绝缘劣化对110kV交联聚乙烯高压电缆温度梯度分布的实验研究

摘要：温度监测是高压电缆长期可靠运行过程的有效手段，热作用导致电缆绝缘劣化并使得导热特性发生变化，也使得绝缘层温度分布发生变化从而影响电缆温度监测准确性。本文基于高压电缆绝缘层交联聚乙烯不同劣化程度下导热系数的变化，建立了电缆温度仿真计算模型，进行了电缆绝缘劣化后温度分布计算，探究了基于温度监测用于反应电缆绝缘劣化的初步可行性。

关键词：高压电缆；交联聚乙烯；导热系数；温度分布

从20世纪80年代开始，国内大中城市即开始应用110kV高压电缆，目前110kV高压电缆成为城市输电网的主要载体。随着越来越多的高压电缆到达30年的设计运行年限，如何准确利用现有检测技术开展带电条件下电缆绝缘状况评估，是适当延长此类老旧电缆运行年限的关键［1］。对电缆整体而言，绝缘层交联聚乙烯的劣化是决定电缆整体性能的关键因素。同时交联聚乙烯作为典型高分子材料，劣化后分子结构变化引起自身传热特性变化是较多高分子材料的典型特性之一［2］。本文以交联聚乙烯劣化后传热特性变化为基础，建立高压电缆模型，探究导热系数变化对电缆绝缘层温度分布变化对电缆温度检测的状态检测提供指导。

1实验准备

1.1高压电缆结构及参数

本文以导体截面积1000mm2为研究对象，电缆截面示意图及各层结构材料参数分别如图1与表1所示。

以电缆正常运行为例，当导体温度为90℃时，电缆绝缘屏蔽外表面温度通常为60℃～70℃。1000mm2导体截面积的110kV电缆绝缘层厚度为16.7mm，因此可知电缆正常运行时最大温差/厚度为1.8℃/mm。

1.2加速热老化及导热系数测试

通过环切法或者电缆绝缘层交联聚乙烯片状试样，并剪裁为长宽均为4cm的试样。利用恒温箱（DKM310C，YAMATOScientific），在115℃下对试样进行加速热老化，15天取样一次共完成90天加速老化实验。

利用瞬态导热仪完成各试样导热系数测定，测试温度为30℃～90℃，其中温度间隔为10℃。

1.3电缆仿真模型

依据图1建立的电缆仿真模型如图2所示。相比图1，仿真计算模型中电缆绝缘层按照从导体屏蔽到绝缘屏蔽顺序，分隔为10部分。

图2电缆模型建立示意图

2结果与分析

2.1老化试样导热系数

表2为不同老化阶段及测试温度下试样导热系数测试结果。从测试结果可知，随着老化时间增加，相同测试温度下试样导热系数在老化1～2阶段时差异较小，3～6阶段逐渐增加，主要原因为老化时间增加内部晶体结构破坏程度提高，提高了分子结构振动及热传递［3］。相同老化阶段时，测试温度升高，导热系数缓慢增加，表明温度升高加速了分子结构振动频率与幅值，提升了导热效率［4］。此外，当测试温度相差为10℃时，相同老化程度试样的导热系数变化较小；当温度差异为20℃时，导热系数约有8%的差异。

为简化模拟计算，不同测试温度下试样导热系数变化利用线性函数进行拟合。不同老化程度试样导热系数——温度拟合参数，如表3所示。随着老化时间增加，试样导热系数随温度增加的线性曲线斜率系数a不断增加，表明交联聚乙烯劣化后产生的链状分子结构热运动提升，更有利于传热［5］。

2.2导热系数选取对电缆温度变化影响

以往研究中，较多场景下选择导热系数不变，不考虑导热系数随温度变化的影响［68］。以未老化及老化第六阶段试样30℃导热系数为例，模拟电缆电流负荷为1450A时，电缆截面温度特性如图3所示。在固定导热系数下，电缆内部温度呈现均匀分布，且由于老化第6阶段试样的导热系数提升，使得稳态下电缆导体温度由90.1℃下降至86.9℃，但电缆外层温度几乎无差异。当考虑绝缘层材料温度特性时，绝缘层外部温度变化如图4所示。由于温度升高后绝缘层交联聚乙烯导热系数增大，因此相同负荷下，未老化试样导体温度由90.1℃下降至87.8℃，老化第六阶段试样的导体温度由86.9℃下降至84.4℃。综合图3与图4可知，当同时考虑电缆绝缘层交联聚乙烯老化状况及温度分布对导热系数影响时，相同电流负荷下计算得到的温度分布差异明显，可达5.7℃。

从图3与图4可知，电缆绝缘屏蔽至导体屏蔽之间温差可达25℃。在此情况下分别考虑绝缘层各位置温度分布时，导体最高温度计算结果如表4所示。由于温度升高及绝缘老化均会使得交联聚乙烯导热系数上升，提升了电缆整体散热特性，因此相同电流负荷在稳定状态下温度分布很好地反映了由于绝缘劣化引起的恒定电流负荷下导体温度差异［6］。

2.3绝缘劣化对电缆绝缘温度分布影响

电缆实际运行过程中，除绝缘劣化程度外，电缆电流负荷持续时间也是电缆影响电缆绝缘层温度分布的关键因素。图5为考虑导热系数温度及劣化特征时，未老化及老化第六阶段试样分别运行6小时与12小时的温度分布。试样经历绝缘老化后，在运行阶段由于绝缘层导热系数差异，因此运行6小时后出现2.1℃温差，12小时出现3℃温差。考虑到现有红色成像设备能够准确识别2℃～3℃温度差异，因此基于温度差异能够较好地反映电缆绝缘劣化特征。

除此之外，高压电缆实际运行过程中铝护套中环流存在，使得自身发热对于电缆绝缘层温度变化起作用。图6对比了未老化与老化第六阶段试样在铝护套环流为负荷电流30%情况下稳态温度分布特征。对比图4可知，尽管环流存在使得电缆热源增加，但是外护套散热增强，因此电缆稳态温度最高值，即导体温度几乎无变化。

结语

本文以高压电缆绝缘层交联聚乙烯老化后导热系数变化，建立了110kV电缆仿真计算模型，探究了绝缘劣化及温度对导热系数作用后引起电缆在相同负荷电流下温度分布的变化。计算结果表明电缆绝缘劣化后导热系数升高，促进了导体至外部环境的散热，导体最高温度明显下降，因此可通过温度测量开展电缆绝缘状况评估研究。

参考文献：

［1］Calcara，L.，D'Orazio，L.，DellaCorte，M.，DiFilippo，G.，Pastore，A.，Ricci，D.，Pompili，M.FaultsevaluationofMVundergroundcablejoints［C］.Florence：In2019AEITInternationalAnnualConference（AEIT）.2019：16.

［2］Bragatto，T.，Cerretti，A.，D’Orazio，L.，Gatta，F.M.，Geri，A.，Maccioni，M.（2019）ThermaleffectsofgroundfaultsonMVjointsandcables［J］.Energies，12（18）：3496.

［3］赵学风，郝一帆，黄国强，等.基于有限元仿真的土壤直埋电缆中间接头稳态载流量计算［J］.高压电器，2022，58（03）：6470+85.

［4］CIGRETechnicalBrochure640，AGuideforRatingCalculationofInsulatedCables［S］.December，2015.

［5］刘刚，王振华，徐涛，等.110kV电缆中间接头载流能力计算与实验分析［J］.高电压技术，2017，43（05）：16701676.

［6］Pompili，M.，Calcara，L.，D'Orazio，L.，Ricci，D.，Dervikadic＇，A.，He，H.（2021）.JointsdefectivenessofMVundergroundcableandtheeffectsonthedistributionsystem［J］.ElectricPowerSystemsResearch，192：107004.

作者简介：周露（1992—），女，汉族，江西吉安人，硕士，工程师，研究方向：从事输电线路运维与检修。