劉剛 王鵬宇 王振華 徐濤 劉毅剛 韓卓展

(1.華南理工大學(xué) 電力學(xué)院， 廣東 廣州 510640； 2.廣州供電局有限公司輸電管理所， 廣東 廣州 510310；3.廣東電機工程學(xué)會電纜專委會， 廣東 廣州 510080)

基于ANSYS的高壓交流電纜接頭載流量確定方法*

劉剛1王鵬宇1王振華1徐濤2劉毅剛3韓卓展1

(1.華南理工大學(xué) 電力學(xué)院， 廣東 廣州 510640； 2.廣州供電局有限公司輸電管理所， 廣東 廣州 510310；3.廣東電機工程學(xué)會電纜專委會， 廣東 廣州 510080)

為了實現(xiàn)接頭載流量的準(zhǔn)確計算，提出了一種基于ANSYS的高壓交流電纜接頭載流量確定方法.該方法以絕緣長期耐受溫度為限制條件，利用接頭軸向二維有限元仿真模型計算載流量.仿真結(jié)果表明，當(dāng)對流散熱環(huán)境和負(fù)荷都相同時，相同導(dǎo)體截面的電纜接頭導(dǎo)體溫度高于電纜本體的導(dǎo)體溫度，接頭的載流能力低于同導(dǎo)體截面電纜的載流能力.為驗證仿真模型精度，設(shè)計了接頭載流量實驗平臺，對不同負(fù)荷下110 kV電纜接頭穩(wěn)態(tài)溫度分布進行了實測.仿真與實驗結(jié)果的對比表明，當(dāng)接頭導(dǎo)體溫度超過絕緣長期耐受溫度時，應(yīng)用接頭軸向二維有限元仿真模型計算壓接管處導(dǎo)體溫度的誤差不超過1.0%，仿真計算的準(zhǔn)確度能夠滿足工程應(yīng)用的需求.最后，采用二分法算得110 kV 630 mm2電纜接頭載流量為1 220 A，比相同導(dǎo)體截面電纜本體在相同環(huán)境條件下的載流量減少了17.79%.研究結(jié)果表明：采用接頭軸向二維有限元仿真模型計算載流量是可行的.

高壓電纜接頭；載流量；二維有限元仿真；軸向傳熱；穩(wěn)態(tài)實驗

隨著城市化進程的不斷加快，現(xiàn)有電纜線路輸電壓力日益增大，實現(xiàn)電纜的動態(tài)增容已成為解決矛盾的必要措施[1-3].傳統(tǒng)方法評定電纜全線載流量時只考慮電纜本體的載流能力，假定電纜附件運行在相同或更低的溫度條件下[4-5].但在電纜線路實際運行過程中，電纜接頭導(dǎo)體溫度往往高于電纜本體導(dǎo)體溫度，傳統(tǒng)的電纜線路載流量評定方法精確度較低.由統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，電纜附件事故占到電纜事故的70%，電纜接頭已成為電力電纜絕緣最薄弱的關(guān)鍵點[6].因此，為評估電纜接頭載流能力，從而為電纜接頭易過熱損壞的解決和電纜全線載流量的提升提供支持，對接頭溫度場分布的研究迫在眉睫.電纜接頭運行環(huán)境復(fù)雜多變，利用有限元仿真方法可以很好地實現(xiàn)對不同條件下接頭溫度場分布的求解.

國內(nèi)外學(xué)者對電纜接頭載流量的早期研究多集中在對接頭等效熱網(wǎng)絡(luò)的建立和求解，以熱路的形式表征電纜接頭內(nèi)熱量的傳遞過程，利用數(shù)學(xué)方法求解熱網(wǎng)絡(luò)即可得到電纜接頭的載流量[7-9].文獻[10]中搭建了電纜接頭三維暫態(tài)熱路模型，并實現(xiàn)了對接頭導(dǎo)體溫度的求解，但接頭導(dǎo)體溫度的求解精度受接頭分段數(shù)的制約，隨著分段數(shù)的增加求解精度提高，而接頭熱路的求解難度卻大大提高；且接頭實際結(jié)構(gòu)復(fù)雜，分段后各部分熱物性參數(shù)的準(zhǔn)確確定也較難實現(xiàn)，這和工程實際應(yīng)用的需求是相悖的，因此等效熱路法的使用受到了限制.

隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)值計算方法越發(fā)成熟，現(xiàn)有的有限元分析工具已具有較強的計算能力和良好的后處理能力，利用數(shù)值計算方法求解電纜接頭溫度場分布的使用日益受到重視[11-13].相比于熱網(wǎng)絡(luò)分析方法，利用數(shù)值計算模型求解電纜接頭載流量大大減小了建模的復(fù)雜度，改善了求解質(zhì)量.文獻[14]中采用數(shù)字溫度傳感器測量冷縮預(yù)制件表面溫度作為原始數(shù)據(jù)，構(gòu)建中間接頭的徑向溫度場仿真模型計算線芯的穩(wěn)態(tài)溫度.文獻[15]中結(jié)合傳熱學(xué)理論和有限元法，構(gòu)建電纜接頭徑向穩(wěn)態(tài)溫度場，分析了接頭導(dǎo)體溫度和表面溫度的對應(yīng)關(guān)系.文獻[16]中采用有限元分析法計算電纜接頭額定載流量，以400 kV電纜接頭為例，搭建軸對稱二維有限元仿真模型，采用靈敏度分析驗證模型簡化的可行性，并將二維仿真模型擴展為三維仿真模型，模擬接頭真實運行條件下熱場分布特點.

國內(nèi)外學(xué)者對電纜接頭熱場的研究多集中于接頭徑向熱場分析，而對電纜接頭軸向熱場分析和相應(yīng)的實驗驗證有待進一步研究.文中以110 kV預(yù)制式直通接頭為例，通過ANSYS建立了電纜接頭的二維軸向有限元仿真模型，分析了穩(wěn)態(tài)時電纜接頭的溫度分布特點，并通過高壓電纜接頭載流量實驗，驗證和優(yōu)化了仿真模型；最后利用二分法實現(xiàn)了電纜接頭載流量的準(zhǔn)確計算，達到了評定電纜接頭載流能力的目的.

1 高壓電纜接頭軸向二維有限元仿真

利用結(jié)構(gòu)復(fù)雜的三維仿真模型來解決電纜接頭溫度場分布的求解從而實現(xiàn)對接頭載流量的評估是低效且浪費時間的.電纜本體和接頭主體主要組成部分為軸對稱結(jié)構(gòu)，且接頭少量非對稱結(jié)構(gòu)對電纜導(dǎo)體溫度影響很小[17].因此，在求解接頭數(shù)值計算模型時，可認(rèn)為接頭沿半徑方向具有各向同性，對電纜接頭穩(wěn)態(tài)溫度場分布的求解可等效為2維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題，大幅度提高了求解的效率.

以110 kV 630 mm2交聯(lián)聚乙烯絕緣預(yù)制式直通接頭為例，說明接頭二維軸向仿真模型的建立和求解過程，其真實結(jié)構(gòu)如圖1所示.

為了能夠搭建接頭二維軸向仿真模型，有必要對接頭的幾何結(jié)構(gòu)做出一系列假設(shè)：將接頭銅保護殼等效為圓柱體結(jié)構(gòu)，忽略頂部接地柱的影響；用等效半徑來描述電纜的波紋鋁護套；考慮到接頭中微小結(jié)構(gòu)對接頭整體熱場分布的影響可以忽略不計，將其從接頭幾何結(jié)構(gòu)中移除[17].則可在ANSYS中建立電纜接頭沿軸向的二維幾何模型，如圖2所示.電纜及接頭各層結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料導(dǎo)熱系數(shù)如表1和2所示.

圖1 110 kV預(yù)制式直通接頭

圖2 接頭軸向二維幾何模型

結(jié)構(gòu)材料直徑/mm導(dǎo)熱系數(shù)/(W·m-1·K-1)導(dǎo)體銅30401.00導(dǎo)體屏蔽聚烯烴330.38導(dǎo)體絕緣交聯(lián)聚乙烯670.40接頭主絕緣乙丙橡膠2600.25PVC防水帶PVC2610.1667密封填充劑環(huán)氧樹脂密封膠2700.50保護銅殼銅272401.00熱縮管聚烯烴2740.38

表2 電纜本體結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.1 電纜接頭的數(shù)學(xué)模型

對于電纜任何區(qū)域，按照能量守恒定律，在任一時間間隔內(nèi)有以下熱平衡關(guān)系：導(dǎo)入?yún)^(qū)域的總熱流量與區(qū)域內(nèi)熱源的生成熱之和等于導(dǎo)出區(qū)域的總熱流量與區(qū)域熱力學(xué)能的增量之和.電纜接頭穩(wěn)態(tài)時能量守恒方程為

K·θ=Q

(1)

式中,矩陣K為由熱傳導(dǎo)、對流換熱和熱輻射組成的傳導(dǎo)矩陣,矩陣θ為節(jié)點溫度向量,矩陣Q為節(jié)點熱流密度向量.矩陣K、θ和Q可通過ANSYS，根據(jù)模型幾何尺寸、熱特性和施加邊界條件生成.

傳熱學(xué)數(shù)值算法中提出了3類熱場邊界條件：第1類邊界為已知邊界溫度為固定常數(shù)；第2類邊界為已知邊界法向熱流密度；第3類邊界為對流邊界條件為已知對流換熱系數(shù)和流體溫度[18].

第1類邊界滿足：

(2)

第2類邊界滿足：

(3)

第3類邊界滿足:

(4)

求解電纜接頭的穩(wěn)態(tài)溫度分布等價于求解含有內(nèi)在熱源的二維熱傳導(dǎo)問題，其熱傳導(dǎo)穩(wěn)態(tài)控制方程為

(5)

式中，qv為體積產(chǎn)熱率.

1.2 邊界條件的設(shè)定與求解

電纜接頭在實際運行中環(huán)境條件復(fù)雜多變，其邊界溫度及邊界熱流密度難以準(zhǔn)確確定，不適合采用第1類和第2類邊界條件求解數(shù)值計算模型；且電纜接頭多敷設(shè)于電纜溝或隧道內(nèi)，其周圍空氣流速小于0.15 m/s，屬于自然對流，因此文中采用第3類邊界條件求解數(shù)值計算模型，取自然換熱系數(shù)為7.5 W/(m·K)，空氣溫度為25.0 ℃[18-19].

電纜接頭內(nèi)熱源主要分為3類：導(dǎo)體產(chǎn)生的焦耳熱、絕緣中介質(zhì)損耗和鋁護套中的環(huán)流損耗.絕緣中介質(zhì)損耗和鋁護套中的環(huán)流損耗在熱源中所占比例很小，可以忽略其對接頭內(nèi)溫度分布的影響.電纜接頭的導(dǎo)體產(chǎn)熱率為

(6)

式中：Q為導(dǎo)體的面產(chǎn)熱率；r為導(dǎo)體半徑；I為導(dǎo)體加載的電流；R為導(dǎo)體單位長度交流電阻,R可由IEC標(biāo)準(zhǔn)計算求得:

R=R0[1+α20(θ-20)](1+YS+YP)

(7)

式中,R0為導(dǎo)體20 ℃時導(dǎo)體的直流電阻,α20為每一絕對溫度下20 ℃時銅的溫度系數(shù),θ為導(dǎo)體穩(wěn)態(tài)溫度,YS為集膚效應(yīng)因數(shù),YP為領(lǐng)進效應(yīng)因數(shù).

不同載荷水平下穩(wěn)態(tài)時電纜接頭導(dǎo)體的最高溫度是不同的，因此導(dǎo)體穩(wěn)態(tài)時的交流電阻是電流的函數(shù)，若將其視為定值則會給仿真結(jié)果帶來誤差.文中采用迭代法計算不同載荷能力下電纜接頭的最高溫度，從而計算出導(dǎo)體產(chǎn)熱率，得出接頭的穩(wěn)態(tài)溫度分布.具體步驟如下：

步驟1 求出導(dǎo)體溫度θ1為90 ℃時的交流電阻R1和導(dǎo)體產(chǎn)熱率Q1，將導(dǎo)體產(chǎn)熱率Q1和空氣中自然對流散熱條件作為加載條件代入到接頭軸向二維有限元仿真模型中.

步驟2 求解模型，在得出的溫度分布云圖中找出電纜接頭的最高溫度θ2，并重新計算導(dǎo)體交流電阻R2和產(chǎn)熱率Q2.

步驟3 將導(dǎo)體產(chǎn)熱率Q2和空氣中自然對流散熱條件作為加載條件再次代入模型求解出新的接頭最高溫度θ3，并重新計算導(dǎo)體交流電阻和產(chǎn)熱率.如此反復(fù)迭代直至相鄰兩次迭代計算溫度差值滿足精度要求，則認(rèn)為迭代收斂，此時的溫度即為接頭穩(wěn)態(tài)時導(dǎo)體的最高溫度，并得到該條件下穩(wěn)態(tài)溫度場的分布.

由迭代法計算可得：接頭加載電流1 000 A時導(dǎo)體產(chǎn)熱率為57 393.7 W/m2，接頭加載電流1 250 A時導(dǎo)體產(chǎn)熱率為89 677.6 W/m2，接頭加載電流1 484 A時導(dǎo)體產(chǎn)熱率為126 395.6 W/m2.

1.3 仿真結(jié)果及分析

對接頭二維仿真模型求解，得到不同負(fù)荷下電纜接頭及附近本體穩(wěn)態(tài)溫度分布云圖，如圖3所示.

由圖3可以看出：

1)電纜接頭加載電流達到穩(wěn)態(tài)后，沿接頭軸向存在溫度分布梯度.接頭壓接管處溫度最高.從接頭壓接管到2 m外電纜本體，導(dǎo)體穩(wěn)態(tài)溫度呈先下降后增長再下降的變化趨勢，導(dǎo)體溫度在銅殼端口附近出現(xiàn)極小值點.

2)當(dāng)電纜接頭加載1 250 A電流達到穩(wěn)態(tài)時，接頭壓接管處溫度為92.4 ℃，已超過交聯(lián)聚乙烯絕緣的長期耐受溫度，而此時電纜本體導(dǎo)體穩(wěn)態(tài)溫度只有76.2 ℃，仍遠(yuǎn)低于絕緣長期耐受溫度，電纜本體導(dǎo)體未得到有效利用.

3)當(dāng)電纜接頭加載1 484 A電流達到穩(wěn)態(tài)時，電纜本體導(dǎo)體溫度達到絕緣長期耐受溫度，而此時接頭壓接管處溫度高達114.9 ℃，遠(yuǎn)超絕緣長期耐受溫度.由老化原理可知，電纜若長期運行在滿負(fù)荷條件下，將加速電纜接頭絕緣的熱老化，接頭使用壽命會大大縮短.

圖3 不同負(fù)荷時電纜接頭及附近本體的穩(wěn)態(tài)溫度分布云圖Fig.3 Steady-state temperature distribution of cable joint and cable body nearby at different currents

表3給出了不同載荷下電纜接頭導(dǎo)體穩(wěn)態(tài)溫度的仿真計算結(jié)果.可以看出，在同等自然對流散熱環(huán)境和同等負(fù)荷下，相同導(dǎo)體截面的電纜接頭導(dǎo)體溫度高于電纜本體的導(dǎo)體溫度，而二者的載流能力都取決于XLPE絕緣長期運行的最高耐受溫度(90 ℃)[20].由此可知，電纜接頭的載流能力低于同導(dǎo)體截面電纜的載流能力.

表3 電纜接頭導(dǎo)體穩(wěn)態(tài)溫度

2 高壓電纜接頭溫升實驗

為研究接頭穩(wěn)態(tài)時的溫度分布特點，為接頭二維有限元仿真模型的驗證提供可靠溫度數(shù)據(jù)，設(shè)計了110 kV 630 mm2電纜接頭穩(wěn)態(tài)溫升實驗，實驗系統(tǒng)如圖4所示.實驗系統(tǒng)分為室內(nèi)和室外兩個部分，室內(nèi)部分包括大電流自動升流負(fù)載實驗系統(tǒng)、升流器、無功補償電容器，室外部分為實驗負(fù)載.

實驗電纜放置在蓋板的電纜溝內(nèi)，無直射日照的影響，且實驗時環(huán)境溫度和濕度變化不大，可近似等效為恒溫恒濕環(huán)境.電纜溝內(nèi)空氣流速小于0.15 m/s，屬于自然對流.

圖4 實驗系統(tǒng)示意圖

以電纜接頭壓接管中點為0 m基準(zhǔn)，在距離壓接管中點3.50 m范圍內(nèi)，每隔一定距離在電纜導(dǎo)體表面設(shè)置1個測溫點，如圖5所示.測溫傳感器采用熱電偶，為提高溫度測量的精確度，在同一測溫點的不同方向分別布置3個熱電偶.

圖5 測溫點布置示意圖

由仿真結(jié)果可知，電纜加載1 484 A階躍電流達到穩(wěn)態(tài)時，接頭處運行溫度將遠(yuǎn)超絕緣的長期耐受溫度，對接頭絕緣的傷害較大.因此，通過升流變壓器，只對電纜接頭加載1 000 A、1 250 A階躍電流直至穩(wěn)態(tài)，獲得這段范圍內(nèi)接頭及附近本體導(dǎo)體的穩(wěn)態(tài)溫度實驗數(shù)據(jù)分布，如圖6和表4所示.

結(jié)合圖6和表4可以看出：

圖6 階躍電流作用下接頭軸向穩(wěn)態(tài)溫度分布曲線

Fig.6 Steady axial temperature profiles in the single-stage step current role

表4 不同負(fù)荷下電纜接頭軸向溫差對比

Table 4 Temperature difference contrast of cable joint under different loads

負(fù)荷/A接頭壓接管溫度/℃電纜本體導(dǎo)體溫度/℃接頭及本體軸向溫差/℃環(huán)境溫度/℃ 100064.955.09.925.0125093.275.817.427.1

1)穩(wěn)態(tài)時電纜接頭壓接管處導(dǎo)體溫度最高.分析產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因，需從產(chǎn)熱和散熱兩個方面出發(fā).接頭內(nèi)采用壓接管連接兩段導(dǎo)體，壓接處引入了接觸電阻，增加了接頭內(nèi)的發(fā)熱，且接觸電阻會隨著溫度的升高而增大，進一步提高了壓接管處導(dǎo)體的溫度；電纜接頭制作工藝要求較高，結(jié)構(gòu)尺寸遠(yuǎn)大于電纜本體，散熱條件較差.

2)穩(wěn)態(tài)時電纜接頭及附近本體間存在軸向溫度分布，沿壓接管至電纜本體，導(dǎo)體溫度呈先下降后增長再下降的變化趨勢，在銅殼端口附近出現(xiàn)一個極小值點.分析其原因在于，保護銅殼端口處電纜剝切了鋁護套，與空氣對流散熱條件良好，此時散熱對電纜導(dǎo)體的溫度起到了主導(dǎo)作用.

綜合實驗數(shù)據(jù)分析可知，在同等負(fù)荷和同等敷設(shè)環(huán)境下，電纜接頭導(dǎo)體溫度高于同導(dǎo)體截面電纜本體的導(dǎo)體溫度，則電纜接頭的載流能力低于同導(dǎo)體截面電纜本體的載流能力.實驗結(jié)果和仿真結(jié)果一致，驗證了接頭軸向二維仿真模型的正確性.

3 討論

對比分析相同載荷、相同環(huán)境條件下的電纜接頭溫度的仿真和實驗結(jié)果，如圖7所示.

由圖7可知，基于電纜接頭軸向二維仿真模型得出的接頭軸向溫度分布曲線和實驗實測的溫度分布曲線趨勢相同，都呈現(xiàn)先下降后增長再下降的趨勢，其中仿真求得的壓接管溫度低于實測值，其他測溫點的仿真結(jié)果均高于實測值，有一定誤差.分析接頭軸向二維仿真模型產(chǎn)生誤差的原因如下：

圖7 不同負(fù)荷下接頭仿真和實驗結(jié)果對比

Fig.7 Comparison of simulated and experimental results of joint under different loads

1)接頭銅網(wǎng)屏蔽層屬于多孔結(jié)構(gòu)，孔隙和細(xì)銅絲混合的導(dǎo)熱系數(shù)無法準(zhǔn)確設(shè)定；半導(dǎo)電層、硅橡膠等有機多分子材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化而變化，且各廠家使用的原材料特性存在一定差異，其導(dǎo)熱系數(shù)也無法準(zhǔn)確設(shè)定.

2)計算接頭熱源時，只考慮了導(dǎo)體的焦耳熱，忽略了絕緣中介質(zhì)損耗和鋁護套中的環(huán)流損耗.

3)仿真時設(shè)定電纜接頭邊界條件均勻且恒定，而實際運行過程中，電纜接頭表面的邊界條件并非均勻，接頭各處的空氣溫度和對流速度不完全相同，且隨時間的變化而變化.

以接頭溫度實測值為基準(zhǔn)，對接頭軸向二維仿真模型誤差分析如表5所示.由表5可知，電纜在1 000 A階躍電流作用下，仿真誤差最大值出現(xiàn)在距離壓接管中線2.41 m處的電纜本體，最大為3.6%；電纜在1 250 A階躍電流作用下，仿真誤差最大值出現(xiàn)在距離壓接管中線0.96 m處的接頭銅殼端口附近，最大為9.8%.當(dāng)接頭導(dǎo)體溫度超過絕緣長期耐受溫度時，應(yīng)用接頭軸向二維仿真模型計算壓接管處導(dǎo)體溫度的誤差很小，不超過1.0%，計算結(jié)果準(zhǔn)確度能夠滿足工程應(yīng)用的需求.可見，接頭軸向二維仿真模型可以實現(xiàn)較為準(zhǔn)確的接頭載流量計算.

表5 接頭軸向二維仿真模型誤差

4 高壓電纜接頭載流量計算實例

由上文分析可知，高壓電纜接頭的載流量不同于相同截面的電纜本體，現(xiàn)有的IEC標(biāo)準(zhǔn)不適用于設(shè)計電纜接頭的載流量.在接頭軸向二維有限元仿真模型精度已得到驗證的前提下，文中提出一種以絕緣長期耐受溫度為限制條件，利用接頭軸向二維有限元仿真模型計算接頭載流量的方法.

計算電纜接頭載流量時導(dǎo)體產(chǎn)熱率仍由式(6)給出，式中,R為電纜接頭導(dǎo)體溫度達到絕緣長期耐受溫度時的單位長度導(dǎo)體交流電阻.文中以110 kV 630 mm2電纜為例，針對接頭軸向二維有限元仿真模型，以絕緣長期耐受溫度為限制條件，采用二分法計算得到電纜接頭的載流量為1 220 A[21].由上文可知，相同截面的電纜本體載流量為1 484 A.在相同環(huán)境條件下，相比于電纜本體，電纜接頭載流量減少了17.79%，進一步驗證了在同等自然對流散熱環(huán)境下電纜接頭的載流能力低于同導(dǎo)體截面電纜的載流能力這一結(jié)論的正確性.

5 結(jié)論

文中搭建了接頭軸向二維有限元仿真模型，設(shè)計了接頭穩(wěn)態(tài)溫升實驗，通過仿真和實驗分析得到如下結(jié)論：

1)穩(wěn)態(tài)時電纜接頭及附近本體間存在軸向溫度分布，壓接管處導(dǎo)體溫度最高，沿壓接管至電纜本體，導(dǎo)體溫度呈先下降后增長再下降的變化趨勢.在同等自然對流散熱環(huán)境和同等負(fù)荷下，相同導(dǎo)體截面的電纜接頭導(dǎo)體溫度高于電纜本體的導(dǎo)體溫度，電纜接頭的載流能力低于同導(dǎo)體截面電纜的載流能力.電纜本體導(dǎo)體溫度達到90 ℃時，電纜接頭處導(dǎo)體溫度已遠(yuǎn)超接頭內(nèi)電纜XLPE絕緣長期耐受溫度，加速了接頭絕緣的熱老化，影響接頭使用壽命，危害線路的安全運行.

2)仿真和實驗結(jié)果一致，驗證了接頭軸向二維有限元仿真模型的正確性.當(dāng)接頭導(dǎo)體溫度超過絕緣長期耐受溫度時，應(yīng)用接頭軸向二維仿真模型計算壓接管處導(dǎo)體溫度誤差不超過1.0%，計算結(jié)果準(zhǔn)確度能夠滿足工程應(yīng)用的需求，接頭軸向二維仿真模型可以實現(xiàn)較為準(zhǔn)確的接頭載流量計算.

3)針對接頭軸向二維有限元仿真模型，采用二分法計算得到110 kV 630 mm2電纜接頭的載流量為1 220 A，比相同導(dǎo)體截面電纜本體在相同環(huán)境條件下的載流量減少了17.79%，進一步驗證了在同等自然對流散熱環(huán)境下電纜接頭的載流能力低于同導(dǎo)體截面電纜的載流能力這一結(jié)論的正確性.

[1] 吳畏,楊博麟,王軼群,等.電力電纜及其接頭運行溫度監(jiān)測技術(shù)研究 [J].電線電纜,2011(4):42-44. WU Wei,YANG Bo-lin,WANG Yi-qun,et al.Research of techniques for monitoring the operation temperature of the power cable and cable joints [J].Electric Wire & Cable,2011(4):42-44.

[2] 李應(yīng)宏,雷成華,劉剛.基于材料導(dǎo)熱系數(shù)的單芯高壓電纜導(dǎo)體溫度動態(tài)分析 [J].華東電力,2011,39(8):1300-1303. LI Ying-hong,LEI Cheng-hua,LIU Gang.Dynamic analysis of conductor temperature of the high voltage single-core cable based on thermal conductivity [J].East China Electric Power,2011,39(8):1300-1303.

[3] LI Y,WOUTERS P,WAGENAARS P,et al.Temperature dependent signal propagation velocity:possible indicator for MV cable dynamic rating [J].IEEE Translation on Dielectrics and Electrical Insulation,2015,22(2):665-672.

[4] NEHER J H,MCGRATH M H.The calculation of the temperature rise and load capability of cable systems [J].Power Apparatus and Systems,Part III.Transactions of the American Institute of Electrical Engineers,1957,76(3):752-764．

[5] 江日洪.交聯(lián)聚乙烯電力電纜線路 [M].北京:中國電力出版社,2009:92-94.

[6] 劉輝.電纜故障診斷理論與關(guān)鍵技術(shù)研究 [D].武漢：華中科技大學(xué),2012:32-33.

[7] 劉剛,雷鳴,阮班義,等.考慮軸向傳熱的單芯電纜線芯溫度實時計算模型研究 [J].高電壓技術(shù),2012,38(8) :1877-1883. LIU Gang,LEI Ming,RUAN Ban-yi,et al.Model research of real-time calculation for single-core cable temperature considering axial heat transfer [J].High Voltage Engineering,2012,38(8):1877-1883.

[8] 雷鳴,劉剛,賴育庭,等.采用Laplace方法的單芯電纜線芯溫度動態(tài)計算 [J].高電壓技術(shù),2010,36(5):1150-1155. LEI Ming,LIU Gang,LAI Yu-ting,et al.Dynamic calculation of core temperature of single core cables using Laplace method [J].High Voltage Engineering,2010,36(5):1150-1155.

[9] 雷成華,劉剛,李欽豪.BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型用于單芯電纜導(dǎo)體溫度的動態(tài)計算 [J].高電壓技術(shù),2011,37(1):184-189. LEI Cheng-hua,LIU Gang,LI Qin-hao.Dynamic calcu-lation of conductor temperature of single-cable using BP neural network [J].High Voltage Engineering,2011,37(1):184-189.

[10] NAKAMUAR S,MOROOJKA S,KAWASAKI K.Con-ductor temperature mnitoring mystem in underground power transmission XLPE cable joints [J].IEEE Tran-sactions on Power Delivery,1992,7(4):1688-1697.

[11] 雷鳴,劉剛,邱景生,等.電纜線芯溫度的非線性有限元法實時計算 [J].電網(wǎng)技術(shù),2011,35(11):164-168. LEI Ming,LIU Gang,QIU Jing-sheng,et al.Real-time core temperature calculation of single-core cable by nonlinear finite element method [J].Power System Technique,2011,35(11):164-168.

[12] 吳畏,汪諷,黃智偉,等.110 kV高壓電力電纜中間接頭電場-溫度場的仿真分析 [J].傳感器與微系統(tǒng),2011,30(8):15-17. WU Wei,WANG Feng,HUANG Zhi-wei,et al.Simula-tion analysis of electric-thermo field of 110 kV power cable joint [J].Transducer and Microsystem Technolo-gies,2011,30(8):15-17.

[13] WEEDY B M,PERKINS J P.Steady-state thermal analysis of a 400 kV cable through joint [J].Proceedings of the IEEE,1967,114(1):109-115.

[14] 常文治,韓筱慧,李成榕,等.階躍電流作用下電纜中間接頭溫度測量技術(shù)的實驗研究 [J].高電壓技術(shù),2013,39(5):1156-1162. CHANG Wen-zhi,HAN You-hui,LI Cheng-rong,et al.Experimental study on cable joint temperature measure-ment technology under step current [J].High Voltage Engineering,2013,39(5):1156-1162.

[15] LIN Shan-ming,HU Wan-qing.Theoretical research on temperature field of power cable joint with FEM [C]∥Proceedings of 2012 International Conference on System Science and Engineering.Dalian:IEEE,2012：564-567.

[16] PILGRIM J Al.An investigation of thermal ratings for high voltage cable joints through the use of 2D and 3D finite element analysis [J].IEEE Dielectrics and Electrical Insulation Society,2008,1089(84):543-546.

[17] PILGRIM James A,SWAFFIELD David J S,LEWIN Paul L,et al.Assessment of the impact of joint bays on the ampacity of high-voltage cable circuits [J].IEEE Transactions on Power Delivery,2009,24(3):1029-1036.

[18] 王磊,劉國建,嚴(yán)浩軍,等.基于有限元分析法的電纜中間接頭溫升仿真研究 [J].上海電力學(xué)院學(xué)報,2014,30(5):428-432. WANG Lei,LIU Guo-jian,YAN Hao-jun,et al.Study of mechanism of temperature rise on power cable joint [J].Journal of Shanghai University of Electric Power,2014,30(5):428-432.

[19] 郝艷捧,曾彤,陽林,等.高壓直流電纜終端載流量確定方法 [J].電網(wǎng)技術(shù),2015,39(9):2519-2525. HAO Yan-peng,ZENG Tong,YANG Lin,et al.The determination method of steady-state current-carrying capacity of HVDC cable terminal [J].Power System Technology,2015,39(9):2519-2525.

[20] 馬國棟.電線電纜載流量 [M].北京:中國電力出版社,2003:54-56.

[21] 王有元,陳仁剛,陳偉根,等.基于有限元法的 XLPE電纜載流量計算及其影響因素分析 [J].重慶大學(xué)學(xué)報,2010,33(5):72-77. WANG You-yuan,CHEN Ren-gang,CHAN Wei-gen,et al.Calculation of the ampacity of XLPE power cable based on FEM and analysis of the influential factors [J].Journal of Chongqing University,2010,33(5):72-77.

Determination Method of Current-Carrying Capacity of HVAC Cable Joint Based on ANSYS

LIUGang1WANGPeng-yu1WANGZhen-hua1XUTao2LIUYi-gang3HANZhuo-zhan1

(1.School of Electric Power, South China University of Technology, Guangzhou 510640, Guangdong, China;2.Transmission Management, Guangzhou Power Supply Bureau Ltd., Guangzhou 510310, Guangdong, China;3.Guangdong Society for Electrical Engineering, Guangzhou 510080, Guangdong, China)

In order to accurately calculate the current-carrying capacity of HVAC (High-Voltage AC) cable joints, a method based on ANSYS, which employs the two-dimension finite element simulation model of the joint in axial direction and takes the insulation’s long-term tolerating temperature as the constraint condition, is presented, and, a simulation is performed, finding that, under the same natural convection and load conditions, the temperature of the joint conductor is higher than that of the cable conductor with equal sectional area, while the current-carrying capacity of the cable is better than that of the joint. Then, in order to verify the precision of the simulation model, an experimental platform to measure the joint’s current-carrying capacity is established, and the practical steady-state temperature distribution of the 110 kV cable joint under different loads is measured. Moreover, a comparative analysis is carried out between the simulated and the experimental results, finding a 1.0% error of the cable joint conductor’s temperature calculated with the finite element simulation model when the temperature exceeds the insulation’s long-term tolerating temperature, which means that the accuracy of the calculation results may satisfy the demand of engineering application. Finally, a current-carrying capacity of 1 220 A is obtained for the 10 kV 630 mm2cable joint by using the dichotomy, which is 17.79% less than that of the cable body with the same conductor cross section under the same environmental conditions. Thus, it is concluded that the proposed two-dimension finite element simulation model of the joint in axial direction is feasible in calculating the current-carrying capacity.

high-voltage cable joint; current-carrying capacity; 2D finite element simulation; axial heat conduction; steady-state experiment

2016-07-14

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)項目 (2015AA050201) Foundation item: Supported by the National High-Tech R&D Program of China(863 Program)(2015AA050201)

劉剛(1969-)，男，博士，副教授，主要從事過電壓及其防護、電力設(shè)備外緣研究.E-mail：liugang@scut.edu.cn

100 0-565X(2017)04-0022-08

TM 726.4

10.3969/j.issn.1000-565X.2017.04.004