引言

電纜接頭是電力系統(tǒng)的重要部件,也是故障較多的環(huán)節(jié),工作中會(huì)受到溫度場(chǎng)與電場(chǎng)的耦合,溫度異常升高。電纜接頭溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致絕緣系統(tǒng)破壞,造成電力系統(tǒng)故障。因此,對(duì)電力電纜接頭溫度進(jìn)行分析研究,對(duì)于提高電力系統(tǒng)運(yùn)行安全性,降低風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義。

對(duì)于電力電纜接頭發(fā)熱和容易出現(xiàn)故障的問(wèn)題,可以采用仿真分析的方法,分析接頭溫度分布,這對(duì)改善電纜接頭情況,及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能存在的問(wèn)題具有重要意義。如果可以提前發(fā)現(xiàn)電力電纜接頭潛在問(wèn)題,則能夠達(dá)到預(yù)防優(yōu)先的效果,有利于保證系統(tǒng)安全使用,提高電力電纜的輸電質(zhì)量。

本文介紹了電纜接頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)和常見(jiàn)故障,對(duì)于溫度這一影響電纜接頭故障的主要參數(shù)進(jìn)行仿真分析,建立三維模型,進(jìn)行網(wǎng)格劃分,設(shè)定邊界函數(shù)。最后掌握了溫度與電纜接頭故障的關(guān)系,對(duì)于維持電纜接頭穩(wěn)定性具有一定的參考價(jià)值。

1電纜接頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)及故障類型

1.1電纜接頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)

電纜接頭是電力電纜的重要組成部分,電纜接頭部位由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜,在工作過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)一定的故障,影響電力系統(tǒng)安全運(yùn)行。電纜接頭需要具備一定的熱學(xué)性能,對(duì)外界復(fù)雜的環(huán)境需要有一定的適應(yīng)能力。電力電纜接頭的結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

由圖1可知,電纜接頭從外到內(nèi)分別為保護(hù)套、金屬屏蔽層、連接管等主要部分,電纜絕緣與外界隔離,保護(hù)電纜內(nèi)部連接管和線芯。連接管一般需要倒角,防止鈍邊造成的電纜破壞,避免出現(xiàn)電應(yīng)力集中。電纜接頭的結(jié)構(gòu)對(duì)于溫度和電纜故障具有重要影響。

1.2電纜接頭出現(xiàn)的故障類型

電纜接頭在工作過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)故障,對(duì)線路的穩(wěn)定和正常運(yùn)行不利,需要對(duì)故障進(jìn)行分析,及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除故障。電纜接頭故障主要有兩種,即導(dǎo)體故障、絕緣故障。

(1)導(dǎo)體故障:電力線纜中線芯導(dǎo)體出現(xiàn)的故障,這種故障出現(xiàn)后會(huì)導(dǎo)致電流的通路斷開(kāi),影響電力系統(tǒng)正常工作。電力電纜內(nèi)部有的是兩芯,有的是三芯,線芯出現(xiàn)故障后電纜就無(wú)法再發(fā)揮導(dǎo)體的作用。

(2)絕緣故障:表現(xiàn)在外部,包括外部絕緣體老化、破裂等。絕緣故障出現(xiàn)后,電路中的電流容易泄漏,導(dǎo)致電力系統(tǒng)安全性降低。

2電纜接頭溫度仿真研究

電纜接頭在出現(xiàn)故障時(shí),外界直觀的表現(xiàn)是溫度,因此根據(jù)電纜接頭溫度的變化可以及時(shí)了解電纜接頭的狀態(tài),出現(xiàn)故障時(shí)可以及時(shí)排除。為此,對(duì)電纜接頭開(kāi)展仿真研究,以了解電纜內(nèi)部溫度變化情況。

2.1仿真流程

為了描述電纜接頭的溫度場(chǎng),使用仿真軟件ANsys開(kāi)展仿真分析。ANsys軟件是常用的工程模擬軟件,由美國(guó)ANSsS公司開(kāi)發(fā),在許多應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮著巨大作用。仿真軟件開(kāi)展仿真分析時(shí)依據(jù)一定的流程,ANSsSworkbenchl4.5仿真過(guò)程如圖2所示。

對(duì)于電力線纜接頭需要選擇相應(yīng)的仿真模塊,建立幾何模型,幾何模型的建立是進(jìn)行仿真分析的重要步驟。建立完幾何模型后,設(shè)置材料屬性并對(duì)邊界條件進(jìn)行限定,然后劃分網(wǎng)格,對(duì)邊界條件進(jìn)行計(jì)算求解,輸出計(jì)算結(jié)果。

2.2電纜中間接頭建模與參數(shù)設(shè)置

連接電纜的特點(diǎn)是選擇仿真模塊、設(shè)置參數(shù)的前提,根據(jù)電纜接頭,選擇Geometry模塊進(jìn)行仿真分析,電纜中間接頭型號(hào)為JLS35-l/l。建立幾何模型如圖3所示。

該三維幾何模型包括電纜接頭的關(guān)鍵結(jié)構(gòu),主要包含連接管、電纜線芯、半導(dǎo)電層、絕緣層、金屬屏蔽層,這些結(jié)構(gòu)需要在仿真過(guò)程中設(shè)置參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

2.3網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分有利于仿真軟件快速求出結(jié)果,根據(jù)幾何模型的特點(diǎn),網(wǎng)格可以劃分為三邊形狀或四邊形狀,這是根據(jù)電纜接頭決定的。三維幾何模型Meshing劃分,按照劃分的算法有獨(dú)立分片法和協(xié)調(diào)分片法,形狀包括六面體網(wǎng)格、棱錐網(wǎng)格、四面體網(wǎng)格、棱柱等。

本文進(jìn)行仿真分析時(shí)考慮軟件功能,綜合電纜接頭特性,采用四面體網(wǎng)格、協(xié)調(diào)分片算法劃分,以最大限度縮小網(wǎng)格。物理場(chǎng)參照Mechanical類型,單元尺寸l×l0-4m,相關(guān)性中心選擇Medium,網(wǎng)格膨脹層為None,網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4所示。

對(duì)于網(wǎng)格劃分而言,獨(dú)立分片算法的要求并不嚴(yán)格,用于統(tǒng)一尺寸網(wǎng)格。使用協(xié)調(diào)分片算法時(shí),要避免實(shí)體之間的影響,用小公差法考慮零件。這種網(wǎng)格劃分在流體分析、電磁分析、機(jī)械分析領(lǐng)域應(yīng)用較多。

2.4施加載荷和邊界條件

對(duì)電纜接頭進(jìn)行電熱耦合模塊的仿真,設(shè)置電學(xué)類和熱學(xué)類邊界條件。添加電纜接頭流經(jīng)的電壓、電流,根據(jù)熱力學(xué)定律,設(shè)置在放熱過(guò)程中的邊界條件。

本文電纜接頭線芯通電發(fā)熱,電壓、電流分別設(shè)置為220V、12.5A,環(huán)境溫度設(shè)為18℃,電纜接頭發(fā)熱時(shí)存在對(duì)流,設(shè)置對(duì)流換熱系數(shù)為10w/(m2·℃)。設(shè)置邊界條件如圖5所示。

圖5設(shè)置邊界條件

3仿真結(jié)果分析

電纜接頭需要工作在理想的溫度下,電纜接頭產(chǎn)生的熱量一定程度上會(huì)向周圍傳遞,熱量傳遞的過(guò)程會(huì)影響溫度的分布。本文選擇電阻等效長(zhǎng)度72mm,電流225A,環(huán)境溫度18℃,溫度分布圖如圖6所示。

圖6長(zhǎng)度為72mm的等效接觸電阻接頭溫度分布圖

本文連接管的長(zhǎng)度72mm,根據(jù)圖6可知,電阻對(duì)溫度分布的影響較小,只有0.07℃,選擇的銅管長(zhǎng)度不會(huì)影響模型復(fù)雜程度,可以改善仿真效果。接觸電阻電阻率為2×10-80·m,溫度為20℃,載流量為245A,等效仿真輸出仿真圖形,結(jié)果顯示,外表面中心溫度為27.784℃。接頭電阻可以使用,能夠保證安全運(yùn)行的溫度閾值。

4實(shí)驗(yàn)研究及結(jié)果對(duì)比

4.1實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

針對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,并對(duì)比兩者的結(jié)果。在實(shí)驗(yàn)室利用電力電纜開(kāi)展溫升實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括恒溫箱、紅外成像儀、熱電偶,其中熱電偶溫度測(cè)量范圍為0~350℃,精度為0.5℃。

實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖7所示。

采用溫度測(cè)量裝置對(duì)電纜接頭的溫度進(jìn)行測(cè)量,將TT-T-24熱電偶埋入電纜纜芯,外表用隔熱材料填充。

4.2仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

熱電偶對(duì)電纜接頭溫度測(cè)試采用多次測(cè)量的方式,對(duì)比仿真實(shí)驗(yàn)測(cè)得的溫度與實(shí)際實(shí)驗(yàn)溫度,整理如表1所示。

由表1可知,實(shí)際實(shí)驗(yàn)測(cè)得的溫度與仿真結(jié)果的溫度最大誤差為1.945C,最小誤差為0.401C。誤差在可接受范圍之內(nèi),表明ANSYS仿真能夠用于電纜接頭溫度的測(cè)量。

5結(jié)語(yǔ)

本文介紹了電纜接頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)和常見(jiàn)故障,對(duì)電纜接頭的溫度開(kāi)展了ANSYS軟件仿真分析,通過(guò)建立三維模型、進(jìn)行網(wǎng)格劃分、設(shè)定邊界函數(shù),求得電纜接頭溫度分布的結(jié)果。最后進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)仿真溫度與實(shí)際溫度誤差在可接受范圍之內(nèi),證實(shí)了仿真測(cè)溫的有效性,對(duì)于電纜接頭溫度研究具有一定的參考價(jià)值。