输电线路传热特性实验研究

陈娟 姚峰 ，2

1 东南大学能源与环境学院

2 苏州科技大学环境科学与工程学院

输电线路应用范围广泛，运行环境复杂多变（如高原，极地，沙漠，雨林等），对输电线路的可靠运行提出了较高的技术要求。目前卫星热设计[1-2]以及部分复杂环境下的发电站已将大功率线路发热[3-4]纳入热设计范围内。现有研究主要集中在常压或高压条件下的输电线路发热特性[5]，对低压条件下发热特性研究较少。而与常压相比，低压条件下冷却效能下降，势必会对线路的发热特性产生影响。本文将基于不同工况下电缆的发热对其传热特性进行分析。

本文设计并搭建了输电线路发热特性实验系统，对输电线路的发热特性进行了实验研究，分析了输电线路内部传热过程，并研究了负载电流，保温层以及大气压力对电缆本身在通电运行过程中表面温度，温度时间常数的影响。

1 实验体系

如图1所示，输电线路表面散热特性实验系统主要由电缆测试系统，低气压系统以及数据采集系统组成。其中，电缆测试系统主要对电缆表面的温度变化情况进行测量，包括被测试BVVB电缆，电流表，功率表以及多个固定电阻（阻值为256±5%Ω）并联组成的回路，电缆参数如表1所示。低气压系统用来创造实验所需的低压环境，包括真空罐，真空泵，真空表和空气流量计。数据采集系统用于实时采集和记录电缆表面温度，主要包括了数据采集仪，计算机以及k型热电偶等。

图1 电缆实验系统图

表1 电缆参数

实验时，将BVVB电缆置于真空罐中并与外界环境隔离，保持输电系统电压不变，通过改变并联电阻的个数调节电路中负载大小，从而改变通过电缆的电流大小，实现电缆发热功率的调节。利用数据采集仪实时采集和记录真空罐内电缆表面温度的变化情况。测温点布置如图2所示，电缆上共布置6个测温点，测点由电源接头指向电阻方向等距离布置。本实验中，输电系统电压保持220 V不变，不同工况下通过电缆的电流分别为I=1.72 A，I=4.30 A。实物图布置如图3所示。

图2 电缆测温点分布图

图3 电阻布置实物图

2 实验结果与讨论

2.1 传热特性评价指标

电缆具有一定的电阻，因此当电缆通过一定负载电流时，必然会产生热量，导致电缆温度上升。为了评价电缆在施加恒定功率之后的热响应速率，本文引入温度时间常数tp对电缆温度上升速度进行衡量。温度时间常数tp的定义为，从施加恒定功率开始，电缆温度达到稳定状态温度的62.23%时所经历的时间[6]。

2.2 电缆内部传热过程

图4给出了电缆护套与绝缘层表面平均温度随时间的变化，图中，Tiso为绝缘层表面平均温度，Tsur为护套表面平均温度，Tair为空气温度。由图4可知，当电路接通之后，电缆温度开始上升，经过一段时间后基本保持不变，达到稳定状态。这是由于电缆铜芯外依次包有绝缘层以及护套（如图5所示），电缆向外界环境散热时存在一定热阻，电缆发热量与散热量存在一个逐渐平衡的过程。当电缆发热量与散热量达到平衡时，电缆表面温度不再升高，达到稳定状态。从图中还可以看出，在电缆温度上升过程中，绝缘层表面平均温度高于护套表面平均温度，这是由于导体发出的热量需要依次经过绝缘层、护套后才能向外界环境释放，而绝缘层与护套之间存在接触热阻，对热量从绝缘层向护套的传递造成了阻碍，因而热量在绝缘层积聚，导致了绝缘层温度高于护套温度，使得绝缘层的温度时间常数有所增加。

图4 加热30 min中护套表面平均温度与绝缘层表面平均温度

图5 电缆结构图

2.3 负载电流的影响

由于电缆导体本身具有电阻，根据Q=I2R可知，电缆的发热功率随着负载电流的增大而增加。图6（a）和图6（b）分别给出了在常压条件下，通过电缆的负载电流为1.72 A与4.30 A时电缆护套表面温度随时间的变化。从图6可以看出，当负载电流从1.72 A增大至4.30 A时，电缆本身的发热功率随之增大，而电缆与周围空气的换热能力基本保持不变，因此电缆的温度上升幅度从0.4℃增大至2.0℃，温度时间常数从12 min减小至9 min 23 s。由此可得，电缆的温升与负载电流呈正相关，而温度时间常数与负载电流则呈负相关。

图6 不同负载电流下电缆的温度变化图

2.4 保温层的影响

电缆除采用架空的方式进行敷设之外，还可以采用埋地等方式进行敷设。由于土壤导热性能较差，热量从电缆传递至土壤之后在电缆周围积聚，阻碍了电缆向外界发散热量，此时土壤相对于电缆而言起到了保温层的作用。为了研究这种情况下电缆的发热特性，本文对电缆进行保温处理后进行了实验测试。图7比较了负载电流为4.30 A时，未保温电缆与保温处理后电缆表面平均温度随时间的变化。从图中可以看出，对电缆进行保温处理后，电缆温度达到稳定后温升约为3.4℃，比未保温时的温升增加了1.4℃。温度时间常数为15 min 39 s，比未保温时温度常数增加了6 min 16 s。以上数据表明，与未保温的电缆相比，保温处理后的电缆散热能力下降，表面温度上升幅度增大，温度时间常数增加。

图7 负载电流I=4.30 A时电缆保温前后温度随时间变化

2.5 压力的影响

与常压环境相比，低气压环境下空气密度减小，空气的冷却效能降低。图8比较了压力分别为0.1 MPa（如图 8（a）所示）与 0.02 MPa（如图 8（b）所示），电缆负载电流为4.30 A时电缆表面温度随时间的变化。从图中可以看出，常压时，电缆温度达到稳定时温度上升了2.0℃，电缆的时间常数为9 min 23 s，而在低压环境中，电缆温度达到稳定时温升约为3.4℃，比常压时温升增加了1.4℃，温度时间常数为7 min 52 s，比常压时缩短了1 min 31 s。当压力降低时，空气密度下降，空气的换热能力下降，导致电缆散热效果变差，使得电缆表面温度相对于常压时更高，同时上升速度更快，在更短的时间内达到稳定状态。

图8 不同压力下电缆的温度变化图

3 结论

本文搭建了输电线路传热特性实验系统，对输电线路的传热特性进行了实验研究，分析了输电线路内部传热过程，研究了负载电流，保温层以及大气压力对电缆本身在通电运行过程中表面温度的影响。研究结果表明：

①导体发出的热量需要依次经过绝缘层、护套后才能向外界环境释放，因此电缆向外界环境散热时存在一定热阻，其发热量与散热量存在一个逐渐平衡的过程。在电缆温度上升过程中，绝缘层表面平均温度高于护套表面平均温度。

②增大负载电流增加了电缆的发热功率，使得电缆的温度上升幅度增大而温度时间常数减小，当负载电流从1.72 A增大至4.30 A时，电缆的温度上升幅度从0.4℃增大至2.0℃，温度时间常数从约12 min减小至9 min 23 s。

③与未保温的电缆相比，进行保温处理后的电缆散热能力下降，表面温度上升幅度增大，温度常数增加。当负载电流为4.30 A时，保温后电缆温度比未保温时的温升增加了1.4℃，温度时间常数增加了6 min 16 s。

④与常压环境相比，低气压环境下空气密度减小，电缆表面的换热能力下降，导致电缆散热效果变差，使得电缆表面温度相对于常压时更高，而时间常数缩短，电缆温度更快达到稳定状态。与常压（0.1 MPa）相比，低压（0.02 MPa）情况下，电缆温升增加了1.4℃，温度时间常数缩短了1 min 31 s。