含防爆盒的三芯电缆中间接头散热性能及载流量研究

夏川，刘会家，吴刚梁，夏竹青

(1.三峡大学 电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002； 2.广东电网有限责任公司广州供电局，广州 510700； 3.国网湖北电力中超建设管理公司，武汉 430000)

0 引 言

随着城市化进程的不断加快，配电网系统中电缆已被广泛应用，由于受到安装工艺、工程施工、负荷率等因素的影响，电缆中间接头已成为城市配电网系统的薄弱环节[1-2]。在道路改造、地铁施工和管线敷设等市政建设过程中，中间接头缺少必要的保护，致使电力事故频繁发生[3-4]，为了避免电缆遭受外力破坏，防止中间接头过热出现故障后蔓延至其他电缆，新装的电缆中间接头规定必须加装防爆盒，但盒体内的密封腔会增加中间接头的传热路径，降低其散热性能，进而直接制约线路的载流量，影响线路的安全运行[5-7]。因此，研究配电网三芯电缆中间接头在加装防爆盒后的温度及载流特性，对电力部门的负荷调度和预防电缆事故具有重要的现实意义。

近年来，为了研究电缆中间接头的温升及载流问题，国内外专家学者做了大量的工作，主要可分为热网络法和数值分析法[8-14]。其中，热网络法是将接头散热过程等效为热网络，以热路的形式表征电缆接头内热量的传递过程，从而计算接头的温升，确定电缆的载流量，但三芯电缆中间接头截面为非中心对称结构，如此大大增加了热网络法的复杂程度，传统模型已无法满足其温升计算的要求。随着计算机技术的快速发展，采用数值方法计算电缆中间接头温升日益得到重视，基于有限元法的多物理场计算技术亦被应用于中间接头温升仿真分析，但这些研究主要集中在早期的中间接头上，未考虑加装防爆盒对电缆中间接头传热特性的影响，目前仅文献[7]利用实验方法研究了防爆盒对单芯电缆中间接头温升的影响，但未进一步探究载流量的变化规律，难以为三芯电缆运维提供有效依据。

介于配网电缆多以三芯结构为主，故二维模型受到了限制[15]。因此，文中以广州中新知识城某含防爆盒的20 kV三芯电缆中间接头为例，在考虑接触电阻的基础上建立中间接头的三维磁-热耦合模型，研究289 A负荷电流下中间接头的温升情况，分析了防爆盒对中间接头温升的影响，并进一步探究了加装防爆盒后电缆载流特性的变化规律，为电缆中间接头可靠性运行提供了一些有益的依据。

1 含防爆盒的中间接头模型

1.1 物理模型

以中新广州知识城某含防爆盒的20 kV冷缩三芯电缆中间接头为研究对象，所属电缆为两座变电站之间的20 kV联络电缆，如图1所示，电缆总长为15.5 km，型号为ZRYJV22-18/24-3*300，电缆位于综合管廊内部，全段线路共有31个中间接头，目前，中间接头仅部分完成防爆盒的安装，选取其中无防爆盒、未灌胶防爆盒、灌胶防爆盒三种中间接头。

图1 联络电缆示意图

中间接头内部结构如图2所示，主要组成部分有护套、铠装带、铜网、防水带、填充物、屏蔽管、接续管、导体等。

图2 三芯电缆中间接头结构图

作为电缆最为脆弱的部分，为了防止遭受外力破坏、水浸，中间接头外部加装防爆盒，如图3所示，防爆盒外壳材料为玻璃钢材料，其耐压性能高，抗冲击力强，能够保护中间接头不受外力破坏，并防止中间接头爆炸冲击附近的电缆，为了增强防爆盒的防水特性，壳体连接处则采用硅橡胶密封，壳体上的泻能孔能够在中间接头爆炸后迅速打开，朝固定方向释放能量，从而有效防止对其他电缆的破坏。根据中间接头的运行环境，防爆盒空腔内可灌注介质以增强特性，选择环氧树脂ab胶，环氧树脂导热性较好，且阻燃性良好，完全符合电缆安全运行的要求。

图3 防爆盒结构图

1.2 仿真模型

三芯电缆中间接头的结构参数如表1所示。

表1 结构参数

在保证不影响磁-热耦合仿真结果的前提下，尽可能简化局部结构，降低后续剖分的网格量，在建立仿真模型前，做了以下简化：

(1)由于内外半导电层的厚度较薄，对计算结果影响较小，建立模型时将内外半导电层与绝缘层进行了合并；

(2)考虑到电缆填充物与内护套的材料属性相近，在建模时也将二者进行合并。

根据表1中的结构参数，根据防爆盒和中间接头的几何尺寸，可建立含防爆盒的18/30 kV冷缩三芯电缆中间接头的仿真模型如图4所示，用于含防爆盒的中间接头磁-热耦合场计算所需的材料属性分别如表2所示。除导体接触电阻热阻外，其他材料属性均可通过表2查得。

表2 中间接头各材料属性

图4 中间接头仿真模型

根据文献[16]，接触电阻和热阻可表示为：

(1)

式中Rd为接续管与导体间的接触电阻；F为两者间的接触压力;m为相关的系数，其值与接触面的压力大小、接触点数及接触类型有关，接续管与导体压接面取1；kj为接触材料、表面状况等的影响系数，接续管与导体接触取0.1。

依据文献[17]中接触热阻与接触电阻的计算公式，接触热阻可表示为：

(1)

式中λ12=2λ1λ2/(λ1+λ2)为接触处的等效导热系数；ρ12=2ρ1ρ2/(ρ1+ρ2)为接触处等效电阻率。

2 磁-热耦合分析及验证

2.1 磁-热耦合场模型

中间接头在运行过程中，电流通过导体形成磁场，形成电磁损耗使中间接头温度升高，而温升也会影响导体的电阻率，反过来改变中间接头的损耗。因此，中间接头的温升是磁场、热场共同作用的，且相互关联[18-19]。由此，其磁-热耦合关系可以表示为：

(2)

λT∇2T+QV=0

(3)

2.2 磁-热耦合计算

监测到联络电缆上的负荷在某段时间内较为稳定，文中将流过电流近似等效为恒定289 A，电缆敷设在综合管廊内，在空气域边界上设置磁力线平行边界条件A=0，运行时测得周围环境温度为30 ℃，管廊内为自然对流，设置表面对流换热系数为5，通过程序控制ANSYS进行迭代计算，可得无防爆盒、未灌胶防爆盒、灌胶防爆盒时中间接头的仿真结果。

考虑到防爆盒不影响磁场分布，故有无防爆盒的中间接头产生的热损耗都是相同的，取线芯及接续管部分的损耗分布如图5所示，介于导体线芯与接续管间接触电阻的大于线芯电阻，故在接触位置会出现电流拥挤现象，该处热损耗最大，为96 347 W/m3，由于接续管通流能力大于负荷电流，故接触位置的电流拥挤现象不算明显，其外表面流过的电流较小，损耗也不大。由于线芯间的邻近效应，故三相导体临近处电流密度大，发热大，而背离处发热较小，损耗分布符合物理规律。

图5 热功率分布图

无防爆盒、未灌胶防爆盒、灌胶防爆盒时中间接头的温度分布如图6所示，从图6中可以看出由于接续管与缆芯接触部位接触损耗的存在，该处温度最高，而中间接头由于安装附件的缘故，影响其内部散热，故表面温度相对电缆外表面低，对比三种情况下电缆中间接头的温升情况可知，加装防爆盒后，中间接头内部温度会明显上升，接续管与缆芯接触部位结温高达67.9 ℃，相对于无防爆盒时上升了21.7 ℃，而在防爆盒内部灌注环氧树脂ab胶后，其内部结温仅为48.5 ℃，相对于未灌胶防爆盒时，结温下降了19.4 ℃，而相对于无防爆盒时，结温仅上升了2.3 ℃，表明在防爆盒内灌注环氧树脂ab胶，可以增强含防爆盒的三芯电缆中间接头散热性能。

图6 中间接头温度分布

2.3 工程应用及验证

作为中新广州知识城变电站之间的联络电缆，该线路长度大，多处跨越施工路段，且管廊内敷设其他电缆数量多，为了确保中间接头的安全可靠，联络电缆上的中间接头需安装防爆盒。为了验证仿真计算的准确性，选择了联络电缆上的三个中间接头，中间接头1未安装防爆盒，中间接头2加装未灌胶防爆盒，中间接头3安装灌胶防爆盒，在289 A电流下采用Raynger ST80红外测温仪分别测量电缆表面温度。由于Raynger ST80红外测温仪为单点测温，故针对三种情况下的中间接头选择三个相同的观测点进行测温对比，分别为中间接头表面结温、中间接头左端电缆表面结温，中间接头右端电缆表面结温。

灌胶防爆盒右端电缆表面的温度如图7所示。测得远接头的左端部结温为42.3 ℃，近接头的右端部温度为42.5 ℃。同理，进一步测量中间接头表面的最高温度分别为38.5 ℃。三种情况下中间接头的温度测量数据如表3所示，对比表3中的数据，可知仿真和实测的最大绝对误差不超过7%，满足工程计算要求，从而验证了考虑接触电阻的三维磁-热耦合模型的准确性。考虑到防爆盒对中间接头散热性能的影响势必制约电缆的载流量，为了研究三芯电缆中间接头的热可靠性，必须进一步分析其载流特性。

图7 中间接头温度分布

表3 中间接头温度测量数据

3 电缆载流量分析

为了更好地了解防爆盒对中间接头载流量的影响，就必须对电缆进行载流量计算。改变负荷电流，通过磁-热耦合可计算出中间接头在不同负荷的温升情况，表4给出了电缆本体线芯及三种情况下中间接头的结温数据。

根据表4中的数据可绘制电缆本体及中间接头的结温变化曲线如图8所示，曲线1为无防爆盒时中间接头内部结温，曲线2为加装未灌胶防爆盒时中间接头内部结温，曲线3为加装灌胶防爆盒时中间接头内部结温，曲线4为电缆本体线芯结温。根据电缆稳态运行下导体温度不超过90 ℃可以确定电缆及中间接头的载流量。

表4 不同电流下的结温

图8 结温变化曲线

由此可知，该电缆本体载流量可达580 A，而考虑中间接头时，考虑到中间接头的接续管为规范施工压接，其接触电阻对中间接头的载流量影响不大，载流量下降为556 A，不足4.2%。而加装未灌胶防爆盒后，由于空腔的导热性能下降，此时中间接头载流量仅为365 A，约下降37.1%。而灌注环氧树脂ab胶后，由于环氧树脂增强了中间接头的散热性能，此时中间接头的载流量可达515 A，载流量下降11.2%，而相对于未灌胶的中间接头，载流量提升近41.1%。因此，中间接头在加装防爆盒后，应灌注环氧树脂ab胶以避免载流量的大幅度下降。

4 结束语

以知识城20 kV三芯电缆中间接头为例，通过磁-热耦合计算，研究了防爆盒对三芯电缆中间接头散热性能及载流量。得到结论如下：

(1)通过运行数据与磁-热耦合仿真结果比较，在考虑中间接头接触电阻时，中间接头温度相对误差不超过7%，满足工程计算精度，由此表明建立的三芯电缆中间接头三维模型是准确的；

(2)介于防爆盒空腔的传热差，三芯电缆中间接头加装防爆盒后，散热性能会明显下降；而灌注良好的传热介质环氧树脂ab胶后，可增强中间接头的散热性能，进而提升其载流量；

(3)由于接触电阻和加装防爆盒的影响，中间接头的载流能力会低于电缆本体，在计算投运电缆的载流量时，必须考虑中间接头的载流极限，如此，在电力负荷调度时方能确保负荷不超过热稳定限制，从而避免事故的发生。