高壓電纜主絕緣熱膨脹研究

明建圣

設計電纜的熱態試驗，截取不同規格的?66k V、220k V 電纜，制成試樣，分別在不同溫度下測量電纜試樣的徑向尺寸，得出電纜主絕緣幾何尺寸隨溫度的變化規律，為金屬護套變形限制電纜載流量提供更加精確的數據支撐。本試驗的關鍵點是：制作電纜試樣;制作電纜加熱試驗裝置;準確測量各種溫度下的電纜徑向幾何尺寸;得出電纜主絕緣徑向幾何尺寸與溫度之間的關系。用于試驗的電纜試樣均取于長春供電公司的運行電纜，將截取的電纜剝去金屬護套、緩沖層，用車床加工成易于試驗的尺寸。

采用?HG881-2 遠紅外電熱鼓風干燥箱作為加熱試驗艙，箱內工作室尺寸為55×55×55cm，加熱功率 3kW，溫度范圍：常溫-250℃，溫度控制偏差：±3℃，為便于觀察試驗過程保持箱內溫度，加裝了玻璃門，在加熱箱內襯板上水平固定了鋼板尺。測量電纜熱態試驗后絕緣層膨脹變化的工具為訂制游標卡尺，可測量 500mm 試樣，測量精度：0.02mm。為準確確定電纜試樣加熱達到熱穩定所需要的試驗時間，本采用有限元法對電纜試樣熱穩定時間進行仿真研究。仿真電纜為所選取的電纜為型號 YJL03-66-1×1200 的 66k V 電纜。參考實際試驗的電纜模型，只對電纜纜芯、導體屏蔽層、XLPE 絕緣層進行建模分析溫度場。分析一定截取長度的試驗電纜試品放入 90℃恒溫烘箱時的溫度場后，試樣各層的溫度變化情況。由于試驗電纜是有限長度，對定長電纜就行縱切面建模，建立二維軸對稱模型。烘箱加熱電纜時間為 4 小時絕緣層長度 40cm，纜芯長50cm 的電纜溫度云圖，此時纜芯內部的溫度最低為 89.75℃，與 90℃差值小于0.3℃。由此可知電纜試樣熱穩定時間可取為 4 小時。

熱態試驗利用游標卡尺測量電纜試樣的外徑，需要將加熱箱門打開或者將電纜試樣移出加熱箱，在測量過程中電纜試樣將降低一定溫度。對從?90℃烘箱中取出的試樣，進行測量過程進行模擬仿真，已知測量過程需要 3 分鐘，當電纜試樣從恒溫烘箱中取出時，初始溫度為 89.92℃，室溫環境 3 分鐘后，溫度下降 0.6℃。可知，測量試驗操作所需要的時間所造成的試驗電纜溫度變化幅度很小，可認為所得尺寸為測量溫度下的尺寸。將電纜試樣放入加熱箱中，依次將加熱溫度調節為 40℃、60℃、80℃、90℃，每個溫度下持續加熱 4 小時后取出，在標定的同一位置上，測量五次其徑向尺寸，然后取五次測量的平均值作為該試樣的尺寸，每個電纜試樣進行同樣的操作步驟。

（1）220k V 運行電纜膨脹量計算分析 單回 YJLW03-127/220-1×1000 電纜，埋深 0.8m，電纜間距 0.2m，敷設在土壤熱阻系數 2.44 K·m·W-1、深層土壤溫度 25℃的均勻土壤。恒定負荷下載流量為 830.2A，此時電纜的纜芯溫度 89.99℃，主絕緣層內側溫度（靠近纜芯側）為 89.68℃，絕緣層外側溫度 80.27℃。

直埋電纜的深層土壤溫度一般在?10℃-20℃之間變化，受環境影響較小。采用有限元分析 220k V，1000mm2 電纜不同恒定負荷電流下主絕緣層的內外側溫度，進而可以求出電纜主絕緣平均溫度，根據上面得出的徑向膨脹系數，得到電纜主絕緣徑向膨脹量。

（2）66k V 運行電纜膨脹量計算分析 單回 YJLW03-48/66-1×240 電纜，埋深 0.8m，電纜間距 0.2m，敷設在土壤熱阻系數 2.44 K·m·W-1、深層土壤溫度 25℃的均勻土壤中。其載流量為 409.9A，此時纜芯溫度 90.00℃，絕緣層內側溫度（靠近纜芯側）為 89.73℃，絕緣層外側溫度 79.892℃，采用傳統熱力學熱膨脹的計算公式計算絕緣層的徑向膨脹量為 0.54mm。

通過對不同運行負荷下?66k V 和 220k V 電纜的溫度場的分析，對于同一運行狀態下的電纜，電纜主絕緣徑向膨脹量隨著外界土壤溫度增大而增大，但是影響作用較小。主絕緣尺寸變化受電纜承擔負荷的情況影響較大，膨脹量隨負荷變化情況，同種運行負荷百分比下的 220k V 絕緣層的徑向膨脹量遠大于 66k V，當負荷電流為載流量時，電纜主絕緣平均溫度最為接近 90℃，電纜輸送的負荷電流減小時，絕緣層平均溫度會降低，主絕緣徑向膨脹量也隨之減小。以選取的計算電纜為例，220k V 的運行電纜絕緣層的徑向膨脹量最大不超過 1.0mm，66k V 的運行電纜絕緣層的徑向膨脹量最大不超過 0.6mm。

一般情況下考慮到電纜安全運行裕度等情況，電力電纜的運行電流會低于額定載流量，該情況下電纜的纜芯溫度低于允許長期運行的最高溫度，當運行遇到突發性電流增大也就是過負荷情況，電纜持續運行在該負荷下，纜芯溫會超過?90℃，造成 XLPE 絕緣介質的熱不穩定性，使電力電纜各項性能受到損壞。電纜在載流量下運行時，是沒有過負荷運行能力;但通常情況下電纜運行負荷小于其額定載流量，此時對電纜施加過負荷，纜芯溫度上升到 90℃還需要一段時間，該時間內不會對電纜絕緣造成損傷。

在?750A 正常負荷運行下的電纜，負荷突增到 980A（超出恒定負荷載流量830.2A 的過負荷）時電纜絕緣層內側、絕緣層外側及電纜纜芯的溫升變化情況。過負荷運行一段時間纜芯溫度會超出 90℃，如纜芯長時間超出允許值運行，會對系統的可靠運行造成極大危害。

對于實際電力系統中的負荷，并不是恒定不變的，在此負荷曲線下電纜絕緣層內側、絕緣層外側及電纜纜芯的溫升變化情況，纜芯溫度和絕緣層內側溫度差值很小，絕緣層外側的溫度變化趨勢和纜芯是同步的。電纜在此周期負荷下的的載流量為?1147.6A，當纜芯溫度為 90.02℃時，絕緣層內側溫度為89.51℃，絕緣層外側溫度為 75.57℃，絕緣層的徑向熱膨脹量為 0.96mm。

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（作者單位：常州博瑞電力設備自動化有限公司）