T 型电缆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，城市的电力系统建设取得长足发展，电力电缆因其本身性能的优越性，可以有效控制线路走廊宽度，减少对城市市容的影响，目前已经在10 kV 配网中广泛地使用[1-3]。随着电力电缆线路使用范围的迅猛增长，电缆附件的使用也不断增多，电缆接头故障问题也相应增长，对电网安全稳定运行的要求也造成了威胁[4-7]。电力电缆一旦发生故障，排查与检修都比架空线路困难，需要投入大量人力、物力、财力，检修和排查不仅任务繁重，还会消耗大量的资源。而通过对全国主要城市电力电缆运行故障率进行调研，我们发现，在电力电缆投入运行的25 年中，故障率最高的一直是电力电缆附件[8-11]。电缆线路发生的故障，很大一部分是因为电缆接头发生故障。电缆接头失效的原因很多，比如电缆接头在安装过程中经常因施工的问题出现缺陷，或者受到外力的破坏、工作温度过高且散热环境恶劣[12-13]。因此，研究电缆接头的发热机理和发热条件，仿真并模拟计算电缆接头正常情况下的温度分布，对提高电缆线路的安全运行具有重要意义。

1 T 型电缆接头建模

1.1 电缆接头结构及分类

在铺设电缆后，为了使其成为连续的线，必须将每个线段作为一个整体进行连接，这些连接点就称之为电缆接头。根据接头在电缆线路中的具体位置以及其本身结构，将电缆接头分为中间接头和终端接头；根据安装材料的区别，则可把电缆接头分为热缩式接头、干包式接头和冷缩式接头；按线芯材料可分为铜芯电力电缆头和铝芯电力电缆头[1]。

本文研究的对象是10 kV 配网电缆线路的T 型接头，该接头是用于开闭所敷设的电缆终端头。T 型接头的一般包括导电杆、压接端子、应力锥和T 型护套。金属导电杆通过压接端子与电缆导体连接，T 型护套是由半导体内管、接头绝缘层和外半导体层组成的预制整体绝缘护套[2]。半导电内芯管和外半导体层由半导体材料制成，而接头主绝缘层则一般由硅橡胶材料制成。接头具体结构如图1 所示。

图1 电缆T 型接头结构

1.2 电缆接头的几何建模

本文选择的10 kV 线路T 型接头如图2 所示，对其尺寸进行了准确测量，其尺寸参数和材料特性参数见表1。

表1 T 型电缆接头尺寸及材料参数

图2 T 型接头实际图

运用SolidWorks 软件，把T 型电缆接头分为导电杆、接头主绝缘层、电缆绝缘层、绝缘子和应力锥等零散部件，并单独建模。最终把各零件装配整合为一个完整的T 型电缆接头，如图3 所示。其内部结构如图4 所示。

图4 T 型接头内部结构

2 传热学原理与边界条件

2.1 温度场传热学原理

电缆接头产生的热量主要来自绝缘结构的导体损耗和介电损耗。这种热量通过换热过程不断传递，最终达到热平衡状态，形成电缆接头的温度场[3-4]。

2.2 边界条件

首先，为了精确求解电缆接头的导热控制方程，需要设定边界条件。分析温度分布的基础是传热学理论[10]，而解决温度场问题时，关键的边界条件可以归类为以下3 种。

1）温度场边界的边界条件是指在边界上的温度保持恒定值，即给定边界温度。具体表达式为

式中：Γ 为温度场求解域边界；T0为已知的边界温度值。

2）边界条件是在已知温度场边界上的法向热流密度。在稳态温度场中，热流密度保持不变，而在绝热边界上，法向热流密度为0。

式中：λ 为导热系数；q为法向热流密度。

3）边界条件适用于气体与固体相交的热传递情况。具体表现为已知在边界上流体的温度以及对流换热的情况。这个情况可以用式（3）表示

式中：h为对流换热系数；Tf为流体温度值。

3 T 型接头温度场仿真分析

根据电力电缆的传热学原理可知，接头的温度场形成，是受导体与绝缘介质的损耗产生的热量以及复杂的散热过程所影响的。因此，为了对接头温度场的分布规律有更准确的了解，对T 型接头的温度场分布情况的仿真分析是十分必要的。基于传热学基本原理和接头的数学模型，使用有限元软件ANSYS Workbench16.0 对电缆接头进行温度场的仿真分析。通过分析仿真结果，得到接头温度场的分布规律之后，可以根据这些规律，在接头表面合适的位置布置温度传感器[11]，更加准确地实时监控温度，掌握故障情况。

3.1 仿真模型建立

T 型电缆接头是开关柜中的重要设备。在实际工程中，接头由一体T 型绝缘护套包裹，并采用复杂的非对称结构，内部包含应力锥、压接端子等导体连接部件。本文根据测量得到的电缆接头尺寸，运用SolidWorks 软件建立了T 型接头的三维模型，图5 展示了该模型的内部和外部结构。T 型接头各部分尺寸及材料属性参数见表1。

图5 T 型电缆接头仿真几何模型

3.2 网格划分及负载和边界条件设置

ANSYS Workbench 支持的网格划分方法有很多种。其中，四面体网格可以适应几乎所有形状的几何体，并且能够自动细化网格，相比六面体网格具有突出优点。因此本文采用四面体网格[12]。电缆接头各部件实际厚度有较大差异，为了达到计算精度和计算量的平衡，结构厚度较小，各部分接触位置，运用网格尺寸小，网格数量大，保证计算精度;在大型结构中，网格尺寸划分需要更大。这样可以确保求解精度不会明显下降，同时最大限度地减少计算并节省计算时间。本文中的节点数为379 792，最终单元数量为223 406。网格划分具体结果如图6 所示。

图6 模型网格划分

T 型电缆接头的温度场是通过电热耦合来模拟的，即当接头通过电流时，会产生导体和绝缘介质的损耗热，并与外界环境进行热交换，达到热平衡状态。因此，在分析求解过程中，需要设置电学类负载和传热学边界条件[13]。

在设置电学类负载时，将电流施加在T 型接头导体的其中一端截面上，将电压施加于另一端截面，形成一个轴向的电流通路。通过焦耳效应，导体与绝缘介质产生损耗，发出热量。接头的边界包括接头表面、电缆本体表面和两端的电缆本体横截面。通常情况下，T 型接头被安装在电缆沟中，电缆接头表面和电缆外表面直接暴露在空气中，属于气体和固体的相交边界。因此，根据第二章节中所述的第三种边界条件，我们需要设置空气对流换热系数和空气温度。对于电缆横截面，当发热与散热达到平衡后，电缆本身沿轴向短距离热流密度为0，几乎没有传热现象，由此，我们选择采用上述第二种热绝缘边界条件。图7 展示了电缆接头的边界条件和负载的一种设置情况。

图7 负载及边界条件设置

3.3 仿真结果及分析

施加负载电流550 A 于T 型接头一端，并将环境温度设定为40 ℃。由于接头位置位于开关柜内，属于封闭式结构，并且接头表面与空气直接接触，因此，设置的边界条件与电缆中间接头相同，将T 型接头与空气接触的表面空气对流换热系数设置为10 W/（m2·K），通过温度场仿真分析，得到接头表面温度分布以及内部温度分布的结果。具体分布如图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

根据图8 显示，可以发现T 型接头的外表面温度分布不均匀，最高温度出现在电缆本体导体区域，相比周围区域，这些地方的温度平均高出约10 ℃。与此相反，接头半导电内芯管处的外表面温度相对较低。

根据图9 的结果显示，接头内部的温度分布存在明显的差异，电缆本体导体和导电杆的温度相对较高，在径向上温度逐渐降低，其中导电杆的温度高于电缆本体导体的温度，在电缆本体的末端出现最高温。整体上，接头的径向温度呈下降趋势，但不同的径向截面之间温度场差异较大。由于导电杆包裹的绝缘材料导热率较高，导电杆附近的截面在径向上有较小的温度梯度，内外温度差约为10 ℃。而接头压接端子及导线本体末端处的截面在径向上的温度梯度明显，导体与外表面的最大温度差超过40 ℃。

根据图8 和图9 所展示的T 型电缆接头的温度场仿真结果，可以观察到电缆本体连接区域温度最高。这一结果能够最好地反映接头内部导体和绝缘层的温度状态。因此，在故障监测时，应该在电缆本体连接处安装温度传感器，以更准确地监测接头的运行温度。

4 结论

本文利用SolidWorks 软件对T 型接头进行几何模型构建，并对具体的参数进行设置。建立了电缆接头温度场的数学模型，在此基础上，利用ANSYS Workbench 软件对电缆接头温度场进行仿真计算。由仿真结果可知，T 型接头的外表面接头末端温度最高，选择该处作为温度传感器的参考布置点，可以更加准确地监测接头实时运行温度。