电缆中间接头温度场仿真分析

卫世超，孟晓凯，芦竹茂

（国网山西省电力公司电力科学研究院，太原 030002）

近年来，随着我国城市电力建设的不断发展，10 kV配电网络由于其节约了线路走廊、降低了环境污染等突出优点，从而被大量采用。随着电缆数量的增加，对电缆附件的要求也越来越高。但是，由于电力系统中存在着大量的电缆接头故障失效，给电网安全稳定运行带来了很大的风险，严重时还会引发断电、火灾、爆炸等事故。

调查结果显示，在过去的25 年里，电缆附件的故障率始终位居首位，而这主要是由电缆接头的故障引起的。研究发现，当温度超过8%时，XLPE 电缆的寿命将缩短到原来的一半；15%以上，就只剩25%的使用寿命。当绝缘层温度远小于允许值时，则表明电缆负荷利用率不高，会造成资源浪费。

1 电缆中间接头的建模

1.1 单芯XLPE 电缆基本结构

在电力系统输配电网中，交联聚乙烯（XLPE）电力电缆有着广泛的应用，与其他类型的电缆相比，其有着优秀的高负载能力，较高的绝缘性能，能承受较高的工作温度，以及良好的耐老化性能和耐腐蚀性等优点[1]。常用的10 kV 单芯交联聚乙烯电力电缆的基本结构如图1 所示。

图1 10 kV 单芯XLPE 电缆结构

1.2 中间接头的几何模型构建

首先运用SolidWorks 中的单一零部件设计功能，把中间电缆接头，分为导体、压接铜管、接头主绝缘、绝缘层、内外屏蔽层、外护套和应力锥几个零散部件，再运用装配体功能把零件整合成一个如图2 和图3 所示的完整的电缆中间接头。

图2 中间接头结构

图3 中间接头内部结构

2 温度场仿真分析

由于电缆接头的温度场是一个相对复杂的热传导过程，因此对其进行具体的数值分析。针对这一问题，本文采用ANSYS Workbench 软件，根据有关的传热学理论，建立了中间接头温度场的计算模型，并对温度场进行了分析、计算。通过对仿真结果进行分析，以合理的理论基础为依据，来指导布置在接头表面的温度传感器，从而对接头温度场的分布规律[2-3]有更好的了解。

2.1 几何模型及参数设置

构建几何模型是进行有限元仿真分析的前提与基础，所构建的电缆接头三维模型具体如图4 和图5 所示，其参数见表1。图4 和图5 中的接头两端包含部分电缆本体。

表1 电缆中间接头尺寸及材料参数

图4 模型外部结构

图5 模型内部结构

2.2 网格划分

ANSYS Workbench 提供了许多不同的网格划分方式，本文使用了能自适应任意形状几何体并且能够自动细化网格的四面体网格方式，其可以对任意几何形状进行自动加密。由于电缆接头的厚度结构不同，本文将屏蔽层与接触区划分成更细的网格，并采用更细的网格来增加计算的准确性。针对如绝缘层等较厚的结构，适当加大划分的网格尺寸，以确保解的精确性，并减少计算工作量，节约计算时间。最后的网格剖分结果表明，网格剖分后的网格数达到了95 485 个，网格剖分得到了54 396 个。详细的网格剖分结果如图6所示。

图6 模型网格划分

2.3 负载和边界条件设置

在对电热耦合进行仿真计算时，考虑到电缆接头的电流对导体、绝缘介质所造成的损耗，使其发出热量，并与外界环境交换热量，使其达到热平衡[4]。为实现该过程的仿真计算，必须设定传热学及电学类负载等边界条件。

本文涉及一种电学类负载设定，其特征在于，所述电学类负载设定为：将特定负载电流施加于所述接头导体的一端，并将所述接头导体的另一端接入零电压，以使所述接头导体的轴向方向上形成电流通路，从而发热；在此基础上，电缆本体表面和电缆接头表面与空气直接接触的部分，是属于条件中固体和气体相交的边界，因此适用于边界条件中气固相交的传热条件。为此本文空气对流换热系数设定为5 W/（m2·K），并可根据实际情况来确定空气温度。在电缆的横截面中，由于电缆在达到热平衡状态后，其轴向方向上基本没有热量传递，电缆的热流量密度为0，因此在电缆的温度场条件下，电缆的法向热流密度可作为电缆的边界条件。其设置的电缆接头和负载设定的边界条件如图7 所示。

图7 负载及边界条件设置

2.4 仿真结果及分析

利用ANSYS Workbench 工作区中的电热耦合模块，对电缆接头所在的温度场进行仿真分析。按照国际电工委员会规定，在环境温度为30 ℃且电缆运行温度为90 ℃下的工作条件时，其载流量可达590 A。将电缆的电流和环境温度调节到上述数值，进行仿真计算，可以得到电缆中间接头的温度场分布图，仿真所得的接头温度分布具体如图8 和图9 所示。

图8 接头表面温度分布

图9 接头内部温度分布

从图8 可以看出，中间接头的表面温度分布较为不均匀，在轴向方向中心位置附近温度比较高，在2 个端部附近温度比较低。另外，在实际应用中，接头表面的温度往往比电缆本体表面的温度要低，这主要是因为接头的绝缘层比电缆本体的要厚，而且绝缘材料具有与电缆本体的导热性质不同的特点[5]。这样，热量沿导线的径向传递就会变得缓慢，因此，在接头表面上的温差就会变得更大且更加明显。另外，在焊接过程中，由于接头内部有一种压接的铜管结构，导致接头的表面中央部位有一个很高的温度。所以，在对中间接头的温度进行监测时，应在连接处的最大温度范围内设置温度传感器。

从图9 可以看出，在中间接头内部通道存在着显著的温度梯度。电缆接头的导体部分是内部较明显的区域，也就是温度最高的那部分。在轴向上，温度场的变化规律基本一致，而在径向上则呈递减趋势。接头的主绝缘区温度分布不均匀，是接头温度梯度最大的部位。与之相比较，在电缆导体与导体之间的温度差很小，这一点与接头外表面的温度分布相符合。

3 电缆接头温度场影响因素分析

3.1 环境温度对接头温度场的影响

电缆接头在运行时，其散热过程以与外界热交换为主。这个换热速率在很大程度上是由外部环境和接头表面之间的温差所决定的[6]。故环境温度的高低将直接影响到电缆接头的温度状态。在该部分，设置了中间接头的电阻率为1.37×10-7，负载电流为590 A，空气对流的换热系数为5 W/（m2·K），设定环境温度为10、15、20、25、30、35、40 ℃，对中间接头的温度场分布进行了仿真计算。导体与表面沿轴向连接的温度分布图如图10 及图11 所示。

图10 不同环境温度下接头导体温度分布曲线

图11 不同环境温度下接头表面温度分布曲线

通过对图10 和图11 分析可知，当环境温度升高时，电缆接头的导体及表面温度均会升高。结果表明，在10～15 ℃、35～40 ℃的条件下，导线中心与表面中心的升温幅度都在5 ℃左右。结果表明，在不同的温度下，接头导体与表面温度均呈现出线性增长，而温升幅度基本不变。当负载电流不变时，环境温度越高，则电缆接头越有可能超出其最大容许工作温度。所以，在对电缆接头的温度进行监测时，必须将环境温度影响因素考虑在内。

3.2 负载电流对接头温度场的影响

作为电缆接头发热的一个主要来源，负载电流对接头的温度场分布会产生很大的影响[7]。在此基础上，设置电阻率为1.37×10-7，环境温度为30 ℃，空气对流换热系数5 W/（m2·K）为中间接头条件[8]。然后，逐步增大负载电流从100 A 至700 A，对中间接头的温度场进行温度变化规律的分析。

从图12 和图13 的曲线分布可以看出，当负载电流增大时，电缆接头的导体和表面温度也随之增大。从100A升高至200 A 时，导体的中心温度升高幅度达5.84 ℃；在600～700 A 条件下，导体中心温度升高的幅度达到了25.35 ℃。由此表明，随着负载电流的增大，温升幅度也随之增大，接头温度上升的速度更加明显，而且接头温度随着负载电流的增加呈现出非线性增长的趋势。

图12 不同负载电流下接头导体温度分布曲线

图13 不同负载电流下接头表面温度分布曲线

在负载电流数值较低时，接头中心到两端电缆本体温差变化较小。然而，当负载电流数值较大时，接头中心处与电缆本体的温差呈递增趋势，这表明随着负载电流的增大，接头中心处会因接触电阻而出现更加明显的发热现象。尤其是在接触压力系数k值比较大的条件下，在经过较大电流时，接头导体连接部位的温升会更高，接触电阻的影响也会更大，这会加快接头绝缘的老化，从而也会对电缆线路的正常运行造成影响。

4 结束语

电缆接头作为电力电缆线路的重要组成部分，其温度监测对于预防接头故障、提高电缆供电可靠性具有重要意义[9]。随着计算机技术和通信技术的迅速发展，电缆接头温度监测逐渐从传统的人工巡检方式转变为智能化的在线监测系统，实现了电缆接头温度的快速、高效的实时感知。因此，本文利用ANSYS Workbench 中的有限元分析方法，对接头温度进行仿真分析，探究电缆接头温度场分布规律，并分析电缆接头温度场影响因素，根据最终仿真结果为温度传感器在接头表面布置提供参考。