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(shí)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(shí)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(yùn)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(duì)電纜進(jìn)行監(jiān)測(cè)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(xiàng)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(tái)等。不同敷設(shè)條件下的電纜運(yùn)行環(huán)境存在極大的差異,舟岱大橋現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)表明,在夏季溫度較高時(shí),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(shí)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(yùn)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(duì)電纜的敷設(shè)環(huán)境,通過實(shí)驗(yàn)來測(cè)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(duì)電纜溫度場(chǎng)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(duì)隧道電纜運(yùn)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(chǎng)分布,從而影響了熱場(chǎng)的分布;武漢大學(xué)提出的電纜接頭暫態(tài)熱路簡(jiǎn)化模型,根據(jù)接頭監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度逆向推出導(dǎo)體的實(shí)際溫度的方法[9];樂彥杰等[10]分析了填充介質(zhì)熱阻率對(duì)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(yùn)行狀態(tài)受外界環(huán)境的影響,但是針對(duì)沿橋敷設(shè)電纜的特殊運(yùn)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(duì)流散熱條件對(duì)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(duì)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(duì)流對(duì)電纜接頭溫度分布情況的影響。為沿橋敷設(shè)電纜運(yùn)行狀況監(jiān)測(cè)與載流量提升方法提供了參考。
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(chǎng)仿真分析過程。仿真中,將電纜中間接頭看作軸對(duì)稱結(jié)構(gòu),選擇固體和流體傳熱物理模型對(duì)XLPE中間接頭進(jìn)行仿真計(jì)算,對(duì)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(jì)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
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(hào):GMS-300-CA-Cu-CAS-41-297-2-1252.C)為研究對(duì)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(diǎn),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(yùn)行過程中環(huán)境溫度相對(duì)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(duì)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(duì)流均會(huì)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
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(gè)方面。熱量傳遞有3種形式,分別是熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流與熱輻射,其中熱傳導(dǎo)發(fā)生在相互接觸的兩個(gè)物體中,是由溫度梯度所產(chǎn)生的自然對(duì)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(diǎn)在x方向上的溫度變化率。
熱對(duì)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(duì)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(chǎng)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?yàn)槲矬w輻射能力相對(duì)于黑體輻射小,因此輻射率取值小于1。
在電纜運(yùn)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(shí)導(dǎo)體的發(fā)熱情況為
式中:WC為單位長度的銅導(dǎo)體因?yàn)榘l(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(shí)單位長度導(dǎo)體的交流電阻,Ω/m。
對(duì)于通入交流電的導(dǎo)體,趨膚效應(yīng)會(huì)使導(dǎo)體的有效電阻增加,趨膚深度的計(jì)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(duì)流速度對(duì)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
設(shè)置接頭表面環(huán)境溫度分別為30、40、50℃,仿真計(jì)算得到導(dǎo)體電流為1 300 A時(shí),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(shí)的溫度分布,為了可以直觀地對(duì)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??梢钥闯?,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(chǎng)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(chǎng)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(shí),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(duì)較快,這是因?yàn)闊嵩粗饕菍?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?yàn)楫?dāng)環(huán)境溫度在一定范圍內(nèi)變化時(shí),對(duì)中間接頭的發(fā)熱量影響很小,可以忽略不計(jì),因此電流一定時(shí),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(yùn)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(shí),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(shí),接頭導(dǎo)體溫度為95.8℃,高于長期絕緣耐受溫度,會(huì)加速絕緣老化,降低電纜長期運(yùn)行壽命,對(duì)電力系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行造成威脅。
圖5 環(huán)境溫度對(duì)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(huì)影響電纜中間接頭的載流量,對(duì)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
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(duì)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(huì)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(duì)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(duì)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(duì)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(yùn)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?yàn)樘砑臃浪Y(jié)構(gòu)后,由于防水膠的導(dǎo)熱性能較差,抑制了接頭的對(duì)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(huì)影響接頭的載流量。
圖8 40℃環(huán)境溫度下防水結(jié)構(gòu)對(duì)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。可以看出,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(duì)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(yùn)行。
圖9 40℃環(huán)境溫度下考慮防水結(jié)構(gòu)對(duì)載流量的影響Fig.9 Influences of waterproof structure on current carrying capacity at 40℃
熱對(duì)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(shí),空氣對(duì)流會(huì)影響中間接頭表面的對(duì)流散熱,進(jìn)而影響接頭的溫度分布。仿真分析空氣對(duì)流速度對(duì)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(duì)流速度分別為1、2、10 m/s時(shí)接頭穩(wěn)態(tài)溫度分布如圖10所示。對(duì)比圖4無空氣對(duì)流條件下溫度分布,可見增大空氣對(duì)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(duì)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(duì)流對(duì)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(duì)流對(duì)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(duì)流時(shí),導(dǎo)體溫度為83.6 ℃,當(dāng)空氣對(duì)流速度分別為1、2、10 m/s時(shí),導(dǎo)體溫度分別為81.9、79.6、77.8℃??梢钥闯?,接頭表面空氣對(duì)流有利于接頭的散熱,并且空氣對(duì)流速度越大,接頭各結(jié)構(gòu)層的溫度也越低。這是因?yàn)榭諝鈱?duì)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(huì)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??梢钥闯觯宇^所處環(huán)境溫度相同均為40℃時(shí),風(fēng)速對(duì)流會(huì)對(duì)載流量產(chǎn)生影響,對(duì)流速度提高時(shí),接頭導(dǎo)體的載流量會(huì)得到相應(yīng)的提升。不考慮空氣流動(dòng)的對(duì)流散熱時(shí),載流量為1 371 A,當(dāng)對(duì)流速度分別為1、2、10 m/s時(shí),載流量分別為1 403、1 427、1 467 A。因此可得,空氣對(duì)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(duì)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(yùn)行。
圖12 空氣對(duì)流速度對(duì)載流量的影響Fig.12 Influences of air convection velocity on current carrying capacity
綜上所述,電纜中間接頭的溫度場(chǎng)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(duì)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(huì)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(duì)于橋梁鋼箱梁和混凝土箱梁中相對(duì)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(duì)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(duì)流速度的關(guān)系如圖13所示。橋梁梁廂環(huán)境溫度對(duì)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(shí),電纜載流量為1 506 A;當(dāng)環(huán)境溫度升高至50℃時(shí),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(shí),高環(huán)境溫度極易導(dǎo)致電纜中間接頭溫度超過額定運(yùn)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(duì)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(duì)高環(huán)境溫度橋梁梁廂中的隨橋敷設(shè)電纜,需設(shè)計(jì)橋梁梁廂中的空氣對(duì)流系統(tǒng),對(duì)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(yùn)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(duì)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(yùn)行。
本文建立了隨橋敷設(shè)高壓電纜中間接頭溫度場(chǎng)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(duì)流等因素對(duì)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(huì)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(duì)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(duì)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。