光纖復(fù)合低壓電纜溫度分布影響因素分析

石培培, 胡紅利, 王 格, 陳 玉, 于 晶

(1.西安交通大學(xué) 電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710049；2.上海電纜研究所,上海 200093)

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,我國用電量需求在日益增加,智能電網(wǎng)的概念應(yīng)運(yùn)而生。智能電網(wǎng)結(jié)合了先進(jìn)的傳感和測量技術(shù)、通信技術(shù)以及控制技術(shù),實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)安全、可靠、經(jīng)濟(jì)有效的運(yùn)行。隨著智能電網(wǎng)的建設(shè),電力傳輸和通信網(wǎng)的融合成為主要趨勢(shì)。光纖復(fù)合低壓電纜(OPLC)集光纖、電纜于一體,兼具電力傳輸和電力通信雙重功能,能充分滿足智能電網(wǎng)信息化、自動(dòng)化、互動(dòng)化的要求,助力智能電網(wǎng)建設(shè)[1-2]。

在交流電纜運(yùn)行時(shí),導(dǎo)體損耗、絕緣介質(zhì)損耗、金屬屏蔽等導(dǎo)致電纜發(fā)熱升溫,另一方面,電纜發(fā)生短路故障或者由于雷擊,電纜會(huì)受到強(qiáng)大的沖擊電流,電纜溫度迅速升高。如果出現(xiàn)電纜溫度過高,不僅會(huì)造成OPLC金屬材料的退火現(xiàn)象,危及電纜線路安全，還會(huì)使OPLC中光單元受熱變形,可能增大傳輸損耗,造成系統(tǒng)通信中斷[3-5]。

因此, 有必要對(duì)OPLC的熱性能進(jìn)行研究, 改善輸電線的熱穩(wěn)定性, 提升電力系統(tǒng)的安全可靠性, 減小溫升對(duì)光傳輸單元的影響。 在諸多影響光纜溫升的因素中, 幾何結(jié)構(gòu)、 材料和工作環(huán)境是影響OPLC熱性能的重要參數(shù), 本文利用COMSOL軟件分別研究這3個(gè)因素對(duì)光纜熱性能的影響。

1 材料對(duì)OPLC熱性能的影響

1.1 導(dǎo)體材料

交流電纜運(yùn)行時(shí),由于導(dǎo)體損耗、絕緣介質(zhì)損耗等的存在，導(dǎo)致電纜發(fā)熱升溫,即熱源。熱源的計(jì)算方法為

Q=I2R/S。

(1)

其中，Q為線芯導(dǎo)體單位體積發(fā)熱率;I為線芯導(dǎo)體中流過電流的有效值;S為線芯導(dǎo)體的截面積;R為線芯導(dǎo)體單位長度交流電阻,計(jì)算公式為

(2)

其中，ρ20為導(dǎo)體材料在20℃溫度下的電阻系數(shù)[6]。

電纜導(dǎo)體一般采用鋁導(dǎo)體或銅導(dǎo)體。所以,單位長度相同尺寸的銅導(dǎo)體和鋁導(dǎo)體的發(fā)熱量比率為

(3)

給定相同的工作環(huán)境條件(20℃)、相同的外形尺寸、相同的絕緣材料(PVC),分別以銅和鋁作為線芯導(dǎo)體材料建立三芯仿真模型,模型參數(shù)如表1所示,仿真得到的OPLC的溫度場分布如圖1所示[7-8]。

表1 三芯電纜模型參數(shù)Tab.1 Model parameters of three-core cable

圖1 不同導(dǎo)體材料OPLC穩(wěn)態(tài)溫度場分布Fig.1 Thermal field distribution of different conductor materials

從圖1(a)和圖1(b)可以看出,分別以銅和鋁作為線芯導(dǎo)體材料的OPLC達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí),金屬導(dǎo)體達(dá)到的最高溫度相差僅0.1℃,其他各個(gè)組成部分的溫度分布也是一樣的。所以在選擇導(dǎo)體材料時(shí),可以根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際環(huán)境條件,配合導(dǎo)體材料的延展性、耐腐蝕性等其他物理性質(zhì)進(jìn)行選擇[9-10]。本文選擇銅作為線芯導(dǎo)體進(jìn)行以下的仿真。

1.2 絕緣材料

1.2.1 正常工作狀態(tài) 廣泛應(yīng)用的絕緣材料有聚氯乙烯(PVC)和交聯(lián)聚乙烯(XLPE),二者的導(dǎo)熱系數(shù)相差不大,但是對(duì)于相同尺寸的OPLC,交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜的載流量比聚氯乙烯絕緣電纜提高25%[11-12]。所以在采用銅導(dǎo)體的基礎(chǔ)上,給定單位長度相同尺寸的OPLC,改變絕緣材料,進(jìn)一步研究不同絕緣材料對(duì)OPLC熱性能的影響,模型參數(shù)如表1所示。

在COMSOL軟件中分別選定外護(hù)套、絕緣層、導(dǎo)體以及光單元上的若干個(gè)特征點(diǎn),如圖2所示,通過這些特征點(diǎn)可以分析其上的溫度變化規(guī)律。

圖2 三芯光纖復(fù)合低壓電纜特征點(diǎn)分布Fig.2 Feature points distribution of three-core OPLC

圖3為不同絕緣材料的OPLC正常工作時(shí)部分特征點(diǎn)溫度分布。從圖3(a)和圖3(b)可以看出,PVC絕緣和XLPE絕緣護(hù)套OPLC中各個(gè)組成部分的溫度變化趨勢(shì)是一致的。OPLC溫度場為導(dǎo)體高,外圍低,但是穩(wěn)態(tài)時(shí)達(dá)到的最高溫度不同。XLPE絕緣護(hù)套OPLC穩(wěn)態(tài)時(shí)導(dǎo)體的溫度最高,達(dá)到了90℃,比PVC絕緣護(hù)套OPLC的最高溫度高20℃。XLPE絕緣OPLC中光單元(特征點(diǎn)24)的溫度達(dá)到了87℃,而PVC絕緣OPLC中光單元的溫度為68℃。

圖3 不同絕緣材料OPLC穩(wěn)態(tài)特征點(diǎn)溫度變化曲線Fig.3 Feature points temperature curve of different OPLC materials in steady state

由此可見,采用不同的絕緣材料對(duì)于光單元以及整個(gè)OPLC的溫度場分布有很大的影響。

1.2.2 故障狀態(tài) 由于電纜長期工作使外層護(hù)套老化,因此電纜容易發(fā)生短路故障。當(dāng)電纜發(fā)生短路故障時(shí),導(dǎo)體的短路電流可以達(dá)到額定電流的幾十倍,電纜的溫度會(huì)急劇升高。當(dāng)溫度超過一定值時(shí),不僅會(huì)引起光纖傳輸性能損傷、增大光纖傳輸損耗、縮短光纖壽命,嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成通信中斷,影響用戶的正常使用。由于電纜發(fā)生短路故障時(shí),最長持續(xù)5s,所以本文研究5s內(nèi)OPLC的溫度分布情況。如圖4所示分別為不同絕緣材料OPLC三相短路后特征點(diǎn)溫度變化情況。

圖4 不同絕緣材料OPLC短路后5s特征點(diǎn)溫度變化Fig.4 Feature points temperature curve of different OPLC materials after a short circuit for 5 seconds

從圖4(a)和圖4(b)可以看出,短路后5s內(nèi)PVC絕緣和XLPE絕緣OPLC中各個(gè)組成部分的溫度變化趨勢(shì)是一致的,但是達(dá)到的最高溫度不同。XLPE絕緣OPLC導(dǎo)體溫度可升高至260℃,PVC絕緣OPLC導(dǎo)體溫度可升高至160℃。由于電纜材料的熱阻特性,熱量不能及時(shí)向外擴(kuò)散,因此除短路導(dǎo)體外,其余部分都沒有較大的溫升。

2 結(jié)構(gòu)對(duì)OPLC熱性能的影響

前面討論了不同材料對(duì)OPLC熱性能的影響,另外,幾何結(jié)構(gòu)也是影響熱性能的重要因素。OPLC是導(dǎo)體線芯和光傳輸單元在加工制造過程中的組合,光傳輸單元既可以位于OPLC結(jié)構(gòu)中的中心位置,也可位于側(cè)面位置。針對(duì)現(xiàn)有的常用的OPLC結(jié)構(gòu),進(jìn)一步研究光傳輸單元在OPLC結(jié)構(gòu)中的位置對(duì)電纜溫度分布以及光單元溫度分布的影響。

這里研究四芯配網(wǎng)OPLC光單元位置對(duì)OPLC溫度分布的影響,導(dǎo)體選用銅,絕緣材料選用PVC。由于四芯電纜關(guān)于中性線位置對(duì)稱,所以當(dāng)光單元位于邊緣時(shí),有兩種分布情況,如圖5(a)和圖5(b)所示,分別為中性線與導(dǎo)體之間(邊緣位置1)以及兩導(dǎo)體之間(邊緣位置2)。OPLC上的特征點(diǎn)分布如圖5所示,其中A，B，C為三相導(dǎo)體,D為中性線。

圖5 四芯光纖復(fù)合低壓電纜特征點(diǎn)分布Fig.5 Feature points distribution of four-core OPLC

四芯電纜的模型參數(shù)如表2所示。

圖6所示為OPLC在正常工作狀態(tài)下特征點(diǎn)溫度變化情況。當(dāng)光傳輸單元位于導(dǎo)體和中性線之間時(shí),光單元上特征點(diǎn)26穩(wěn)態(tài)溫度最高達(dá)到了59℃;而光單元位于兩線芯導(dǎo)體之間時(shí),光單元相同位置上的特征點(diǎn)14溫度達(dá)到了62℃。這是因?yàn)楫?dāng)光單元位于兩線芯導(dǎo)體之間時(shí),是兩個(gè)銅導(dǎo)體熱源共同作用的結(jié)果,而位于導(dǎo)體與中性線間時(shí)，只有一個(gè)熱源作用,但是兩種情況下穩(wěn)態(tài)溫度差別并不是很大。而兩種情況下電纜上相同位置的特征點(diǎn)17(位置1)和特征點(diǎn)28(位置2)溫度變化規(guī)律一致,說明光單元的位置并不影響電纜的溫度分布,只影響光單元本身的溫升。

表2 四芯電纜模型參數(shù)Tab.2 Model parameters of four-core cable

圖6 兩種位置下OPLC穩(wěn)態(tài)典型特征點(diǎn)溫度變化Fig.6 Feature points temperature variationin steady state of OPLC in two position

在OPLC A，B兩相短路故障狀態(tài)下,兩種位置下的光單元在短路后5s內(nèi)的溫度變化規(guī)律如圖7所示。由圖7可知,當(dāng)導(dǎo)體兩相短路時(shí),不同位置光單元的溫度變化受導(dǎo)體溫度變化影響不同,特別是當(dāng)光單元位于導(dǎo)體與中性線之間時(shí),光單元溫度基本不變。而當(dāng)光單元位于兩導(dǎo)體之間時(shí),特征點(diǎn)20受兩導(dǎo)體共同加熱,溫度上升了3℃。

圖7 兩種位置下短路后5s光單元溫度變化Fig.7 Feature points temperature variation of OPLC in two position after a short circuit for 5 seconds

3 風(fēng)速對(duì)OPLC熱性能的影響

熱對(duì)流是熱傳遞的基本方式之一。當(dāng)流體流過一個(gè)與之溫度不同的物體表面時(shí)引起的熱量傳遞即對(duì)流換熱。對(duì)流換熱的公式為

q=h·Δt。

(4)

其中,q為換熱量,單位為W;h為對(duì)流換熱系數(shù),單位為W/(m2·K);Δt為流體和物體表面溫差，Δt=Δtw-Δtf,其中Δtw是物體表面溫度,Δtf為流體表面溫度[13-14]。

影響對(duì)流換熱系數(shù)的因素很多,包括流體的種類(液體、氣體)、物理性質(zhì)、運(yùn)動(dòng)狀況和流動(dòng)的成因等。架空電纜的傳熱:電纜產(chǎn)生的熱量通過熱傳導(dǎo)傳遞到電纜外部,在與空氣接觸的邊界處,通過表面空氣熱對(duì)流和熱輻射散發(fā)到周圍空氣中,相對(duì)于輻射散熱而言對(duì)流散熱起主要作用。因此溫度分布與表面大氣溫度、電纜表面溫度、外部風(fēng)速等因素有關(guān)[15]。設(shè)定電纜工作在外部溫度為20℃的環(huán)境中,則風(fēng)速對(duì)電纜的溫度分布有重要影響。

圖8所示為光單元位于位置2時(shí)的OPLC處在有垂直于電纜走向的來風(fēng)環(huán)境下，導(dǎo)體在不同風(fēng)速下的溫度變化情況。從圖8可以看出,不同風(fēng)速條件下,導(dǎo)體達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的溫度不同。在自然對(duì)流條件下,導(dǎo)體的穩(wěn)態(tài)溫度為70℃。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到10m/s,即五級(jí)風(fēng)左右時(shí)，導(dǎo)體的穩(wěn)態(tài)溫度為36℃。另外,不同的風(fēng)速條件下,溫度場分布達(dá)到穩(wěn)定所用的時(shí)間不同。自然對(duì)流條件下,電纜溫度場在6 000s左右達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài);當(dāng)風(fēng)速為2m/s時(shí),電纜溫度場在3 000s左右達(dá)到穩(wěn)定;當(dāng)風(fēng)速為10m/s時(shí),電纜溫度場在2 500s達(dá)到穩(wěn)定。所以,風(fēng)速為0～2m/s時(shí),對(duì)電纜散熱影響最大。

圖8 導(dǎo)體在不同風(fēng)速下的溫度變化Fig.8 Conductor temperature variation under different wind speed conditions

圖9所示為外護(hù)套、導(dǎo)體和光單元的溫度隨風(fēng)速的變化情況對(duì)比。從圖9可以看出,風(fēng)速對(duì)OPLC的穩(wěn)態(tài)溫度值影響很大。當(dāng)風(fēng)速從0m/s增加到1m/s時(shí),各部分的穩(wěn)態(tài)溫度值隨風(fēng)速的增大而急劇下降,平均都降低了30℃;當(dāng)風(fēng)速為從1m/s增加到2m/s時(shí),穩(wěn)態(tài)溫度下降速度開始變慢;當(dāng)風(fēng)速大于2m/s時(shí),溫度變化比較平緩。所以當(dāng)電纜工作環(huán)境處于1級(jí)或2級(jí)風(fēng)時(shí),對(duì)降低電纜工作溫度有很大影響。

圖9 外護(hù)套、導(dǎo)體和光單元的穩(wěn)態(tài)溫度隨風(fēng)速的變化Fig.9 Curves of steady state temperature vs. wind speed of cable insulation conductor and optical unit

4 結(jié) 語

在分析穩(wěn)定及短路條件下OPLC溫升機(jī)理的基礎(chǔ)上,利用COMSOL軟件仿真OPLC的溫度分布情況。從材料、結(jié)構(gòu)和工作環(huán)境這3個(gè)影響熱性能的關(guān)鍵因素出發(fā),討論其對(duì)OPLC熱性能的影響,從而為OPLC的設(shè)計(jì)和選型提供參考依據(jù),滿足電力系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和可靠性要求。研究結(jié)果表明,線芯導(dǎo)體材料改變對(duì)OPLC熱性能影響不明顯,而絕緣材料的改變對(duì)OPLC熱性能有較大影響,特別對(duì)光單元,因而在選擇導(dǎo)體材料時(shí)只需滿足成本和電氣機(jī)械方面的需求,而對(duì)絕緣材料的選擇則必須考慮耐熱性能。光單元的位置對(duì)電纜的溫度分布幾乎沒有影響,但是對(duì)光單元本身有較大影響,當(dāng)OPLC出現(xiàn)文中所述的兩相短路時(shí),光單元位于導(dǎo)體和中性線之間時(shí)，更有利于光纖的安全運(yùn)行。另外,自然環(huán)境復(fù)雜多變,風(fēng)速對(duì)OPLC的熱性能有較大的影響,影響達(dá)到穩(wěn)態(tài)分布的時(shí)間以及穩(wěn)態(tài)最高溫度,若能保持OPLC周圍環(huán)境良好的通風(fēng)情況,會(huì)提高OPLC的散熱性能,降低溫升對(duì)電力傳輸和通信的影響。在選擇和設(shè)計(jì)OPLC的結(jié)構(gòu)和材料時(shí),要綜合考慮材料、結(jié)構(gòu)和環(huán)境3方面因素的共同影響,從而滿足電力傳輸和通信的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

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