随桥敷设高压电缆接头结构层温升与载流特性研究

王根成，闫循平，李捍平，张振鹏

（1.国网浙江省电力有限公司舟山供电公司，舟山 316000；2.中国电力科学研究院有限公司，武汉 430074）

随着我国电力系统的快速发展与全球能源互联网战略的实施，跨海能源互联网系统的建设已经成为我国电力系统发展的重要方向[1-2]。随桥敷设电缆线路是实现海岛-大陆互联、海岛多端联网的重要手段，是能源互联网系统的重要组成部分。相较于海底电缆输电线路，随桥敷设电缆有着更优异的经济性与更高的运行可靠性，并且由于电缆为沿桥敷设，后期可以通过桥梁检修通道对电缆进行监测检修[3-4]。随桥敷设电缆在跨海输电系统中发挥着愈发重要的作用，国内外已有多项电力工程利用跨海或者跨江大桥作为电力通道走廊，例如：2010年在上海东海大桥上敷设了双回25 km的110 kV交流电缆；上海长江大桥沿桥敷设的220 kV的交流电缆是我国首例220 kV电力电缆过桥工程；宁波舟岱跨海大桥连接舟山诸岛，长达17.355 m，是世界上最长的连岛高速公路和规模最大的跨海桥梁群，舟岱大桥建成后将在桥上沿桥敷设220 kV高压输电线路，用于海岛多端的电力连接[5]。

随桥敷设电缆根据桥梁的不同形式而辐射在不同的环境中，如钢箱梁、混凝土箱梁、钢平台等。不同敷设条件下的电缆运行环境存在极大的差异，舟岱大桥现场测量数据表明，在夏季温度较高时，钢箱梁内的最高环境温度可以达到近50℃。高压电缆中间接头是用于连接两根电缆的重要组件，同时也是电力线路中最薄弱最容易出现故障的部分[6]。在舟岱大桥沿桥敷设电缆中，钢梁箱中的高温环境严重影响电缆及中间接头的正常运行，影响电力线路的输送能力与稳定性。重庆大学陈仁刚等[7]针对电缆的敷设环境，通过实验来测量土壤水分迁移后的电缆载流量，分析了外界环境因素对电缆温度场与载流量的影响；华南理工大学牛海清等[8]仿真研究了防火封堵对隧道电缆运行情况的影响，表明防火封堵结构改变了空气经过防火门后的流场分布，从而影响了热场的分布；武汉大学提出的电缆接头暂态热路简化模型，根据接头监测点的温度逆向推出导体的实际温度的方法[9]；乐彦杰等[10]分析了填充介质热阻率对电缆载流量的影响，通过选择合适的材料来提高电缆的载流能力。以上研究表明了电缆及中间接头的运行状态受外界环境的影响，但是针对沿桥敷设电缆的特殊运行工况，尚未展开系统研究，亟待研究环境温度、电缆接头结构、空气对流散热条件对电缆中间接头结构层温升与载流量特性的研究。

为此，本文采用COMSOL Multiphysics软件搭建了随桥敷设电缆中间接头的有限元[11]仿真模型，仿真获得了高环境温度对电缆中间接头温度分布与载流量的影响情况，分析了防水结构与空气对流对电缆接头温度分布情况的影响。为沿桥敷设电缆运行状况监测与载流量提升方法提供了参考。

1 220 kV XLPE电缆中间接头建模分析

图1为基于COMSOL Multiphysics有限元分析软件的220 kV XLPE电缆中间接头结构层温度场仿真分析过程。仿真中，将电缆中间接头看作轴对称结构，选择固体和流体传热物理模型对XLPE中间接头进行仿真计算，对电缆中间接头结构层温度分布规律进行分析研究。采用自由三角形划分网格并进行瞬态求解计算，设置绘图组以得到关注的温度分布情况。

图1 仿真分析流程Fig.1 Flow chart of simulation analysis

1.1 模型参数选取与设置

以浙江舟山舟岱大桥沿桥敷设电缆整体预制型中间接头（普锐斯曼，型号：GMS-300-CA-Cu-CAS-41-297-2-1252.C）为研究对象，构建电缆中间接头的仿真模型，如图2所示。

图2 电缆中间接头结构Fig.2 Structure of cable joint

XLPE电缆主要由电缆线芯、导体屏蔽、绝缘屏蔽、金属屏蔽、外护套构成，电缆中间接头结构包括导体压接杆、铝屏蔽罩、应力锥、乙丙橡胶接头主绝缘、铜壳、防水胶、防水胶壳等，各结构层材料参数如表1所示。图2中黑色方块为各结构层温度采集点，分别为导体温度、XLPE绝缘/SiR绝缘界面温度、接头SiR绝缘外表面温度、铜壳表面温度、防水胶壳表面温度。

表1 220 kV电缆中间接头参数Tab.1 Parameters of 220 kV cable joint

相较于传统的直埋与隧道电缆敷设方式，随桥敷设电缆运行过程中环境温度相对较高，舟岱大桥桥梁梁箱温度最高可达50℃，且桥梁箱梁内部环境密闭，电缆表面空气对流速度较低。上述3种电缆敷设方式的环境差异如表2所示，可知，较高的环境温度与较小的空气对流均会影响电缆接头结构层温升与载流特性，为此基于随桥敷设电缆的特殊环境因素设定仿真模型参数。

表2 不同电缆敷设方式的环境差异Tab.2 Environmental differences between different cable laying methods

1.2 参数设置与网格划分

沿桥敷设电缆中间接头的仿真研究涉及热量传递与热源设置两个方面。热量传递有3种形式，分别是热传导、热对流与热辐射，其中热传导发生在相互接触的两个物体中，是由温度梯度所产生的自然对流。热传导过程中满足傅里叶定律，有

式中：ϕ为流过平板的热量，W；λ为导热系数；A为平板的面积，m2；dt/dx为平板上一点在x方向上的温度变化率。

热对流一般是流体之间的宏观位移伴随着热传导，是指物体表面的一种传热过程，可表示为

式中：h为对流换热系数，W/（m2·K）；Δt为两相邻结构表面温度之差，℃。

地球上任何物体都存在热辐射现象，发生辐射换热的场合主要考虑电缆及中间接头的表面辐射能力，满足公式

式中：ΔT为物体表面的温度差；σb为黑体辐射常数，一般取值为5.67×10-8W（m2·K）；ξ为辐射率，因为物体辐射能力相对于黑体辐射小，因此辐射率取值小于1。

在电缆运行过程中，主要热源为导体电流热效应产生的热量，有负荷时导体的发热情况为

式中：WC为单位长度的铜导体因为发热产生的损耗，W/m；I为导体流入的电荷，A；R为通入交流电时单位长度导体的交流电阻，Ω/m。

对于通入交流电的导体，趋肤效应会使导体的有效电阻增加，趋肤深度的计算公式为

式中：Δ为趋肤深度，m；γ为导电材料的电导率，S/m；ω为交流电的角频率，rad/s；μ为材料的磁导率，H/m。

设置电缆中间接头的两端为热绝缘边界，分别研究30、40、50℃环境温度下中间接头的结构层温升特性，并研究防水结构和空气对流速度对结构层温度与载流量的影响。中间接头采用自由三角形网格进行划分，网格划分情况如图3所示。

图3 网格划分示意Fig.3 Schematic of meshing

2 实验结果

2.1 高环境温度对电缆接头温升与载流量的影响

设置接头表面环境温度分别为30、40、50℃，仿真计算得到导体电流为1 300 A时，高压电缆接头结构层温度的分布特性。图4为接头温度达到稳态时的温度分布，为了可以直观地对比各环境温度下的接头温度分布，仿真结果采用相同的温度范围。可以看出，在相同负荷电流条件下，导体的热量通过中间接头的各结构层向外传递，从而在各结构层上形成了温度梯度场分布。随着接头所处环境温度的升高，电缆导体及接头各结构层温度不断升高。

图4 不同环境温度下高压电缆接头温度场分布Fig.4 Temperature field distributions of HV cable joint at different ambient temperatures

为进一步研究接头各结构层的温升过程，仿真得到不同环境温度下的接头各结构层温升曲线，结果如图5所示。由图5可以看出，接头所处环境温度分别为30、40、50℃时，导体温度分别为72.8、83.6、95.8℃，接头铜壳外表面的温度分别为37.5、47.3、57.7℃。在接头各结构层中，距离导体近的结构温升速度也相对较快，这是因为热源主要是导体线芯，因此距离导体越近的结构受热传导过程影响越大，温度上升的速度也就越快。环境温度升高各结构层的温度均有一定的提升，且环境温度每升高10℃，各结构层稳态温度均升高10℃左右，接头各结构层的温度与环境温度的温差基本上是固定不变的。这是因为当环境温度在一定范围内变化时，对中间接头的发热量影响很小，可以忽略不计，因此电流一定时，环境温度与中间接头各结构层温度呈正线性相关关系。XLPE电缆的长期工作温度为90℃，使导体能够连续运行在不超过其稳定温度的最大电流称为载流量。在接头导体通入1 300 A电流，当环境温度为30℃时，接头导体温度为72.8℃，低于长期绝缘耐受温度，即电缆负荷没有被充分利用，系统负荷还可以适当增加；当环境温度为50℃时，接头导体温度为95.8℃，高于长期绝缘耐受温度，会加速绝缘老化，降低电缆长期运行寿命，对电力系统长期稳定运行造成威胁。

图5 环境温度对接头温升过程的影响Fig.5 Influences of ambient temperature on the temperature rise process of joint

因此，环境温度会影响电缆中间接头的载流量，对载流量随环境温度变化情况进行仿真分析，得到结果如图6所示。由图可以看出，电缆中间接头所处的环境温度越高，接头导体的载流量就越低，载流量与环境温度之间的关系呈负线性相关。

图6 载流量随环境温度的变化情况Fig.6 Variation of current carrying capacity with ambient temperature

2.2 防水结构对电缆接头温升与载流量的影响

沿海、沿河区域的电缆敷设环境往往较为潮湿，为避免接头在潮湿环境中绝缘性能下降影响其使用寿命，往往对中间接头进行防水处理，在电缆中间接头处安装防水壳，灌注防水胶。防水壳与防水胶的加入会影响中间接头的热传导与散热过程，从而影响中间接头结构层的温度分布。电缆导体通入1 300 A交流电流，设置环境温度为40℃，仿真分析防水结构对电缆中间接头温度分布的影响。接头各结构层温度达到稳态后其温度分布情况如图7所示，可以看出在安装防水结构后，接头内部各结构层温度都有一定的提高。

图7 40℃下防水结构对中间接头温度分布的影响Fig.7 Influences of waterproof structure on the temperature distribution of joint at 40℃

为了研究防水结构对接头温升过程的影响，绘制了安装防水结构前后接头各结构层的温升曲线，如图8所示。可以看出，在环境温度为40℃，导体电流为1 300 A情况下，中间接头在安装防水结构后，导体温度由原来的83.6℃提升到87.8℃，导体运行温度提高了4.2℃；铜壳外表面温度由48.1℃上升到51.8℃，温度提升了3.7℃。接头各结构层温度均有所提升，这是因为添加防水结构后，由于防水胶的导热性能较差，抑制了接头的对外散热能力，导致接头内部温度均有一定的提高，而导体温度升高则会影响接头的载流量。

图8 40℃环境温度下防水结构对接头温升过程的影响Fig.8 Influences of waterproof structure on the temperature rise process of joint at 40℃

仿真分析在40℃环境温度下，安装防水结构前后接头导体载流量的变化情况，结果如图9所示。可以看出，在安装防水结构后，接头的载流量由1 371 A降低到了1 318 A，降低了53 A。因此，对于干燥钢箱梁中的电缆中间接头，不安装中间接头防水结构可以一定程度地降低接头结构层温度，提高接头导体的载流量，有利于中间接头的长期稳定运行。

图9 40℃环境温度下考虑防水结构对载流量的影响Fig.9 Influences of waterproof structure on current carrying capacity at 40℃

2.3 空气对流对电缆接头温升与载流量的影响

热对流也是物体进行热量传递的主要形式，当电缆中间接头处于良好的通风环境中时，空气对流会影响中间接头表面的对流散热，进而影响接头的温度分布。仿真分析空气对流速度对电缆中间接头各结构层温度分布的影响，设置环境温度为40℃，导体电流为1 300 A，空气对流速度分别为1、2、10 m/s时接头稳态温度分布如图10所示。对比图4无空气对流条件下温度分布，可见增大空气对流有利于电缆中间接头的散热，降低中间接头各结构层温度。随着空气对流速度的不断增大，中间接头各结构层温度均发生不同程度的下降，各结构层的温升过程如图11所示。

图10 40℃下空气对流对中间接头温度分布的影响Fig.10 Influences of air convection on temperature distribution of joint at 40℃

图11 40℃环境温度下空气对流对接头温升过程的影响Fig.11 Influences of air convection on the temperature rise process of joint at 40℃

结合图5（b）可见，在相同环境温度与导体电流情况下，接头表面无空气对流时，导体温度为83.6 ℃，当空气对流速度分别为1、2、10 m/s时，导体温度分别为81.9、79.6、77.8℃。可以看出，接头表面空气对流有利于接头的散热，并且空气对流速度越大，接头各结构层的温度也越低。这是因为空气对流使中间接头的散热能力得到了一定的提升，从而降低了接头各结构层的温度，因此空气流速也会影响载流量，通过仿真分析不同风速下载流量的变化情况，结果如图12所示。可以看出，接头所处环境温度相同均为40℃时，风速对流会对载流量产生影响，对流速度提高时，接头导体的载流量会得到相应的提升。不考虑空气流动的对流散热时，载流量为1 371 A，当对流速度分别为1、2、10 m/s时，载流量分别为1 403、1 427、1 467 A。因此可得，空气对流可以降低接头的内部温度，并且提高接头电缆的载流量。因此可以在环境温度较高情况下，通过对接头进行通风来降低接头温度，保证接头的长期稳定运行。

图12 空气对流速度对载流量的影响Fig.12 Influences of air convection velocity on current carrying capacity

3 分析与讨论

综上所述，电缆中间接头的温度场分布与载流量大小受到电缆接头防水结构、桥梁敷设环境温度、空气对流等因素的显著影响。

桥梁电缆中间接头安装防水壳并灌注防水胶后，防水结构会阻碍接头内部热量的径向散热过程，导致接头各结构层温度升高。特别是对于桥梁钢箱梁和混凝土箱梁中相对封闭空间中的电缆敷设，环境温度较高，安装防水结构后电缆载流量降低5%～10%，成为电缆载流量的瓶颈段。因此，对于钢箱梁和混凝土箱梁干燥环境中敷设的电缆，可取消中间接头防水结构以提高载流量。

取消防水结构后，随桥敷设电缆中间接头载流量与环境温度、空气对流速度的关系如图13所示。桥梁梁厢环境温度对中间接头的载流量造成很大的影响。夏季桥梁梁箱中的温度可以达到50℃。桥梁梁厢环境温度为30℃时，电缆载流量为1 506 A；当环境温度升高至50℃时，载流量则降低到了1 223 A，约降低了18.8%，严重影响电能输送容量。同时，高环境温度极易导致电缆中间接头温度超过额定运行温度，出现中间接头因温度过高甚至发生爆炸等危害。

图13 桥梁电缆中间接头载流量与环境温度、空气对流速度的关系Fig.13 Relationship among current carrying capacity of bridge cable joint,ambient temperature,and air convection velocity

因此，针对高环境温度桥梁梁厢中的随桥敷设电缆，需设计桥梁梁厢中的空气对流系统，对随桥敷设电缆进行通风处理。基于图13中电缆载流量的等高线，可设置随桥敷设电缆运行安全域，即随着环境温度的升高，调节桥梁梁厢空气对流速度，从而保障随桥敷设高压电缆中间接头的安全、可靠运行。

4 结论

本文建立了随桥敷设高压电缆中间接头温度场仿真模型，研究了电缆接头防水结构、桥梁敷设环境温度、空气对流等因素对中间接头结构层温升特性与载流量的影响，主要结论如下：

（1）环境温度是影响电缆接头温升过程与载流量的最重要原因，当桥梁梁厢环境温度由30℃提升50℃，电缆接头结构层温度显著升高，载流量降低了18.8%。

（2）中间接头防水结构会阻碍电缆内部热量沿径向的散热过程，导致中间接头结构层温度升高、载流量下降。

（3）随桥敷设高压电缆接头结构层温升抑制与载流量提升的措施有：①在高环境温度下，提高桥梁梁厢空气对流速度可以有效抑制中间接头结构层温升，提高电缆载流量；②对于桥梁梁箱敷设的电缆接头，可以通过去除接头防水结构加强电缆接头散热，提升载流量。