玻璃钢保护壳对电缆接头热场影响的实验分析

徐研，王鹏宇，刘毅刚，郭珊珊，王振华，刘刚

(1.广州供电局有限公司输电管理所，广东 广州 510310；2.华南理工大学 电力学院，广东 广州 510640；3.广东电机工程学会电缆专委会，广东 广州 510080)



玻璃钢保护壳对电缆接头热场影响的实验分析

徐研1，王鹏宇2，刘毅刚3，郭珊珊2，王振华2，刘刚2

(1.广州供电局有限公司输电管理所，广东 广州 510310；2.华南理工大学 电力学院，广东 广州 510640；3.广东电机工程学会电缆专委会，广东 广州 510080)

加载电流达到稳态时，高压电缆中间接头沿导体轴向方向存在温度梯度，是否安装玻璃钢保护壳对接头轴向温度分布存在一定影响。为此，分析玻璃钢保护壳的引入对电缆中间接头导体轴向温度分布的影响，设计了一套高压电缆大电流温升实验系统，完成了630 mm2电缆接头在有玻璃钢保护壳和无玻璃钢保护壳加载稳态电流的实验。实验结果表明，引入玻璃钢保护壳使电缆接头轴向及径向温差增大，接头对本体的影响范围也增大。

电缆接头；玻璃钢保护壳；大电流实验系统；轴向温度；径向温度

在我国城市电网的改造中，高压电力电缆被广泛使用[1-2]，交联聚乙烯(XLPE)电缆因具有诸多工艺优点，近年来成为电缆发展和工程应用的主流。因电缆制作长度有限，需要采用电缆接头来连接电缆，而接头组件结构尺寸大，材料导热性能差，使得其成为整条线路载流量的瓶颈点，影响线路的安全运行。研究高压电缆接头附件的传热机理，对电缆线路载流量计算和电力部门的负荷调度具有重要的指导作用，为运行检修部门提供电缆接头故障预警具有重大意义。

从现在市场上生产和销售的高压电缆接头保护壳的情况可知，阻燃性玻璃钢制成的保护壳占有主导地位。这类保护壳具有机械强度高、密封性能好等优点，既可安装在电缆沟内，也可地下直埋，适用于交联聚乙烯绝缘电力电缆中间接头，起到连接、密封及机械保护作用。由于加装玻璃钢保护壳会改变电缆接头处的传热特性，从而对接头的载流能力产生影响。因此了解玻璃钢保护壳对接头温度分布的影响成为全面分析电缆接头传热性能中不可或缺的一部分。

目前国内外对玻璃钢保护壳对接头温度分布的影响的研究较少，本文利用高压电缆载流量实验平台进行高压电缆及中间接头稳态温升实验，得到接头及附近本体各层结构的可靠温升数据，并依此分析安装玻璃钢保护壳对电缆接头处轴向和径向温差的影响。

1　高压电缆中间接头热特性

高压电缆中间接头作为连接两段电缆导体的装置，起到使电路畅通、保证相间或对地绝缘、密封和机械保护的作用[3-6]。为达到有效绝缘、均匀电场、防水、防腐蚀等效果，对电缆接头的制作工艺要求较高，其直径明显大于电缆本体，且结构也更加复杂。电缆中间接头经常出现发热严重的现象[7-9]，传热特性也比电缆本体更复杂。110 kV高压电缆中间接头结构如图1所示。

1—接地连管；2—接地柱；3—钢保护壳；4—热缩管，防水带、PV胶带；5—连接管；6—均压套；7—整体预制橡胶绝缘件。图1　110 kV高压电缆中间接头结构示意图

徐研，等：玻璃钢保护壳对电缆接头热场影响的实验分析110 kV高压电缆接头的主要结构组成部分有接地电缆、接地端子、铜保护壳、热缩带、连接管、均压套、绝缘件、防水带、屏蔽带、填充带、铜编织带等。安装保护壳后，接头处结构增加了保护壳以及填充在保护壳和接头表皮之间的环氧树脂密封胶。

对于XLPE高压电力电缆，其载流量是指当电缆导体温度不超过长期允许最高工作温度90 ℃时电缆通过的最大电流[10-12]。导体温度的限定主要考虑到电缆绝缘材料的长期耐受温度，一旦导体温度超过该值，电缆的使用寿命将会降低。而对于电缆接头，在其制作过程中，电缆导体两端仍保留XLPE绝缘，因此其载流能力也受制于绝缘长期耐受温度。研究电缆接头内部的温度分布对确定电缆接头的载流量及确定电缆全线的载流量至关重要[13-14]。

中间接头导体压接处引入了接触电阻，增加了同等载荷下电缆接头的产热；而接头的尺寸又大于本体，接头散热条件较差。因此，中间接头的温度高于电缆本体，接头和附近本体间存在轴向传热过程，接头成为限制电缆全线载流量提高的瓶颈之一。在接头处安装玻璃钢保护壳后，电缆接头的散热条件变得更差，接头内部温度进一步增大。因此，玻璃钢保护壳的引入对电缆接头径向温度分布和与附近本体间的轴向温度分布均存在一定的影响。

2　高压电缆中间接头温升实验

2.1温度监测系统

为获得电缆接头关键位置的温度，分析接头温度分布特点，实验采用在中间接头关键位置和电缆本体上布置热电偶直接测温获取数据。为了减小因热电偶敷设造成的测量误差，提高测量精度，在电缆接头重要断面的不同角度布置多个测温热电偶，通过对比同一截面不同位置的温度，获取准确的实验数据。

热电偶的敷设目标是：保证足够的测温点，为理论分析提供基础；保证热电偶完好无损，能将测温点温度传输到测温仪。实验中热电偶的测温位置包括电缆接头各层结构及接头附近一定范围内电缆本体各层结构，如图2所示。

图中1—9为测温点编号。图2　热电偶布置示意图

2.2大电流温升实验系统

整个实验系统分为升流系统和实验负载两个部分。大电流升流实验系统主要由以下器件构成：30 kVA大电流自动升流负载实验系统、升流器、无功补偿电容器、负载端。其中测温系统包括精度一级的T型探针式热电偶和KH400温度记录仪。实验用热电偶的敷设均按照IEC 60840:2004标准执行。负载端在空气敷设段安装630 mm2的接头，接头结构参数见表1，实验系统结构如图3所示。

表1电缆接头结构参数

结构直径/mm厚度/mm导体3015导体屏蔽331.5导体绝缘6717接头主绝缘26096.5PVC防水带2610.5密封填充剂2704.5保护铜壳2721热缩管2741密封填充剂37450玻璃钢保护壳3803

图3　实验系统结构

大电流自动升流负载实验系统为单路稳流实验系统，包括系统控制台、感应式柱式调压器、可编程控制电气柜以及配套大电流互感器等。

为研究玻璃钢保护壳对电缆接头温度分布的影响，对高压电缆接头施加阶跃电流直至稳态，在温升过程中连续监测电缆各布置点的温度，自动测温仪装置每隔10 s记录一次温度数据，得到电缆接头各层结构的可靠温升数据。电缆接头稳态温升实验具体过程数据见表2。

表2实验过程数据

实验编号有无玻璃钢保护壳加载电流/A加载时间/h1无1000152无1200143有1000164有120023

3　实验数据分析

3.1轴向传热分析

为了研究加装玻璃钢保护外壳对电缆接头及附近本体间轴向传热的影响，对比相同环境条件、相同载荷能力下有无玻璃钢保护外壳电缆接头轴向温度分布特点，对比结果如图4和图5所示。

图4　接头加载1 000 A电流稳态时导体温度轴向变化曲线

图5　接头加载1 200 A电流稳态时导体温度轴向变化曲线

由图4可知，不带玻璃钢保护套的电缆接头加载1 000 A电流达到稳态后，压接管处导体温度最高，稳态时为65.0 ℃，主绝缘端口处导体温度为55.9 ℃，主绝缘件端口与保护铜壳端口中点导体温度为55 ℃，保护铜壳端口导体温度为47.1 ℃；从靠近接头短端向外本体连续5个点的导体温度分别为54.8 ℃、54.2 ℃、54.3 ℃、55.4 ℃和54.8℃，此时电缆接头压接管处导体温度比电缆本体最外点处导体温度高10.2 ℃。带玻璃钢保护套的电缆接头加载1 000 A电流达到稳态后，压接管处导体温度最高，稳态时为65.4 ℃，主绝缘端口处导体温度为57 ℃，主绝缘件端口与保护铜壳端口中点导体温度为56.7 ℃，保护铜壳端口导体温度为50.7 ℃；从靠近接头短端向外本体连续5个点的导体温度分别为 59.4 ℃、54.6 ℃、53.4 ℃、54.3 ℃和54.9 ℃，此时电缆接头压接管处导体温度比电缆本体最外点处导体温度高10.5 ℃。

由图5可知，不带玻璃钢保护套的电缆接头加载1 200 A电流达到稳态后，压接管处导体温度最高，稳态时为85.6 ℃，主绝缘端口处导体温度为72.5 ℃，主绝缘件端口与保护铜壳端口中点导体温度为71.3 ℃，保护铜壳端口导体温度为58.8 ℃；从靠近接头短端向外本体连续5个点的导体温度分别为72.5 ℃、70.5 ℃、71.1 ℃、75 ℃和72.1℃，此时电缆接头压接管处导体温度比电缆本体最外点处导体温度高13.5 ℃。带玻璃钢保护套的电缆接头加载1 200 A电流达到稳态后，压接管处导体温度最高，稳态时为94.9 ℃，主绝缘端口处导体温度为82.8 ℃，主绝缘件端口与保护铜壳端口中点导体温度为81.5 ℃，保护铜壳端口导体温度为69.1 ℃；从靠近接头短端向外本体连续5个点的导体温度分别为83.8 ℃、73 ℃、78.8 ℃、74.5 ℃和72.1 ℃，此时电缆接头压接管处导体温度比电缆本体最外点处导体温度高22.8 ℃。

由图4和图5可知，当电缆负荷由1 000 A增加到1 200 A后，引入玻璃钢保护壳前后接头压接管处导体稳态温度变化较大，分别升高了21.5 ℃和39.5 ℃。原因在于：接头内主要热源导体焦耳热I2R随电缆负荷的增长近似呈平方增长，造成接头导体温度升高；而接头导体温度的升高会引起导体交流电阻和压接管处接触电阻的增大，进而使接头内发热进一步增加。

当电缆接头加载电流达到稳态后，接头压接管处导体温度最高，电缆接头和本体间存在轴向温度分布梯度，且此轴向温差会随着载荷的提高而增大，不同载荷能力下接头轴向温差分布见表3。

表3电缆接头加装玻璃钢保护壳前后导体轴向温度分布

电流/A是否带玻璃钢保护壳压接管温度/℃本体温度/℃温度差/℃环境温度/℃1000不带65.054.810.227.5带65.454.910.527.51200不带86.572.113.529.7带94.972.122.829.7

结合图4、图5和表3，可以看出：

a) 电缆接头加载电流达到稳态后，沿接头轴向导体温度存在分布梯度。在相同环境条件、相同载荷能力下电缆接头引入玻璃钢保护外壳前后，导体温度沿轴向的变化趋势基本吻合。

b) 在相同环境条件、相同载荷能力下电缆接头引入玻璃钢保护外壳后，接头内各测温点温度均增大。原因在于：电缆接头加装玻璃钢保护外壳后，需填充环氧树脂密封胶，增加了接头的径向尺寸，接头的散热条件变得更差，接头内部温度有所提高。

c) 电缆接头加载电流达到稳态后，导体温度在保护铜壳端口附近出现一个极小值点。原因在于，保护铜壳端口处电缆剥切了铝护套，与空气对流散热条件良好，此时散热对电缆导体的温度起到了主导作用。

d) 在相同环境条件、相同载荷能力下电缆接头引入玻璃钢保护外壳前，接头附近本体的导体温度沿轴向的变化趋势较为平缓；引入玻璃钢保护外壳后，接头附近本体的导体温度沿轴向的波动较大。原因在于：电缆接头加装玻璃钢保护外壳后，接头内部的温度有较明显的升高，增加了对附近本体导体温度轴向分布的影响范围和程度。

综合实验数据分析可知，在同等负荷和同等敷设环境下电缆接头引入玻璃钢保护外壳后，接头处压接管温度增大，接头与附近本体间的轴向温差也增大。因此，玻璃钢保护外壳的引入降低了电缆接头的载流能力。当安装玻璃钢保护外壳的电缆接头导体温度达到绝缘长期耐受温度时，远处电缆本体的导体温度远低于绝缘长期耐受温度，引起电缆本体载流量远低于额定载流量，电缆利用率较低。

3.2径向温度分布

为了研究加装玻璃钢保护外壳对电缆接头径向传热的影响，以电缆接头压接管中线处径向截面为例，对比分析相同载荷能力和相同环境条件下有无玻璃钢保护外壳接头径向温度分布特点，对比结果如图6和图7所示。

1—接头导体温度(不带保护壳)；2—接头表皮温度(不带保护壳)；3—接头导体温度(带保护壳)；4—接头表皮温度(带保护壳)；5—环境温度。下同。图6　电缆接头加载1 000 A电流时径向温度-时间变化曲线

由图6可知，不带玻璃钢保护壳的电缆接头加载1 000 A电流达到稳态后，接头压接管处温度为65.0 ℃，对应表面温度为29.8 ℃，径向温差为35.2 ℃；带玻璃钢保护壳的电缆接头加载1 000 A电流达到稳态后，接头压接管处温度为65.4 ℃，对应表面温度为28.3 ℃，径向温差为37.1 ℃。

由图7可知，不带玻璃钢保护壳的电缆接头加载1 200 A电流达到稳态后，接头压接管处温度为85.6 ℃，对应表面温度为34.5 ℃，径向温差为51.1 ℃；带玻璃钢保护壳的电缆接头加载1 200 A电流达到稳态后，接头压接管处温度为94.9 ℃，对应表面温度为33.8 ℃，径向温差为61.1 ℃。

图7　电缆接头加载1 200 A电流时径向温度-时间变化曲线

表4为电缆接头加载电流达到稳态时接头径向温度分布情况，结合图6、图7和表4，可以看出：在相同环境条件、相同载荷能力下电缆接头引入玻璃钢保护外壳后，接头导体稳态温度升高，接头表面稳态温度降低，更接近环境温度，电缆接头稳态时径向温差增大。原因在于：电缆接头加装玻璃钢保护外壳后，需填充环氧树脂密封胶，增加了接头的径向尺寸，且环氧树脂密封胶导热性能较差，热阻较大。

表4　电缆接头加载电流达到稳态时接头径向温度分布

3.3玻璃钢保护壳对接头附近本体温度影响

电缆接头加载大电流稳态运行时发热现象明显，产热高于电缆本体，且散热条件较差，温升过程中接头的温度始终高于电缆本体。对电缆本体而言，电缆接头相当于一个热源，会对其附近的本体温度产生影响，使其与远处本体的温度存在差值。由于加装玻璃钢保护壳后，接头温度有较明显升高，因此对本体温度的影响也有所变化，影响范围和影响程度均有所增加。为得出加装玻璃钢保护壳对电缆接头附近本体温度的影响，对比分析了相同载荷能力和相同环境条件下距离接头最近的本体测温点在加装玻璃钢保护壳前后的温度，见表5。

表5电缆接头加装玻璃钢保护套对附近本体温度的影响

电流/A是否带保护壳本体最近点处导体温度/℃本体最近点处表皮温度/℃环境温度/℃1000不带54.836.227.5带59.440.027.51200不带72.543.329.7带83.851.329.7

由表5可知，电缆接头加载1 000 A电流达到稳态后，在环境温度相同的条件下，本体最近点处导体温度在带玻璃钢保护外壳时比不带玻璃钢保护外壳时高4.6 ℃，表皮温度在带玻璃钢保护外壳时比不带玻璃钢保护外壳时高4.8 ℃。电缆接头加载1 200 A电流达到稳态后，在环境温度相同的条件下，本体最近点处导体温度在带玻璃钢保护外壳时比不带玻璃钢保护外壳时高11.3 ℃，表面温度在带玻璃钢保护外壳时比不带玻璃钢保护外壳时高7.9 ℃。由此可见，加装玻璃钢保护外壳会使接头附近本体导体温度和表面温度均升高。

4　结论

玻璃钢保护外壳集防水、防腐蚀、防白蚁等功能于一体，多应用于南方地区，对电缆接头起到了较好的保护作用。为研究玻璃钢保护外壳的引入对电缆接头温度分布的影响，本文设计了高压电缆中间接头的稳态温升实验，得出如下结论：

a)在相同环境条件、相同载荷能力下电缆接头引入玻璃钢保护外壳前后，导体温度沿轴向的变化趋势基本吻合。引入玻璃钢保护外壳后，接头处压接管导体温度增大，表面温度减小，稳态时电缆接头的径向温差和与附近本体间的轴向温差均增大。

b)玻璃钢保护外壳的引入降低了电缆接头的载流能力。当安装玻璃钢保护外壳的电缆接头导体温度达到绝缘长期耐受温度时，远处电缆本体的导体温度远低于绝缘长期耐受温度，引起电缆本体载流量远低于额定载流量，电缆利用率较低。

c)加装玻璃钢保护外壳后，电缆接头对附近本体温度分布的影响范围和影响程度都有所增加，接头附近本体的导体温度和表面温度均升高。

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(编辑查黎)

Experiment Analysis on Influence of Glass Fiber Reinforced Plastic Protection Shell on Thermal Field of Cable Joint

XU Yan1, WANG Pengyu2, LIU Yigang3, GUO Shanshan2, WANG Zhenhua2, LIU Gang2

(1.Guangzhou Power Supply Bureau Co., Ltd., Transmission Management, Guangzhou, Guangdong 510310, China; 2. School of Electric Power, South China University of Technology, Guangzhou, Guangdong 510640, China; 3. Guangdong Society for Electrical Engineering, Guangzhou, Guangdong 510080, China)

There exists temperature gradient along axial direction of the conductor in high voltage (HV) cable joint under the condition of stable loading current, and whether installing glass fiber reinforced plastic (FRP) protection shell may affect axial temperature distribution of the joint. In order to analyze influence of glass FRP protection shell on axial temperature distribution of the intermediate joint of cable, a set of experiment system for large current temperature rise for HV cable is designed and experiments on 630 mm2cable joint respectively with glass FRP protection shell and without glass FRP protection shell under the condition of stable loading current are finished. Experimental results indicate that the glass FRP protection shell will make axial and radial temperature of the cable joint both increase and influence scope of the joint on the conductor also increases.

cable joint; glass fiber reinforced plastic protection shell; large current experimental system; axial temperature; radial temperature

2016-05-24

2016-07-05

国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2015AA050201)

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.09.016

TM247

A

1007-290X(2016)09-0078-06

徐研(1985)，男，吉林长春人。工程师，工学硕士，主要研究方向为高压电力电缆运行与维护技术研究工作。

王鹏宇(1995)，男，河南信阳人。在读硕士研究生，主要研究方向为高压电缆动态增容。

刘毅刚(1956)，男，广东广州人。教授级高级工程师，工学学士，主要研究方向为高压电力电缆运行与维护技术研究工作。