiàn)：

[1]、楊小靜，馬國棟.電力電纜載流量計(jì)算視窗化[J].電線電纜，2002（2）：36-40.

[2]、梁永春.高壓電力電纜載流量數(shù)值計(jì)算[M].國防工業(yè)出版社，2012：8-10.

[3]、馬國棟.電線電纜載流量（第 2 版）[M].中國電力出版社，2013：1-5.

[4]、魯志偉，胡國偉，李艷飛，等.地下直埋電力電纜周期載流量的數(shù)值計(jì)算[J].電工電能新技術(shù)，2013，32（10）：79-83.

[5]、鄭肇驥，王明.高壓電纜線路[M].北京：水利電力出版社，1983：107-148.

（作者單位：常州博瑞電力設(shè)備自動(dòng)化有限公司）