高压输电电缆作为城市能源输送的重要通道,在电力系统中起着不可或缺的作用,一旦出现故障,会导致严重的社会和经济损失。电缆在输送电力时会因导体损耗而发热,现在普遍使用的交联聚乙烯(Cross-Linked Polyethylene, XLPE)绝缘电缆对导体运行温度有严格要求,为了保证绝缘寿命,电缆长期工作温度不能高于90℃。
在电缆的实际敷设过程中,需要用夹具固定电缆,使用不同材料的夹具会对夹持部分电缆的内部温度分布产生影响,选择或使用不当会导致电缆内部温升上升严重,成为电缆载流量的瓶颈。目前,国内外学者都对高压电缆进行了电热有限元建模研究,但还没有研究电缆夹具对电缆载流量、热时间常数和缆体热分布的影响。
为了获得夹具对缆体热学特性的影响,华北电力大学等单位的研究人员以典型220kV交流单芯交联聚乙烯(XLPE)绝缘电缆为对象进行电热耦合有限元分析。按照国内某市电缆的实际敷设情况,建立电缆在五种不同材料夹具下的二维和三维电热耦合有限元模型,通过稳态和暂态热力学计算,获得电缆在不同夹具下的载流量和热时间常数;通过计算不同夹具材料和间隔下的电缆温度,得到导体温度在径向和轴向的分布规律,并获得夹具材料和间隔距离与电缆导体温度的关系函数。
图1 工程现场照片
研究结果表明:
1)铝合金、复合材料和玻璃钢这些热导率高于0.5W/(m•℃)的材料制成的夹具能提高电缆的载流量,阻燃尼龙、胶木等热导率低于0.5W/(m•℃)的材料制成的夹具会降低电缆的载流量;载流量的变化和材料热导率成同相单调关系。
2)电缆热时间常数与环境温度无关,只决定于电缆的热阻和热容,夹具对该参数有影响,夹具材料的热导率越低,电缆的热时间常数越大,越不能快速散热。
3)夹具的间距和热导率对导体温度有影响,在一定负荷电流下,夹具间距越小,热导率越小,夹具内导体温度越高;存在一个距离临界值,当夹具间距小于0.2m,热导率小于0.5W/(m•℃)时,导体温度会大幅上升,工程中应尽量选取热导率较好的夹具,并使夹具间距大于0.2m;若间距确需小于0.2m,应选用热导率大于0.5W/(m2•℃)的夹具。
研究人员指出,夹具的材料和间隔距离对电缆的载流量和热时间常数都有影响,夹具的热导率和间隔距离都存在一个临界值,在该值两侧导体温度变化存在较大差异。该科研成果可为电缆的施工和运维提供理论和数据支持。
本文编自2022年第1期《电工技术学报》,论文标题为“夹具对高压绝缘电缆热学特性影响的有限元分析”,作者为吕安强、李静 等。