摘要：溫度監(jiān)測(cè)是高壓電纜長(zhǎng)期可靠運(yùn)行過程的有效手段，熱作用導(dǎo)致電纜絕緣劣化并使得導(dǎo)熱特性發(fā)生變化，也使得絕緣層溫度分布發(fā)生變化從而影響電纜溫度監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性。本文基于高壓電纜絕緣層交聯(lián)聚乙烯不同劣化程度下導(dǎo)熱系數(shù)的變化，建立了電纜溫度仿真計(jì)算模型，進(jìn)行了電纜絕緣劣化后溫度分布計(jì)算，探究了基于溫度監(jiān)測(cè)用于反應(yīng)電纜絕緣劣化的初步可行性。

關(guān)鍵詞：高壓電纜；交聯(lián)聚乙烯；導(dǎo)熱系數(shù)；溫度分布

從20世紀(jì)80年代開始，國(guó)內(nèi)大中城市即開始應(yīng)用110kV高壓電纜，目前110kV高壓電纜成為城市輸電網(wǎng)的主要載體。隨著越來越多的高壓電纜到達(dá)30年的設(shè)計(jì)運(yùn)行年限，如何準(zhǔn)確利用現(xiàn)有檢測(cè)技術(shù)開展帶電條件下電纜絕緣狀況評(píng)估，是適當(dāng)延長(zhǎng)此類老舊電纜運(yùn)行年限的關(guān)鍵［1］。對(duì)電纜整體而言，絕緣層交聯(lián)聚乙烯的劣化是決定電纜整體性能的關(guān)鍵因素。同時(shí)交聯(lián)聚乙烯作為典型高分子材料，劣化后分子結(jié)構(gòu)變化引起自身傳熱特性變化是較多高分子材料的典型特性之一［2］。本文以交聯(lián)聚乙烯劣化后傳熱特性變化為基礎(chǔ)，建立高壓電纜模型，探究導(dǎo)熱系數(shù)變化對(duì)電纜絕緣層溫度分布變化對(duì)電纜溫度檢測(cè)的狀態(tài)檢測(cè)提供指導(dǎo)。

1實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1高壓電纜結(jié)構(gòu)及參數(shù)

本文以導(dǎo)體截面積1000mm2為研究對(duì)象，電纜截面示意圖及各層結(jié)構(gòu)材料參數(shù)分別如圖1與表1所示。

以電纜正常運(yùn)行為例，當(dāng)導(dǎo)體溫度為90℃時(shí)，電纜絕緣屏蔽外表面溫度通常為60℃～70℃。1000mm2導(dǎo)體截面積的110kV電纜絕緣層厚度為16.7mm，因此可知電纜正常運(yùn)行時(shí)最大溫差/厚度為1.8℃/mm。

1.2加速熱老化及導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試

通過環(huán)切法或者電纜絕緣層交聯(lián)聚乙烯片狀試樣，并剪裁為長(zhǎng)寬均為4cm的試樣。利用恒溫箱（DKM310C，YAMATOScientific），在115℃下對(duì)試樣進(jìn)行加速熱老化，15天取樣一次共完成90天加速老化實(shí)驗(yàn)。

利用瞬態(tài)導(dǎo)熱儀完成各試樣導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定，測(cè)試溫度為30℃～90℃，其中溫度間隔為10℃。

1.3電纜仿真模型

依據(jù)圖1建立的電纜仿真模型如圖2所示。相比圖1，仿真計(jì)算模型中電纜絕緣層按照從導(dǎo)體屏蔽到絕緣屏蔽順序，分隔為10部分。

圖2電纜模型建立示意圖

2結(jié)果與分析

2.1老化試樣導(dǎo)熱系數(shù)

表2為不同老化階段及測(cè)試溫度下試樣導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試結(jié)果。從測(cè)試結(jié)果可知，隨著老化時(shí)間增加，相同測(cè)試溫度下試樣導(dǎo)熱系數(shù)在老化1～2階段時(shí)差異較小，3～6階段逐漸增加，主要原因?yàn)槔匣瘯r(shí)間增加內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)破壞程度提高，提高了分子結(jié)構(gòu)振動(dòng)及熱傳遞［3］。相同老化階段時(shí)，測(cè)試溫度升高，導(dǎo)熱系數(shù)緩慢增加，表明溫度升高加速了分子結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率與幅值，提升了導(dǎo)熱效率［4］。此外，當(dāng)測(cè)試溫度相差為10℃時(shí)，相同老化程度試樣的導(dǎo)熱系數(shù)變化較??；當(dāng)溫度差異為20℃時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)約有8%的差異。

為簡(jiǎn)化模擬計(jì)算，不同測(cè)試溫度下試樣導(dǎo)熱系數(shù)變化利用線性函數(shù)進(jìn)行擬合。不同老化程度試樣導(dǎo)熱系數(shù)——溫度擬合參數(shù)，如表3所示。隨著老化時(shí)間增加，試樣導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度增加的線性曲線斜率系數(shù)a不斷增加，表明交聯(lián)聚乙烯劣化后產(chǎn)生的鏈狀分子結(jié)構(gòu)熱運(yùn)動(dòng)提升，更有利于傳熱［5］。

2.2導(dǎo)熱系數(shù)選取對(duì)電纜溫度變化影響

以往研究中，較多場(chǎng)景下選擇導(dǎo)熱系數(shù)不變，不考慮導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化的影響［68］。以未老化及老化第六階段試樣30℃導(dǎo)熱系數(shù)為例，模擬電纜電流負(fù)荷為1450A時(shí)，電纜截面溫度特性如圖3所示。在固定導(dǎo)熱系數(shù)下，電纜內(nèi)部溫度呈現(xiàn)均勻分布，且由于老化第6階段試樣的導(dǎo)熱系數(shù)提升，使得穩(wěn)態(tài)下電纜導(dǎo)體溫度由90.1℃下降至86.9℃，但電纜外層溫度幾乎無差異。當(dāng)考慮絕緣層材料溫度特性時(shí)，絕緣層外部溫度變化如圖4所示。由于溫度升高后絕緣層交聯(lián)聚乙烯導(dǎo)熱系數(shù)增大，因此相同負(fù)荷下，未老化試樣導(dǎo)體溫度由90.1℃下降至87.8℃，老化第六階段試樣的導(dǎo)體溫度由86.9℃下降至84.4℃。綜合圖3與圖4可知，當(dāng)同時(shí)考慮電纜絕緣層交聯(lián)聚乙烯老化狀況及溫度分布對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)影響時(shí)，相同電流負(fù)荷下計(jì)算得到的溫度分布差異明顯，可達(dá)5.7℃。

從圖3與圖4可知，電纜絕緣屏蔽至導(dǎo)體屏蔽之間溫差可達(dá)25℃。在此情況下分別考慮絕緣層各位置溫度分布時(shí)，導(dǎo)體最高溫度計(jì)算結(jié)果如表4所示。由于溫度升高及絕緣老化均會(huì)使得交聯(lián)聚乙烯導(dǎo)熱系數(shù)上升，提升了電纜整體散熱特性，因此相同電流負(fù)荷在穩(wěn)定狀態(tài)下溫度分布很好地反映了由于絕緣劣化引起的恒定電流負(fù)荷下導(dǎo)體溫度差異［6］。

2.3絕緣劣化對(duì)電纜絕緣溫度分布影響

電纜實(shí)際運(yùn)行過程中，除絕緣劣化程度外，電纜電流負(fù)荷持續(xù)時(shí)間也是電纜影響電纜絕緣層溫度分布的關(guān)鍵因素。圖5為考慮導(dǎo)熱系數(shù)溫度及劣化特征時(shí)，未老化及老化第六階段試樣分別運(yùn)行6小時(shí)與12小時(shí)的溫度分布。試樣經(jīng)歷絕緣老化后，在運(yùn)行階段由于絕緣層導(dǎo)熱系數(shù)差異，因此運(yùn)行6小時(shí)后出現(xiàn)2.1℃溫差，12小時(shí)出現(xiàn)3℃溫差?？紤]到現(xiàn)有紅色成像設(shè)備能夠準(zhǔn)確識(shí)別2℃～3℃溫度差異，因此基于溫度差異能夠較好地反映電纜絕緣劣化特征。

除此之外，高壓電纜實(shí)際運(yùn)行過程中鋁護(hù)套中環(huán)流存在，使得自身發(fā)熱對(duì)于電纜絕緣層溫度變化起作用。圖6對(duì)比了未老化與老化第六階段試樣在鋁護(hù)套環(huán)流為負(fù)荷電流30%情況下穩(wěn)態(tài)溫度分布特征。對(duì)比圖4可知，盡管環(huán)流存在使得電纜熱源增加，但是外護(hù)套散熱增強(qiáng)，因此電纜穩(wěn)態(tài)溫度最高值，即導(dǎo)體溫度幾乎無變化。

結(jié)語(yǔ)

本文以高壓電纜絕緣層交聯(lián)聚乙烯老化后導(dǎo)熱系數(shù)變化，建立了110kV電纜仿真計(jì)算模型，探究了絕緣劣化及溫度對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)作用后引起電纜在相同負(fù)荷電流下溫度分布的變化。計(jì)算結(jié)果表明電纜絕緣劣化后導(dǎo)熱系數(shù)升高，促進(jìn)了導(dǎo)體至外部環(huán)境的散熱，導(dǎo)體最高溫度明顯下降，因此可通過溫度測(cè)量開展電纜絕緣狀況評(píng)估研究。

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作者簡(jiǎn)介：周露（1992—），女，漢族，江西吉安人，碩士，工程師，研究方向：從事輸電線路運(yùn)維與檢修。