隨橋敷設(shè)高壓電纜接頭結(jié)構(gòu)層溫升與載流特性研究

王根成，閆循平，李捍平，張振鵬

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司舟山供電公司，舟山 316000；2.中國電力科學(xué)研究院有限公司，武漢 430074）

隨著我國電力系統(tǒng)的快速發(fā)展與全球能源互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略的實施，跨海能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)已經(jīng)成為我國電力系統(tǒng)發(fā)展的重要方向[1-2]。隨橋敷設(shè)電纜線路是實現(xiàn)海島-大陸互聯(lián)、海島多端聯(lián)網(wǎng)的重要手段，是能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的重要組成部分。相較于海底電纜輸電線路，隨橋敷設(shè)電纜有著更優(yōu)異的經(jīng)濟(jì)性與更高的運行可靠性，并且由于電纜為沿橋敷設(shè)，后期可以通過橋梁檢修通道對電纜進(jìn)行監(jiān)測檢修[3-4]。隨橋敷設(shè)電纜在跨海輸電系統(tǒng)中發(fā)揮著愈發(fā)重要的作用，國內(nèi)外已有多項電力工程利用跨?；蛘呖缃髽蜃鳛殡娏νǖ雷呃?，例如：2010年在上海東海大橋上敷設(shè)了雙回25 km的110 kV交流電纜；上海長江大橋沿橋敷設(shè)的220 kV的交流電纜是我國首例220 kV電力電纜過橋工程；寧波舟岱跨海大橋連接舟山諸島，長達(dá)17.355 m，是世界上最長的連島高速公路和規(guī)模最大的跨海橋梁群，舟岱大橋建成后將在橋上沿橋敷設(shè)220 kV高壓輸電線路，用于海島多端的電力連接[5]。

隨橋敷設(shè)電纜根據(jù)橋梁的不同形式而輻射在不同的環(huán)境中，如鋼箱梁、混凝土箱梁、鋼平臺等。不同敷設(shè)條件下的電纜運行環(huán)境存在極大的差異，舟岱大橋現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)表明，在夏季溫度較高時，鋼箱梁內(nèi)的最高環(huán)境溫度可以達(dá)到近50℃。高壓電纜中間接頭是用于連接兩根電纜的重要組件，同時也是電力線路中最薄弱最容易出現(xiàn)故障的部分[6]。在舟岱大橋沿橋敷設(shè)電纜中，鋼梁箱中的高溫環(huán)境嚴(yán)重影響電纜及中間接頭的正常運行，影響電力線路的輸送能力與穩(wěn)定性。重慶大學(xué)陳仁剛等[7]針對電纜的敷設(shè)環(huán)境，通過實驗來測量土壤水分遷移后的電纜載流量，分析了外界環(huán)境因素對電纜溫度場與載流量的影響；華南理工大學(xué)牛海清等[8]仿真研究了防火封堵對隧道電纜運行情況的影響，表明防火封堵結(jié)構(gòu)改變了空氣經(jīng)過防火門后的流場分布，從而影響了熱場的分布；武漢大學(xué)提出的電纜接頭暫態(tài)熱路簡化模型，根據(jù)接頭監(jiān)測點的溫度逆向推出導(dǎo)體的實際溫度的方法[9]；樂彥杰等[10]分析了填充介質(zhì)熱阻率對電纜載流量的影響，通過選擇合適的材料來提高電纜的載流能力。以上研究表明了電纜及中間接頭的運行狀態(tài)受外界環(huán)境的影響，但是針對沿橋敷設(shè)電纜的特殊運行工況，尚未展開系統(tǒng)研究，亟待研究環(huán)境溫度、電纜接頭結(jié)構(gòu)、空氣對流散熱條件對電纜中間接頭結(jié)構(gòu)層溫升與載流量特性的研究。

為此，本文采用COMSOL Multiphysics軟件搭建了隨橋敷設(shè)電纜中間接頭的有限元[11]仿真模型，仿真獲得了高環(huán)境溫度對電纜中間接頭溫度分布與載流量的影響情況，分析了防水結(jié)構(gòu)與空氣對流對電纜接頭溫度分布情況的影響。為沿橋敷設(shè)電纜運行狀況監(jiān)測與載流量提升方法提供了參考。

1 220 kV XLPE電纜中間接頭建模分析

圖1為基于COMSOL Multiphysics有限元分析軟件的220 kV XLPE電纜中間接頭結(jié)構(gòu)層溫度場仿真分析過程。仿真中，將電纜中間接頭看作軸對稱結(jié)構(gòu)，選擇固體和流體傳熱物理模型對XLPE中間接頭進(jìn)行仿真計算，對電纜中間接頭結(jié)構(gòu)層溫度分布規(guī)律進(jìn)行分析研究。采用自由三角形劃分網(wǎng)格并進(jìn)行瞬態(tài)求解計算，設(shè)置繪圖組以得到關(guān)注的溫度分布情況。

圖1 仿真分析流程Fig.1 Flow chart of simulation analysis

1.1 模型參數(shù)選取與設(shè)置

以浙江舟山舟岱大橋沿橋敷設(shè)電纜整體預(yù)制型中間接頭（普銳斯曼，型號：GMS-300-CA-Cu-CAS-41-297-2-1252.C）為研究對象，構(gòu)建電纜中間接頭的仿真模型，如圖2所示。

圖2 電纜中間接頭結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of cable joint

XLPE電纜主要由電纜線芯、導(dǎo)體屏蔽、絕緣屏蔽、金屬屏蔽、外護(hù)套構(gòu)成，電纜中間接頭結(jié)構(gòu)包括導(dǎo)體壓接桿、鋁屏蔽罩、應(yīng)力錐、乙丙橡膠接頭主絕緣、銅殼、防水膠、防水膠殼等，各結(jié)構(gòu)層材料參數(shù)如表1所示。圖2中黑色方塊為各結(jié)構(gòu)層溫度采集點，分別為導(dǎo)體溫度、XLPE絕緣/SiR絕緣界面溫度、接頭SiR絕緣外表面溫度、銅殼表面溫度、防水膠殼表面溫度。

表1 220 kV電纜中間接頭參數(shù)Tab.1 Parameters of 220 kV cable joint

相較于傳統(tǒng)的直埋與隧道電纜敷設(shè)方式，隨橋敷設(shè)電纜運行過程中環(huán)境溫度相對較高，舟岱大橋橋梁梁箱溫度最高可達(dá)50℃，且橋梁箱梁內(nèi)部環(huán)境密閉，電纜表面空氣對流速度較低。上述3種電纜敷設(shè)方式的環(huán)境差異如表2所示，可知，較高的環(huán)境溫度與較小的空氣對流均會影響電纜接頭結(jié)構(gòu)層溫升與載流特性，為此基于隨橋敷設(shè)電纜的特殊環(huán)境因素設(shè)定仿真模型參數(shù)。

表2 不同電纜敷設(shè)方式的環(huán)境差異Tab.2 Environmental differences between different cable laying methods

1.2 參數(shù)設(shè)置與網(wǎng)格劃分

沿橋敷設(shè)電纜中間接頭的仿真研究涉及熱量傳遞與熱源設(shè)置兩個方面。熱量傳遞有3種形式，分別是熱傳導(dǎo)、熱對流與熱輻射，其中熱傳導(dǎo)發(fā)生在相互接觸的兩個物體中，是由溫度梯度所產(chǎn)生的自然對流。熱傳導(dǎo)過程中滿足傅里葉定律，有

式中：?為流過平板的熱量，W；λ為導(dǎo)熱系數(shù)；A為平板的面積，m2；dt/dx為平板上一點在x方向上的溫度變化率。

熱對流一般是流體之間的宏觀位移伴隨著熱傳導(dǎo)，是指物體表面的一種傳熱過程，可表示為

式中：h為對流換熱系數(shù)，W/（m2·K）；Δt為兩相鄰結(jié)構(gòu)表面溫度之差，℃。

地球上任何物體都存在熱輻射現(xiàn)象，發(fā)生輻射換熱的場合主要考慮電纜及中間接頭的表面輻射能力，滿足公式

式中：ΔT為物體表面的溫度差；σb為黑體輻射常數(shù)，一般取值為5.67×10-8W（m2·K）；ξ為輻射率，因為物體輻射能力相對于黑體輻射小，因此輻射率取值小于1。

在電纜運行過程中，主要熱源為導(dǎo)體電流熱效應(yīng)產(chǎn)生的熱量，有負(fù)荷時導(dǎo)體的發(fā)熱情況為

式中：WC為單位長度的銅導(dǎo)體因為發(fā)熱產(chǎn)生的損耗，W/m；I為導(dǎo)體流入的電荷，A；R為通入交流電時單位長度導(dǎo)體的交流電阻，Ω/m。

對于通入交流電的導(dǎo)體，趨膚效應(yīng)會使導(dǎo)體的有效電阻增加，趨膚深度的計算公式為

式中：Δ為趨膚深度，m；γ為導(dǎo)電材料的電導(dǎo)率，S/m；ω為交流電的角頻率，rad/s；μ為材料的磁導(dǎo)率，H/m。

設(shè)置電纜中間接頭的兩端為熱絕緣邊界，分別研究30、40、50℃環(huán)境溫度下中間接頭的結(jié)構(gòu)層溫升特性，并研究防水結(jié)構(gòu)和空氣對流速度對結(jié)構(gòu)層溫度與載流量的影響。中間接頭采用自由三角形網(wǎng)格進(jìn)行劃分，網(wǎng)格劃分情況如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格劃分示意Fig.3 Schematic of meshing

2 實驗結(jié)果

2.1 高環(huán)境溫度對電纜接頭溫升與載流量的影響

設(shè)置接頭表面環(huán)境溫度分別為30、40、50℃，仿真計算得到導(dǎo)體電流為1 300 A時，高壓電纜接頭結(jié)構(gòu)層溫度的分布特性。圖4為接頭溫度達(dá)到穩(wěn)態(tài)時的溫度分布，為了可以直觀地對比各環(huán)境溫度下的接頭溫度分布，仿真結(jié)果采用相同的溫度范圍。可以看出，在相同負(fù)荷電流條件下，導(dǎo)體的熱量通過中間接頭的各結(jié)構(gòu)層向外傳遞，從而在各結(jié)構(gòu)層上形成了溫度梯度場分布。隨著接頭所處環(huán)境溫度的升高，電纜導(dǎo)體及接頭各結(jié)構(gòu)層溫度不斷升高。

圖4 不同環(huán)境溫度下高壓電纜接頭溫度場分布Fig.4 Temperature field distributions of HV cable joint at different ambient temperatures

為進(jìn)一步研究接頭各結(jié)構(gòu)層的溫升過程，仿真得到不同環(huán)境溫度下的接頭各結(jié)構(gòu)層溫升曲線，結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看出，接頭所處環(huán)境溫度分別為30、40、50℃時，導(dǎo)體溫度分別為72.8、83.6、95.8℃，接頭銅殼外表面的溫度分別為37.5、47.3、57.7℃。在接頭各結(jié)構(gòu)層中，距離導(dǎo)體近的結(jié)構(gòu)溫升速度也相對較快，這是因為熱源主要是導(dǎo)體線芯，因此距離導(dǎo)體越近的結(jié)構(gòu)受熱傳導(dǎo)過程影響越大，溫度上升的速度也就越快。環(huán)境溫度升高各結(jié)構(gòu)層的溫度均有一定的提升，且環(huán)境溫度每升高10℃，各結(jié)構(gòu)層穩(wěn)態(tài)溫度均升高10℃左右，接頭各結(jié)構(gòu)層的溫度與環(huán)境溫度的溫差基本上是固定不變的。這是因為當(dāng)環(huán)境溫度在一定范圍內(nèi)變化時，對中間接頭的發(fā)熱量影響很小，可以忽略不計，因此電流一定時，環(huán)境溫度與中間接頭各結(jié)構(gòu)層溫度呈正線性相關(guān)關(guān)系。XLPE電纜的長期工作溫度為90℃，使導(dǎo)體能夠連續(xù)運行在不超過其穩(wěn)定溫度的最大電流稱為載流量。在接頭導(dǎo)體通入1 300 A電流，當(dāng)環(huán)境溫度為30℃時，接頭導(dǎo)體溫度為72.8℃，低于長期絕緣耐受溫度，即電纜負(fù)荷沒有被充分利用，系統(tǒng)負(fù)荷還可以適當(dāng)增加；當(dāng)環(huán)境溫度為50℃時，接頭導(dǎo)體溫度為95.8℃，高于長期絕緣耐受溫度，會加速絕緣老化，降低電纜長期運行壽命，對電力系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行造成威脅。

圖5 環(huán)境溫度對接頭溫升過程的影響Fig.5 Influences of ambient temperature on the temperature rise process of joint

因此，環(huán)境溫度會影響電纜中間接頭的載流量，對載流量隨環(huán)境溫度變化情況進(jìn)行仿真分析，得到結(jié)果如圖6所示。由圖可以看出，電纜中間接頭所處的環(huán)境溫度越高，接頭導(dǎo)體的載流量就越低，載流量與環(huán)境溫度之間的關(guān)系呈負(fù)線性相關(guān)。

圖6 載流量隨環(huán)境溫度的變化情況Fig.6 Variation of current carrying capacity with ambient temperature

2.2 防水結(jié)構(gòu)對電纜接頭溫升與載流量的影響

沿海、沿河區(qū)域的電纜敷設(shè)環(huán)境往往較為潮濕，為避免接頭在潮濕環(huán)境中絕緣性能下降影響其使用壽命，往往對中間接頭進(jìn)行防水處理，在電纜中間接頭處安裝防水殼，灌注防水膠。防水殼與防水膠的加入會影響中間接頭的熱傳導(dǎo)與散熱過程，從而影響中間接頭結(jié)構(gòu)層的溫度分布。電纜導(dǎo)體通入1 300 A交流電流，設(shè)置環(huán)境溫度為40℃，仿真分析防水結(jié)構(gòu)對電纜中間接頭溫度分布的影響。接頭各結(jié)構(gòu)層溫度達(dá)到穩(wěn)態(tài)后其溫度分布情況如圖7所示，可以看出在安裝防水結(jié)構(gòu)后，接頭內(nèi)部各結(jié)構(gòu)層溫度都有一定的提高。

圖7 40℃下防水結(jié)構(gòu)對中間接頭溫度分布的影響Fig.7 Influences of waterproof structure on the temperature distribution of joint at 40℃

為了研究防水結(jié)構(gòu)對接頭溫升過程的影響，繪制了安裝防水結(jié)構(gòu)前后接頭各結(jié)構(gòu)層的溫升曲線，如圖8所示?？梢钥闯?，在環(huán)境溫度為40℃，導(dǎo)體電流為1 300 A情況下，中間接頭在安裝防水結(jié)構(gòu)后，導(dǎo)體溫度由原來的83.6℃提升到87.8℃，導(dǎo)體運行溫度提高了4.2℃；銅殼外表面溫度由48.1℃上升到51.8℃，溫度提升了3.7℃。接頭各結(jié)構(gòu)層溫度均有所提升，這是因為添加防水結(jié)構(gòu)后，由于防水膠的導(dǎo)熱性能較差，抑制了接頭的對外散熱能力，導(dǎo)致接頭內(nèi)部溫度均有一定的提高，而導(dǎo)體溫度升高則會影響接頭的載流量。

圖8 40℃環(huán)境溫度下防水結(jié)構(gòu)對接頭溫升過程的影響Fig.8 Influences of waterproof structure on the temperature rise process of joint at 40℃

仿真分析在40℃環(huán)境溫度下，安裝防水結(jié)構(gòu)前后接頭導(dǎo)體載流量的變化情況，結(jié)果如圖9所示?？梢钥闯?，在安裝防水結(jié)構(gòu)后，接頭的載流量由1 371 A降低到了1 318 A，降低了53 A。因此，對于干燥鋼箱梁中的電纜中間接頭，不安裝中間接頭防水結(jié)構(gòu)可以一定程度地降低接頭結(jié)構(gòu)層溫度，提高接頭導(dǎo)體的載流量，有利于中間接頭的長期穩(wěn)定運行。

圖9 40℃環(huán)境溫度下考慮防水結(jié)構(gòu)對載流量的影響Fig.9 Influences of waterproof structure on current carrying capacity at 40℃

2.3 空氣對流對電纜接頭溫升與載流量的影響

熱對流也是物體進(jìn)行熱量傳遞的主要形式，當(dāng)電纜中間接頭處于良好的通風(fēng)環(huán)境中時，空氣對流會影響中間接頭表面的對流散熱，進(jìn)而影響接頭的溫度分布。仿真分析空氣對流速度對電纜中間接頭各結(jié)構(gòu)層溫度分布的影響，設(shè)置環(huán)境溫度為40℃，導(dǎo)體電流為1 300 A，空氣對流速度分別為1、2、10 m/s時接頭穩(wěn)態(tài)溫度分布如圖10所示。對比圖4無空氣對流條件下溫度分布，可見增大空氣對流有利于電纜中間接頭的散熱，降低中間接頭各結(jié)構(gòu)層溫度。隨著空氣對流速度的不斷增大，中間接頭各結(jié)構(gòu)層溫度均發(fā)生不同程度的下降，各結(jié)構(gòu)層的溫升過程如圖11所示。

圖10 40℃下空氣對流對中間接頭溫度分布的影響Fig.10 Influences of air convection on temperature distribution of joint at 40℃

圖11 40℃環(huán)境溫度下空氣對流對接頭溫升過程的影響Fig.11 Influences of air convection on the temperature rise process of joint at 40℃

結(jié)合圖5（b）可見，在相同環(huán)境溫度與導(dǎo)體電流情況下，接頭表面無空氣對流時，導(dǎo)體溫度為83.6 ℃，當(dāng)空氣對流速度分別為1、2、10 m/s時，導(dǎo)體溫度分別為81.9、79.6、77.8℃?？梢钥闯觯宇^表面空氣對流有利于接頭的散熱，并且空氣對流速度越大，接頭各結(jié)構(gòu)層的溫度也越低。這是因為空氣對流使中間接頭的散熱能力得到了一定的提升，從而降低了接頭各結(jié)構(gòu)層的溫度，因此空氣流速也會影響載流量，通過仿真分析不同風(fēng)速下載流量的變化情況，結(jié)果如圖12所示?？梢钥闯?，接頭所處環(huán)境溫度相同均為40℃時，風(fēng)速對流會對載流量產(chǎn)生影響，對流速度提高時，接頭導(dǎo)體的載流量會得到相應(yīng)的提升。不考慮空氣流動的對流散熱時，載流量為1 371 A，當(dāng)對流速度分別為1、2、10 m/s時，載流量分別為1 403、1 427、1 467 A。因此可得，空氣對流可以降低接頭的內(nèi)部溫度，并且提高接頭電纜的載流量。因此可以在環(huán)境溫度較高情況下，通過對接頭進(jìn)行通風(fēng)來降低接頭溫度，保證接頭的長期穩(wěn)定運行。

圖12 空氣對流速度對載流量的影響Fig.12 Influences of air convection velocity on current carrying capacity

3 分析與討論

綜上所述，電纜中間接頭的溫度場分布與載流量大小受到電纜接頭防水結(jié)構(gòu)、橋梁敷設(shè)環(huán)境溫度、空氣對流等因素的顯著影響。

橋梁電纜中間接頭安裝防水殼并灌注防水膠后，防水結(jié)構(gòu)會阻礙接頭內(nèi)部熱量的徑向散熱過程，導(dǎo)致接頭各結(jié)構(gòu)層溫度升高。特別是對于橋梁鋼箱梁和混凝土箱梁中相對封閉空間中的電纜敷設(shè)，環(huán)境溫度較高，安裝防水結(jié)構(gòu)后電纜載流量降低5%～10%，成為電纜載流量的瓶頸段。因此，對于鋼箱梁和混凝土箱梁干燥環(huán)境中敷設(shè)的電纜，可取消中間接頭防水結(jié)構(gòu)以提高載流量。

取消防水結(jié)構(gòu)后，隨橋敷設(shè)電纜中間接頭載流量與環(huán)境溫度、空氣對流速度的關(guān)系如圖13所示。橋梁梁廂環(huán)境溫度對中間接頭的載流量造成很大的影響。夏季橋梁梁箱中的溫度可以達(dá)到50℃。橋梁梁廂環(huán)境溫度為30℃時，電纜載流量為1 506 A；當(dāng)環(huán)境溫度升高至50℃時，載流量則降低到了1 223 A，約降低了18.8%，嚴(yán)重影響電能輸送容量。同時，高環(huán)境溫度極易導(dǎo)致電纜中間接頭溫度超過額定運行溫度，出現(xiàn)中間接頭因溫度過高甚至發(fā)生爆炸等危害。

圖13 橋梁電纜中間接頭載流量與環(huán)境溫度、空氣對流速度的關(guān)系Fig.13 Relationship among current carrying capacity of bridge cable joint,ambient temperature,and air convection velocity

因此，針對高環(huán)境溫度橋梁梁廂中的隨橋敷設(shè)電纜，需設(shè)計橋梁梁廂中的空氣對流系統(tǒng)，對隨橋敷設(shè)電纜進(jìn)行通風(fēng)處理?；趫D13中電纜載流量的等高線，可設(shè)置隨橋敷設(shè)電纜運行安全域，即隨著環(huán)境溫度的升高，調(diào)節(jié)橋梁梁廂空氣對流速度，從而保障隨橋敷設(shè)高壓電纜中間接頭的安全、可靠運行。

4 結(jié)論

本文建立了隨橋敷設(shè)高壓電纜中間接頭溫度場仿真模型，研究了電纜接頭防水結(jié)構(gòu)、橋梁敷設(shè)環(huán)境溫度、空氣對流等因素對中間接頭結(jié)構(gòu)層溫升特性與載流量的影響，主要結(jié)論如下：

（1）環(huán)境溫度是影響電纜接頭溫升過程與載流量的最重要原因，當(dāng)橋梁梁廂環(huán)境溫度由30℃提升50℃，電纜接頭結(jié)構(gòu)層溫度顯著升高，載流量降低了18.8%。

（2）中間接頭防水結(jié)構(gòu)會阻礙電纜內(nèi)部熱量沿徑向的散熱過程，導(dǎo)致中間接頭結(jié)構(gòu)層溫度升高、載流量下降。

（3）隨橋敷設(shè)高壓電纜接頭結(jié)構(gòu)層溫升抑制與載流量提升的措施有：①在高環(huán)境溫度下，提高橋梁梁廂空氣對流速度可以有效抑制中間接頭結(jié)構(gòu)層溫升，提高電纜載流量；②對于橋梁梁箱敷設(shè)的電纜接頭，可以通過去除接頭防水結(jié)構(gòu)加強(qiáng)電纜接頭散熱，提升載流量。