含防爆盒的三芯電纜中間接頭散熱性能及載流量研究

夏川，劉會家，吳剛梁，夏竹青

(1.三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002； 2.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司廣州供電局，廣州 510700； 3.國網(wǎng)湖北電力中超建設(shè)管理公司，武漢 430000)

0 引 言

隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，配電網(wǎng)系統(tǒng)中電纜已被廣泛應(yīng)用，由于受到安裝工藝、工程施工、負(fù)荷率等因素的影響，電纜中間接頭已成為城市配電網(wǎng)系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)[1-2]。在道路改造、地鐵施工和管線敷設(shè)等市政建設(shè)過程中，中間接頭缺少必要的保護(hù)，致使電力事故頻繁發(fā)生[3-4]，為了避免電纜遭受外力破壞，防止中間接頭過熱出現(xiàn)故障后蔓延至其他電纜，新裝的電纜中間接頭規(guī)定必須加裝防爆盒，但盒體內(nèi)的密封腔會增加中間接頭的傳熱路徑，降低其散熱性能，進(jìn)而直接制約線路的載流量，影響線路的安全運(yùn)行[5-7]。因此，研究配電網(wǎng)三芯電纜中間接頭在加裝防爆盒后的溫度及載流特性，對電力部門的負(fù)荷調(diào)度和預(yù)防電纜事故具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

近年來，為了研究電纜中間接頭的溫升及載流問題，國內(nèi)外專家學(xué)者做了大量的工作，主要可分為熱網(wǎng)絡(luò)法和數(shù)值分析法[8-14]。其中，熱網(wǎng)絡(luò)法是將接頭散熱過程等效為熱網(wǎng)絡(luò)，以熱路的形式表征電纜接頭內(nèi)熱量的傳遞過程，從而計(jì)算接頭的溫升，確定電纜的載流量，但三芯電纜中間接頭截面為非中心對稱結(jié)構(gòu)，如此大大增加了熱網(wǎng)絡(luò)法的復(fù)雜程度，傳統(tǒng)模型已無法滿足其溫升計(jì)算的要求。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，采用數(shù)值方法計(jì)算電纜中間接頭溫升日益得到重視，基于有限元法的多物理場計(jì)算技術(shù)亦被應(yīng)用于中間接頭溫升仿真分析，但這些研究主要集中在早期的中間接頭上，未考慮加裝防爆盒對電纜中間接頭傳熱特性的影響，目前僅文獻(xiàn)[7]利用實(shí)驗(yàn)方法研究了防爆盒對單芯電纜中間接頭溫升的影響，但未進(jìn)一步探究載流量的變化規(guī)律，難以為三芯電纜運(yùn)維提供有效依據(jù)。

介于配網(wǎng)電纜多以三芯結(jié)構(gòu)為主，故二維模型受到了限制[15]。因此，文中以廣州中新知識城某含防爆盒的20 kV三芯電纜中間接頭為例，在考慮接觸電阻的基礎(chǔ)上建立中間接頭的三維磁-熱耦合模型，研究289 A負(fù)荷電流下中間接頭的溫升情況，分析了防爆盒對中間接頭溫升的影響，并進(jìn)一步探究了加裝防爆盒后電纜載流特性的變化規(guī)律，為電纜中間接頭可靠性運(yùn)行提供了一些有益的依據(jù)。

1 含防爆盒的中間接頭模型

1.1 物理模型

以中新廣州知識城某含防爆盒的20 kV冷縮三芯電纜中間接頭為研究對象，所屬電纜為兩座變電站之間的20 kV聯(lián)絡(luò)電纜，如圖1所示，電纜總長為15.5 km，型號為ZRYJV22-18/24-3*300，電纜位于綜合管廊內(nèi)部，全段線路共有31個中間接頭，目前，中間接頭僅部分完成防爆盒的安裝，選取其中無防爆盒、未灌膠防爆盒、灌膠防爆盒三種中間接頭。

圖1 聯(lián)絡(luò)電纜示意圖

中間接頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要組成部分有護(hù)套、鎧裝帶、銅網(wǎng)、防水帶、填充物、屏蔽管、接續(xù)管、導(dǎo)體等。

圖2 三芯電纜中間接頭結(jié)構(gòu)圖

作為電纜最為脆弱的部分，為了防止遭受外力破壞、水浸，中間接頭外部加裝防爆盒，如圖3所示，防爆盒外殼材料為玻璃鋼材料，其耐壓性能高，抗沖擊力強(qiáng)，能夠保護(hù)中間接頭不受外力破壞，并防止中間接頭爆炸沖擊附近的電纜，為了增強(qiáng)防爆盒的防水特性，殼體連接處則采用硅橡膠密封，殼體上的瀉能孔能夠在中間接頭爆炸后迅速打開，朝固定方向釋放能量，從而有效防止對其他電纜的破壞。根據(jù)中間接頭的運(yùn)行環(huán)境，防爆盒空腔內(nèi)可灌注介質(zhì)以增強(qiáng)特性，選擇環(huán)氧樹脂ab膠，環(huán)氧樹脂導(dǎo)熱性較好，且阻燃性良好，完全符合電纜安全運(yùn)行的要求。

圖3 防爆盒結(jié)構(gòu)圖

1.2 仿真模型

三芯電纜中間接頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

在保證不影響磁-熱耦合仿真結(jié)果的前提下，盡可能簡化局部結(jié)構(gòu)，降低后續(xù)剖分的網(wǎng)格量，在建立仿真模型前，做了以下簡化：

(1)由于內(nèi)外半導(dǎo)電層的厚度較薄，對計(jì)算結(jié)果影響較小，建立模型時將內(nèi)外半導(dǎo)電層與絕緣層進(jìn)行了合并；

(2)考慮到電纜填充物與內(nèi)護(hù)套的材料屬性相近，在建模時也將二者進(jìn)行合并。

根據(jù)表1中的結(jié)構(gòu)參數(shù)，根據(jù)防爆盒和中間接頭的幾何尺寸，可建立含防爆盒的18/30 kV冷縮三芯電纜中間接頭的仿真模型如圖4所示，用于含防爆盒的中間接頭磁-熱耦合場計(jì)算所需的材料屬性分別如表2所示。除導(dǎo)體接觸電阻熱阻外，其他材料屬性均可通過表2查得。

表2 中間接頭各材料屬性

圖4 中間接頭仿真模型

根據(jù)文獻(xiàn)[16]，接觸電阻和熱阻可表示為：

(1)

式中Rd為接續(xù)管與導(dǎo)體間的接觸電阻；F為兩者間的接觸壓力;m為相關(guān)的系數(shù)，其值與接觸面的壓力大小、接觸點(diǎn)數(shù)及接觸類型有關(guān)，接續(xù)管與導(dǎo)體壓接面取1；kj為接觸材料、表面狀況等的影響系數(shù)，接續(xù)管與導(dǎo)體接觸取0.1。

依據(jù)文獻(xiàn)[17]中接觸熱阻與接觸電阻的計(jì)算公式，接觸熱阻可表示為：

(1)

式中λ12=2λ1λ2/(λ1+λ2)為接觸處的等效導(dǎo)熱系數(shù)；ρ12=2ρ1ρ2/(ρ1+ρ2)為接觸處等效電阻率。

2 磁-熱耦合分析及驗(yàn)證

2.1 磁-熱耦合場模型

中間接頭在運(yùn)行過程中，電流通過導(dǎo)體形成磁場，形成電磁損耗使中間接頭溫度升高，而溫升也會影響導(dǎo)體的電阻率，反過來改變中間接頭的損耗。因此，中間接頭的溫升是磁場、熱場共同作用的，且相互關(guān)聯(lián)[18-19]。由此，其磁-熱耦合關(guān)系可以表示為：

(2)

λT?2T+QV=0

(3)

2.2 磁-熱耦合計(jì)算

監(jiān)測到聯(lián)絡(luò)電纜上的負(fù)荷在某段時間內(nèi)較為穩(wěn)定，文中將流過電流近似等效為恒定289 A，電纜敷設(shè)在綜合管廊內(nèi)，在空氣域邊界上設(shè)置磁力線平行邊界條件A=0，運(yùn)行時測得周圍環(huán)境溫度為30 ℃，管廊內(nèi)為自然對流，設(shè)置表面對流換熱系數(shù)為5，通過程序控制ANSYS進(jìn)行迭代計(jì)算，可得無防爆盒、未灌膠防爆盒、灌膠防爆盒時中間接頭的仿真結(jié)果。

考慮到防爆盒不影響磁場分布，故有無防爆盒的中間接頭產(chǎn)生的熱損耗都是相同的，取線芯及接續(xù)管部分的損耗分布如圖5所示，介于導(dǎo)體線芯與接續(xù)管間接觸電阻的大于線芯電阻，故在接觸位置會出現(xiàn)電流擁擠現(xiàn)象，該處熱損耗最大，為96 347 W/m3，由于接續(xù)管通流能力大于負(fù)荷電流，故接觸位置的電流擁擠現(xiàn)象不算明顯，其外表面流過的電流較小，損耗也不大。由于線芯間的鄰近效應(yīng)，故三相導(dǎo)體臨近處電流密度大，發(fā)熱大，而背離處發(fā)熱較小，損耗分布符合物理規(guī)律。

圖5 熱功率分布圖

無防爆盒、未灌膠防爆盒、灌膠防爆盒時中間接頭的溫度分布如圖6所示，從圖6中可以看出由于接續(xù)管與纜芯接觸部位接觸損耗的存在，該處溫度最高，而中間接頭由于安裝附件的緣故，影響其內(nèi)部散熱，故表面溫度相對電纜外表面低，對比三種情況下電纜中間接頭的溫升情況可知，加裝防爆盒后，中間接頭內(nèi)部溫度會明顯上升，接續(xù)管與纜芯接觸部位結(jié)溫高達(dá)67.9 ℃，相對于無防爆盒時上升了21.7 ℃，而在防爆盒內(nèi)部灌注環(huán)氧樹脂ab膠后，其內(nèi)部結(jié)溫僅為48.5 ℃，相對于未灌膠防爆盒時，結(jié)溫下降了19.4 ℃，而相對于無防爆盒時，結(jié)溫僅上升了2.3 ℃，表明在防爆盒內(nèi)灌注環(huán)氧樹脂ab膠，可以增強(qiáng)含防爆盒的三芯電纜中間接頭散熱性能。

圖6 中間接頭溫度分布

2.3 工程應(yīng)用及驗(yàn)證

作為中新廣州知識城變電站之間的聯(lián)絡(luò)電纜，該線路長度大，多處跨越施工路段，且管廊內(nèi)敷設(shè)其他電纜數(shù)量多，為了確保中間接頭的安全可靠，聯(lián)絡(luò)電纜上的中間接頭需安裝防爆盒。為了驗(yàn)證仿真計(jì)算的準(zhǔn)確性，選擇了聯(lián)絡(luò)電纜上的三個中間接頭，中間接頭1未安裝防爆盒，中間接頭2加裝未灌膠防爆盒，中間接頭3安裝灌膠防爆盒，在289 A電流下采用Raynger ST80紅外測溫儀分別測量電纜表面溫度。由于Raynger ST80紅外測溫儀為單點(diǎn)測溫，故針對三種情況下的中間接頭選擇三個相同的觀測點(diǎn)進(jìn)行測溫對比，分別為中間接頭表面結(jié)溫、中間接頭左端電纜表面結(jié)溫，中間接頭右端電纜表面結(jié)溫。

灌膠防爆盒右端電纜表面的溫度如圖7所示。測得遠(yuǎn)接頭的左端部結(jié)溫為42.3 ℃，近接頭的右端部溫度為42.5 ℃。同理，進(jìn)一步測量中間接頭表面的最高溫度分別為38.5 ℃。三種情況下中間接頭的溫度測量數(shù)據(jù)如表3所示，對比表3中的數(shù)據(jù)，可知仿真和實(shí)測的最大絕對誤差不超過7%，滿足工程計(jì)算要求，從而驗(yàn)證了考慮接觸電阻的三維磁-熱耦合模型的準(zhǔn)確性?？紤]到防爆盒對中間接頭散熱性能的影響勢必制約電纜的載流量，為了研究三芯電纜中間接頭的熱可靠性，必須進(jìn)一步分析其載流特性。

圖7 中間接頭溫度分布

表3 中間接頭溫度測量數(shù)據(jù)

3 電纜載流量分析

為了更好地了解防爆盒對中間接頭載流量的影響，就必須對電纜進(jìn)行載流量計(jì)算。改變負(fù)荷電流，通過磁-熱耦合可計(jì)算出中間接頭在不同負(fù)荷的溫升情況，表4給出了電纜本體線芯及三種情況下中間接頭的結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)。

根據(jù)表4中的數(shù)據(jù)可繪制電纜本體及中間接頭的結(jié)溫變化曲線如圖8所示，曲線1為無防爆盒時中間接頭內(nèi)部結(jié)溫，曲線2為加裝未灌膠防爆盒時中間接頭內(nèi)部結(jié)溫，曲線3為加裝灌膠防爆盒時中間接頭內(nèi)部結(jié)溫，曲線4為電纜本體線芯結(jié)溫。根據(jù)電纜穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下導(dǎo)體溫度不超過90 ℃可以確定電纜及中間接頭的載流量。

表4 不同電流下的結(jié)溫

圖8 結(jié)溫變化曲線

由此可知，該電纜本體載流量可達(dá)580 A，而考慮中間接頭時，考慮到中間接頭的接續(xù)管為規(guī)范施工壓接，其接觸電阻對中間接頭的載流量影響不大，載流量下降為556 A，不足4.2%。而加裝未灌膠防爆盒后，由于空腔的導(dǎo)熱性能下降，此時中間接頭載流量僅為365 A，約下降37.1%。而灌注環(huán)氧樹脂ab膠后，由于環(huán)氧樹脂增強(qiáng)了中間接頭的散熱性能，此時中間接頭的載流量可達(dá)515 A，載流量下降11.2%，而相對于未灌膠的中間接頭，載流量提升近41.1%。因此，中間接頭在加裝防爆盒后，應(yīng)灌注環(huán)氧樹脂ab膠以避免載流量的大幅度下降。

4 結(jié)束語

以知識城20 kV三芯電纜中間接頭為例，通過磁-熱耦合計(jì)算，研究了防爆盒對三芯電纜中間接頭散熱性能及載流量。得到結(jié)論如下：

(1)通過運(yùn)行數(shù)據(jù)與磁-熱耦合仿真結(jié)果比較，在考慮中間接頭接觸電阻時，中間接頭溫度相對誤差不超過7%，滿足工程計(jì)算精度，由此表明建立的三芯電纜中間接頭三維模型是準(zhǔn)確的；

(2)介于防爆盒空腔的傳熱差，三芯電纜中間接頭加裝防爆盒后，散熱性能會明顯下降；而灌注良好的傳熱介質(zhì)環(huán)氧樹脂ab膠后，可增強(qiáng)中間接頭的散熱性能，進(jìn)而提升其載流量；

(3)由于接觸電阻和加裝防爆盒的影響，中間接頭的載流能力會低于電纜本體，在計(jì)算投運(yùn)電纜的載流量時，必須考慮中間接頭的載流極限，如此，在電力負(fù)荷調(diào)度時方能確保負(fù)荷不超過熱穩(wěn)定限制，從而避免事故的發(fā)生。