- 頭條夾具對高壓絕緣電纜的熱學特性有何影響？華電學者發布研究成果2022-07-02 作者：呂安強、李靜 等 | 來源： | 點擊率：導語夾具是已敷設高壓絕緣電纜線路中的必備組件，為了獲得夾具對纜體熱學特性的影響，華北電力大學電子與通信工程系、華北電力大學河北省電力物聯網技術重點實驗室、華北電力大學計算機系、中國電力科學研究院有限公司、國網浙江省電力有限公司舟山供電公司的研究人員呂安強、李靜、張振鵬、宋賀、林曉波，在2022年第1期《電工技術學報》上撰文，以220kV交流單芯XLPE絕緣電纜為研究對象，針對不同夾具材料分別進行了電纜電熱有限元建模和求解，分析了不同夾具對電纜載流量、熱時間常數和纜體溫度分布的影響。 研究發現，不同材料的夾具對電纜的熱特性有影響，夾具材料和間距選擇不合適會影響電纜的絕緣壽命。本研究成果為充實IEC 60287載流量計算方法、城市大容量輸電線路敷設施工與設計提供了參考。
高壓輸電電纜作為城市能源輸送的重要通道，在電力系統中起著不可或缺的作用，一旦出現故障，會導致嚴重的社會和經濟損失。電纜在輸送電力時會因導體損耗而發熱，現在普遍使用的交聯聚乙烯（Cross-Linked Polyethylene, XLPE）絕緣電纜對導體運行溫度有嚴格要求，為了保證絕緣壽命，電纜長期工作溫度不能高于90℃。
在電纜的實際敷設過程中，需要用夾具固定電纜，使用不同材料的夾具會對夾持部分電纜的內部溫度分布產生影響，選擇或使用不當會導致電纜內部溫升上升嚴重，成為電纜載流量的瓶頸。目前，國內外學者都對高壓電纜進行了電熱有限元建模研究，但還沒有研究電纜夾具對電纜載流量、熱時間常數和纜體熱分布的影響。
為了獲得夾具對纜體熱學特性的影響，華北電力大學等單位的研究人員以典型220kV交流單芯交聯聚乙烯（XLPE）絕緣電纜為對象進行電熱耦合有限元分析。按照國內某市電纜的實際敷設情況，建立電纜在五種不同材料夾具下的二維和三維電熱耦合有限元模型，通過穩態和暫態熱力學計算，獲得電纜在不同夾具下的載流量和熱時間常數；通過計算不同夾具材料和間隔下的電纜溫度，得到導體溫度在徑向和軸向的分布規律，并獲得夾具材料和間隔距離與電纜導體溫度的關系函數。
圖1 工程現場照片
研究結果表明：
1）鋁合金、復合材料和玻璃鋼這些熱導率高于0.5W/(m?℃)的材料制成的夾具能提高電纜的載流量，阻燃尼龍、膠木等熱導率低于0.5W/(m?℃)的材料制成的夾具會降低電纜的載流量；載流量的變化和材料熱導率成同相單調關系。
2）電纜熱時間常數與環境溫度無關，只決定于電纜的熱阻和熱容，夾具對該參數有影響，夾具材料的熱導率越低，電纜的熱時間常數越大，越不能快速散熱。
3）夾具的間距和熱導率對導體溫度有影響，在一定負荷電流下，夾具間距越小，熱導率越小，夾具內導體溫度越高；存在一個距離臨界值，當夾具間距小于0.2m，熱導率小于0.5W/(m?℃)時，導體溫度會大幅上升，工程中應盡量選取熱導率較好的夾具，并使夾具間距大于0.2m；若間距確需小于0.2m，應選用熱導率大于0.5W/(m2?℃)的夾具。
研究人員指出，夾具的材料和間隔距離對電纜的載流量和熱時間常數都有影響，夾具的熱導率和間隔距離都存在一個臨界值，在該值兩側導體溫度變化存在較大差異。該科研成果可為電纜的施工和運維提供理論和數據支持。
本文編自2022年第1期《電工技術學報》，論文標題為“夾具對高壓絕緣電纜熱學特性影響的有限元分析”，作者為呂安強、李靜 等。
