高壓直流電纜接頭穩(wěn)態(tài)溫度場分布及其影響因素
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李昭紅，陽林，田野，李立涅，傅明利，卓然
（1．華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東廣州 510640；
2．南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，廣東廣州 510080）
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摘要：溫度是反映電纜中間接頭運行狀態(tài)的重要參數(shù)。與交流不同，高壓直流電纜中間接頭絕緣層溫度的變化影響著電場分布和空間電荷的積累，因此不僅要關(guān)注接頭線芯的溫度，更要研究絕緣層溫度和絕緣層內(nèi)外表而溫差的變化，建立了高壓直流XLPE絕緣電纜中間接頭的簡化模型，利用有限元軟件進行仿真，得到了接頭絕緣層穩(wěn)態(tài)溫度分布，并研究了不同線芯電流和電纜接頭外表面溫度分別對接頭導(dǎo)線芯溫度、XIPE主絕緣和硅橡膠(SIR)增強絕緣層溫度分布以及絕緣層內(nèi)外表面溫差的影響。結(jié)果表明：直流高壓下，線芯電流對三者影響較為顯著：接頭外表面溫度對接頭導(dǎo)線芯最高溫度、絕緣層最高溫度和絕緣層溫度分布有影響，而對絕緣層內(nèi)外表面溫差的影響可忽略不計。
關(guān)鍵詞：高壓直流電纜；中間接頭：穩(wěn)態(tài)溫度場：有限元；線芯電流；外表面溫度
0引言
柔性高壓直流輸電(VSC-HVDC)以功率范圍變化靈活、運行獨立、功率控制簡單、輸電線路性能優(yōu)越等優(yōu)點而備受關(guān)注。高壓直流輸電電纜尤其是交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜(cross-linked polyethyleneinsulated cable, XLPE電纜)，其研發(fā)和應(yīng)用目前進入快速發(fā)展階段。2010年，汕頭南澳島風(fēng)電基地±160 kV 三端柔性直流輸電示范工程（簡稱“南澳柔直工程”）建成投運，帶動了國內(nèi)±160 kVXLPE絕緣直流海底／陸地電纜及其附件等關(guān)鍵裝備的自主研發(fā)。
大量交流系統(tǒng)運行經(jīng)驗表明．電纜附件一直是電纜系統(tǒng)運行中的薄弱環(huán)節(jié)。溫度是衡量電纜接頭運行中絕緣狀態(tài)是否良好的重要指標。隨著接頭溫度的升高．接頭接觸電阻增大，會加劇絕緣的老化．對電纜接頭的安全運行造成嚴重威脅。對于直流XLPE電纜巾間接頭，其絕緣結(jié)構(gòu)電場取決于電導(dǎo)率，而電導(dǎo)率是電場和溫度的函數(shù)，因此，溫度變化必然會對電場分布產(chǎn)生影響。此外，直流電壓下，絕緣層及其交界面處很容易造成空間電荷的聚集，導(dǎo)致電場分布的嚴重畸變，進而加速絕緣老化甚至造成絕緣擊穿。相關(guān)研究表明，絕緣層溫度的變化也會影響空間電荷的聚集。因此，針對直流XLPE電纜中間接頭內(nèi)線芯溫度、絕緣層的溫度分布以及絕緣層內(nèi)外表面溫差開展相關(guān)研究非常必要。
國內(nèi)外學(xué)者對直流電纜中間接頭溫度分布的研究主要集中在充油電纜方面。XLPE絕緣電纜接頭耐熱性能好，工作溫度比充油電纜高，但目前對XLPE絕緣電纜接頭的溫度分布研究比較少。
基于以上分析．本文以南澳柔直工程用+160 kV直流XLPE絕緣電纜中間接頭為例，建立電纜接頭模型．利用有限元軟件ANSYS對其溫度場進行仿真分析，并研究了不同線芯電流和接頭外表面溫度對接頭穩(wěn)態(tài)溫度場分布和絕緣層內(nèi)外表面溫差產(chǎn)生的影響。
1 XLPE電纜中間接頭的溫度場仿真分析
1.1 高壓直流XLPE電纜中間接頭仿真模型
本文參考±160 kV高壓直流XLPE絕緣電纜結(jié)構(gòu)與參數(shù)，其所用中間接頭結(jié)構(gòu)如圖1所示。以此為例建立高壓電纜中間接頭ANSYS仿真模型，部分結(jié)構(gòu)材料和參數(shù)如表1所示。
為了簡化模型．把導(dǎo)體屏蔽層歸算到XLPE絕緣層．絕緣屏蔽層和阻水層采用調(diào)和平均法進行處理，即在整個厚度不變的基礎(chǔ)上，將各層等效為一種介質(zhì)，介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)按式(1)由調(diào)和平均法求得。簡化后其仿真模型如圖2所示。
式中：A，為等效導(dǎo)熱系數(shù)；i為電纜結(jié)構(gòu)層，L =n表示接頭最外層；A。為與：層相對應(yīng)的導(dǎo)熱系數(shù)，r．為i層相對應(yīng)的半徑。
1.2邊界條件及求解
根據(jù)傳熱學(xué)3類邊界條件的定義，在計算電纜中間接頭內(nèi)部穩(wěn)態(tài)溫度場分布時，假設(shè)周圍
傳熱介質(zhì)分布均勻，且溫度保持穩(wěn)定。第1類邊界條件為接頭外表面溫度30℃．第2類邊界條件為接頭兩端法向熱流密度為0。給線芯加載產(chǎn)熱率，產(chǎn)熱率由歸算后電纜中間接頭總損耗除以線芯截面積求得，具體推導(dǎo)為
式中：Q為導(dǎo)體截面產(chǎn)熱率，W／rri2;，為導(dǎo)體載流，A;R為截面直流電阻，Q；5為截面面積，mz。直流電壓下，單位長度導(dǎo)體直流電阻參考標準IEC 60287-1-1，可表示為
式中：Ro為20℃時導(dǎo)體的直流電阻，fl,/m; a20為20℃時銅導(dǎo)體溫度系數(shù)，取值為3.93xl0-3℃-1；9為最高運行溫度，取值為70℃。Ro由式(4)計算求出。
式中：S為導(dǎo)體的橫截面積，m2;r為導(dǎo)線芯的半徑，取值為0.013 3 m; P20c。為20℃時銅導(dǎo)體體積電阻率，取值為1.7241x1 0-8 Q -m，
1.3仿真結(jié)果
直流電纜載流量的計算國際上尚未有相關(guān)標準，目前主要是根據(jù)導(dǎo)體最高工作溫度不超過絕緣允許最高溫度來確定的，本文將直流下導(dǎo)體最高運行溫度70℃作為確定載流量的一個約束條件，選取接頭線芯電流1 216 A時，導(dǎo)體最高運行溫度為70℃作為算例進行接頭溫度場分布計算。將電流值代入式(2)計算得出此時產(chǎn)熱率Q為98 772 W/m2。在上述邊界條件下進行求解，得到±160 kV XLPE絕緣電纜中間接頭溫度場分布如圖3所示。圖3顯示，導(dǎo)線芯有電流流過時，會產(chǎn)生焦耳熱，此時導(dǎo)線芯作為一個等效熱源向電纜中間接頭表皮進行傳熱，由于外界環(huán)境溫度始終低于導(dǎo)線芯的溫度，在對表皮徑向傳熱時始終存在溫度梯度。以溫度變化比較明顯的XLPE主絕緣和SIR增強絕緣兩種結(jié)構(gòu)為主進行分析．取兩絕緣共同所在的徑向路徑．研究絕緣層穩(wěn)態(tài)溫度場隨接頭徑向距離變化的分布關(guān)系．如圖4所示。由圖4可看出：(1)兩絕緣層溫度隨徑向距離變化，由內(nèi)而外呈下降趨勢；(2)各絕緣層內(nèi)外表面存在溫差，在ANSYS穩(wěn)態(tài)溫度場云圖中．提取溫度值．經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到在線芯電流為1 216 A時．XLPE主絕緣層的最大溫差值為27.04℃。SIR增強絕緣層的內(nèi)外表面最大溫差值為28.2℃。
2影響因素分析
2.1 線芯電流的影響
電纜中間接頭在不同的工作狀態(tài)下．其線芯電流會發(fā)生變化，且電流使線芯產(chǎn)生焦耳熱，是影響絕緣層溫度分布的重要因素，研究不同線芯電流對接頭溫度場分布的影響很有意義。保持電纜中間接頭表面溫度為30℃不變，研究線芯電流在負荷過低(600 A、800 A)、負荷正常(1 000 A、1 200 A)和負荷過大(1 400 A、l 600 A)3種狀態(tài)下電纜中間接頭的穩(wěn)態(tài)溫度分布，如圖5所示。取XLPE絕緣和SIR增強絕緣共同所在的徑向路徑．繪制不同線芯電流下電纜中間接頭絕緣層穩(wěn)態(tài)溫度場隨徑向距離的變化分布曲線如圖6所示。由圖5、6可看出：(1)不同線芯電流下，絕緣層溫度隨徑向距離變化而變化，線芯電流的大小對絕緣層溫度隨徑向距離的變化影響較大：(2)電流值較小(600 A)時，曲線變化趨勢比較平緩，而隨著線芯電流的增長，曲線變化越來越顯著，至電流值為1 600 A時，此時的曲線已經(jīng)變得比較陡峭；(3)同一線芯電流下絕緣層存在溫差，絕緣層溫差隨線芯電流的變化而變化。
首先，提取6種電流下溫度場分布圖中接頭導(dǎo)體最高溫度和2種絕緣層最高溫度來進行研究，分別繪制出不同線芯電流下導(dǎo)線芯最高溫度和絕緣層最高溫度變化曲線，如圖7所示。由圖7可看出：(1)接頭導(dǎo)體和XLPE、SIR絕緣層的最高溫度都隨線芯電流的增大而呈指數(shù)增長，其增長趨勢一致。這是岡為導(dǎo)線芯有電流流過時產(chǎn)生的焦耳熱會影響絕緣層的溫度分布。(2)接頭導(dǎo)體最高溫度在600 A時為40.08℃，在1 600 A時最高溫度為99.24℃：XLPE絕緣層最高溫度在600 A時為40.07℃，在1 600 A時最高溫度為99.22℃；SIR絕緣層最高溫度在600 A時為39.92℃，在1 600 A時最高溫度為98.1℃。(3)直流高壓電纜中問接頭導(dǎo)體和絕緣層最高溫度受線芯電流影響比較顯著．且最高溫度數(shù)值比較接近。
其次，在ANSYS穩(wěn)態(tài)溫度場云圖中，提取絕緣層溫度值，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到不同線芯電流下XLPE主絕緣和SIR增強絕緣層內(nèi)外表面最大溫差值如表2所示。按表2數(shù)值繪制絕緣層內(nèi)外表面最大溫差隨線芯電流變化的關(guān)系曲線如圖8所示。由圖8可看出：(1)絕緣層內(nèi)外表面溫差受線芯電流的影響較為顯著。隨著線芯電流的增大，XLPE主絕緣和SIR增強絕緣層的溫差分別增大。(2)線芯電流為600 A時．XLPE主絕緣層內(nèi)外表面溫差為6.57℃．SIR增強絕緣層內(nèi)外表面溫差為7.02℃；線芯電流為1 600 A時．XLPE絕緣層內(nèi)外表面溫差達到46.82℃．SIR絕緣層內(nèi)外表面溫差也達到48.83 cC。(3)SIR增強絕緣層溫差始終比XLPE主絕緣層溫差大，是因為SIR絕緣的導(dǎo)熱系數(shù)要比XLPE絕緣的導(dǎo)熱系數(shù)小。
2.2接頭外表面溫度的影響
由于電纜中間接頭敷設(shè)的環(huán)境不同，其散熱情況也存在差異。電纜中問接頭外表而溫度受到環(huán)境溫度和線芯發(fā)熱的影響，其值不同也會影響其散熱，進而影響絕緣層的溫度分布。南澳柔直工程用電纜接頭敷設(shè)在亞熱帶陸地，按IEC60287標準規(guī)定環(huán)境溫度取值范圍為10～40℃（亞熱帶）．本文設(shè)定線芯電流為l 216 A，設(shè)置5種不同的接頭外表面溫度值：10℃、20℃、30℃、40℃、50℃，其他邊界條件不變，仿真得到5種不同溫度條件下電纜中間接頭溫度場的分布規(guī)律，如圖9所示．繪制XLPE主絕緣和SIR增強絕緣層穩(wěn)態(tài)溫度分布隨徑向距離變化的曲線，如10所示。由圖9、10可看出：(1)隨著電纜中間接頭外表面溫度的升高．絕緣層溫度隨徑向距離變化而整體向上平移。(2)絕緣層的溫差為同定值，且不隨接頭外表面溫度的變化而變化。由式(2)可知，直流電阻R，為同定值，根據(jù)同體傳熱學(xué)，在直流電阻不變的條件下，絕緣層內(nèi)外表面溫差與載流是一一對應(yīng)的關(guān)系，所以此處同一線芯電流下絕緣層內(nèi)外表面溫差不變，與仿真結(jié)果一致。
提取上述5種溫度場分布圖中接頭導(dǎo)體最高溫度和兩種絕緣層最高溫度來進行研究．分別繪制出不同接頭外表面溫度下導(dǎo)線芯最高溫度和絕緣層最高溫度變化曲線，如圖11所示。圖11顯示：(1)隨著電纜中間接頭外表面溫度的升高，導(dǎo)線芯的最高運行溫度以及XLPE主絕緣、SIR增強絕緣層的最高溫度呈線性升高趨勢。(2)在接頭外表面溫度為10 cC時，接頭導(dǎo)體最高溫度為50℃．XLPE主絕緣層最高溫度為49.995℃．SIR增強絕緣層最高溫度為49.348℃：在接頭外表面溫度為50℃時．導(dǎo)線芯最高溫度為90℃．XLPE主絕緣層最高溫度為89.995℃．SIR增強絕緣層最高溫度為89.348℃。(3)接頭導(dǎo)體和絕緣層最高溫度隨接頭外表面溫度變化趨勢一致．且最高溫度數(shù)值非常接近，隨徑向由內(nèi)而外依次降低。
綜上所述，直流高壓電纜中間接頭的導(dǎo)體最高溫度受線芯電流和接頭外表面溫度的影響特點與交流情況相類似．但直流情況下不存在介質(zhì)損耗．直流電纜絕緣層溫度分布不考慮介質(zhì)損耗帶來的影響，僅需要關(guān)注絕緣層溫差。
3結(jié)語
(1)利用ANSYS有限元仿真軟件對南澳柔直工程用±160 kV高壓直流XLPE電纜中間接頭的溫度場分布進行仿真．得出電纜中間接頭穩(wěn)態(tài)溫度分布圖，以及絕緣層溫度隨徑向距離的變化曲線，分析指出：接頭溫度、絕緣層溫度和絕緣層內(nèi)外表面溫差都是研究的重點。
(2)線芯電流對接頭導(dǎo)體最高溫度、XLPE主絕緣及SIR增強絕緣最高溫度都有顯著影響．并且隨著線芯電流的增大．各絕緣層內(nèi)外表面最大溫差也不斷增大，且變化幅度比較大。
(3)電纜中間接頭外表面溫度對接頭導(dǎo)體最高溫度和絕緣層最高溫度都有影響．對各絕緣層內(nèi)外表面溫差的影響可忽略不計。此外，本文在接頭導(dǎo)體直流電阻不變的條件下，同一線芯電流下絕緣層內(nèi)外表面溫差恒定不變。
