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),工作中會受到溫度場與電場的耦合,溫度異常升高。電纜接頭溫度過高會導(dǎo)致絕緣系統(tǒng)破壞,造成電力系統(tǒng)故障。因此,對電力電纜接頭溫度進(jìn)行分析研究,對于提高電力系統(tǒng)運行安全性,降低風(fēng)險具有重要意義。

對于電力電纜接頭發(fā)熱和容易出現(xiàn)故障的問題,可以采用仿真分析的方法,分析接頭溫度分布,這對改善電纜接頭情況,及時發(fā)現(xiàn)可能存在的問題具有重要意義。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)和常見故障,對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,對于維持電纜接頭穩(wěn)定性具有一定的參考價值。

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,在工作過程中會出現(xiàn)一定的故障,影響電力系統(tǒng)安全運行。電纜接頭需要具備一定的熱學(xué)性能,對外界復(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

電纜接頭在工作過程中會出現(xiàn)故障,對線路的穩(wěn)定和正常運行不利,需要對故障進(jìn)行分析,及時發(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)后會導(dǎo)致電流的通路斷開,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,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了解電纜接頭的狀態(tài),出現(xiàn)故障時可以及時排除。為此,對電纜接頭開展仿真研究,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,使用仿真軟件ANsys開展仿真分析。ANsys軟件是常用的工程模擬軟件,由美國ANSsS公司開發(fā),在許多應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮著巨大作用。仿真軟件開展仿真分析時依據(jù)一定的流程,ANSsSworkbenchl4.5仿真過程如圖2所示。

對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)置材料屬性并對邊界條件進(jìn)行限定,然后劃分網(wǎng)格,對邊界條件進(jìn)行計算求解,輸出計算結(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)需要在仿真過程中設(shè)置參數(shù)進(jìn)行計算。

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,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。

對于網(wǎng)格劃分而言,獨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,要避免實體之間的影響,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、機械分析領(lǐng)域應(yīng)用較多。

2.4施加載荷和邊界條件

對電纜接頭進(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)熱時存在對流,設(shè)置對流換熱系數(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向周圍傳遞,熱量傳遞的過程會影響溫度的分布。本文選擇電阻等效長度72mm,電流225A,環(huán)境溫度18℃,溫度分布圖如圖6所示。

圖6長度為72mm的等效接觸電阻接頭溫度分布圖

本文連接管的長度72mm,根據(jù)圖6可知,電阻對溫度分布的影響較小,只有0.07℃,選擇的銅管長度不會影響模型復(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,能夠保證安全運行的溫度閾值。

4實驗研究及結(jié)果對比

4.1實驗驗證

針對仿真結(jié)果進(jìn)行驗證,并對比兩者的結(jié)果。在實驗室利用電力電纜開展溫升實驗,實驗設(shè)備包括恒溫箱、紅外成像儀、熱電偶,其中熱電偶溫度測量范圍為0~350℃,精度為0.5℃。

實驗裝置示意圖如圖7所示。

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

4.2仿真與實驗結(jié)果對比

熱電偶對電纜接頭溫度測試采用多次測量的方式,對比仿真實驗測得的溫度與實際實驗溫度,整理如表1所示。

由表1可知,實際實驗測得的溫度與仿真結(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量。

5結(jié)語

本文介紹了電纜接頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)和常見故障,對電纜接頭的溫度開展了ANSYS軟件仿真分析,通過建立三維模型、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)行實際實驗,發(fā)現(xiàn)仿真溫度與實際溫度誤差在可接受范圍之內(nèi),證實了仿真測溫的有效性,對于電纜接頭溫度研究具有一定的參考價值。