10 kV交流三芯電纜中間接頭直流化改造熱-電耦合仿真研究

趙莉華，周冬冬，閆志強，李和，任俊文，王仲

(1.四川大學電氣工程學院，成都610065；2. 國網成都供電公司，成都610000)

0 引言

隨著現代電力電子技術的進步，相比于交流配電網，直流配電網因具有潮流可控、電能質量高、便于分布式電源以及直流負載和儲能設備的接入等優點，引起了國內外學者的廣泛關注，成為未來配電網的重要發展方向[1 - 6]。然而對于用電量大、配電線路多、供電壓力大的城市10 kV電力系統來說，由于地下輸電通道日漸趨于飽和以及中、高壓直流斷路器、直流變壓器等關鍵設備因為技術和經濟原因尚無大規模的商業化應用等問題的存在[7 - 9]，新建直流配電網將10 kV交流配電網完全改造為直流配電網具有一定的難度。

在中、高壓直流配電技術尚不成熟的情況下，為解決城市交流配電網供電壓力大的問題，可參照高壓直流輸電技術，考慮先將交流配電網的10 kV主配電線路進行直流化改造，而低壓配電部分仍以交流形式運行，之后再逐步過渡到直流配電網。這不僅有望緩解城市交流配電線路的供電壓力，而且對以后直流配電網的大規模應用具有重要意義。

目前國內外現有文獻中關于交流電纜本體直流化改造以及交、直流電纜接頭電場和溫度場仿真的分析已經有了很多研究。如文獻[10]將一條35 kV交流海纜配電線路改造為±10 kV直流配電線路，改造線路已安全運行數年,這是世界上首例交流配電線路直流化改造工程，證明了交流電纜直流化改造的可行性，但此改造工程出發點是為了已損壞電纜的再利用，其供電能力并無太大提升。文獻[11 - 14]對確定型號的10 kV、35 kV、66 kV交流電纜進行了直流運行方式下的溫度場和電場仿真，確定了合適的直流載流量和運行電壓。文獻[15]分析了接觸電阻、電纜本體長度對10 kV三芯電纜接頭溫度分布的影響。文獻[16]研究了不同因素對直流電纜接頭絕緣層溫度和電場分布的影響。

現階段關于交流電纜接頭直流化改造溫度場和電場的研究還較少，而實際運行經驗表明，接頭是電力電纜系統中的薄弱環節和約束供電能力的關鍵點。據統計，電纜系統中超過50%的故障發生在接頭部分[17]，同等負荷電流下接頭的溫度要高于本體溫度，因此在交流電纜直流化改造過程中要重點關注電纜接頭的溫度場和電場分布。

圖1 電纜接頭三維結構模型軸向剖視圖Fig.1 3D axial sectional structure diagram of power cable joint

本文以城市配電網中廣泛使用的10 kV交流三芯電纜接頭為研究對象，對其空氣敷設運行工況進行了三維有限元熱-電耦合仿真[18 - 19]，分析了交改直后電纜接頭及本體的溫度場分布特點和最大場強，并研究了接觸電阻和空氣對流換熱系數對其溫度分布的影響。最后以仿真結果為基礎，對交流電纜接頭改造前后的最大功率傳輸能力進行比較，研究結果可為今后實際直流改造工程提供一定的參考。

1 電纜接頭仿真模型的建立

1.1 三維結構模型與參數的確定

電纜接頭的作用是連接2段電纜，由于電纜本體長度會對接頭溫度分布產生影響，因此本文所建立的仿真模型包括接頭和本體2個部分。本體由內至外由導體、導體屏蔽、XLPE絕緣層、絕緣屏蔽、金屬屏蔽、填充、內護套、鋼帶鎧裝和外護套組成。接頭包括本體的前5層以及連接管、外半導電層、硅脂、高壓屏蔽管、應力錐、硅橡膠、填充、防水膠帶和鎧裝帶等部分。

三芯電纜接頭無法像單芯接頭一樣建立二維模型進行仿真計算，只能建立其三維模型。本文選用城市中壓配電網中常用的10 kV交流三芯電纜YJV22-8.7/10-3×240 mm2以及配套的型號為JLS-10 kV/3.2的冷縮接頭進行仿真研究，選擇電纜本體長為2 m[12]。根據廠家提供的接頭安裝說明書進行接頭三維模型的構建，以兩相導體中心連接線為基準線進行剖分，得到完整模型結構剖視圖如圖1所示。

仿真時要首先確定模型中材料的電導率和導熱系數，本文設定所有材料的導熱系數均為固定值。導體和連接管的電導率隨溫度的變化而變化，其計算公式如式(1)所示。

(1)

式中：σ20為導體20 ℃時的電導率；α為導體的溫度系數；T為材料當前溫度。

絕緣層電導率隨溫度和電場強度的變化而變化，計算公式如式(2)所示，其余材料電導率為固定值，所有材料參數匯總于表1中。

(2)

式中：A、B為常數，A=3.59×107V/(Ω·m2)，B=1.14×10-7m/V；e為元電荷；φ為活化能；d為Boltzmann常數；E為電場強度。

表1 三芯電纜接頭材料參數Tab.1 Parameters of three-core cable joint

在電纜接頭的實際安裝過程中，由于現場施工工藝難以保證，當導體與連接管之間的機械強度或壓力不夠時，將導致導體和連接管之間存在接觸電阻，接觸電阻的大小與接觸壓力有關[20]。接觸電阻的存在將會影響電纜溫度分布情況，因此，在電纜接頭仿真過程中要考慮接觸電阻的影響。

電纜接頭的熱-電耦合仿真中，在仿真軟件中輸入的對接頭導體產熱有影響的參數為導體和連接管的電導率。為了考慮接觸電阻產熱的影響，本文通過求解導體與連接管的等效電導率來計算電纜接頭導體連接部位的等效熱損耗[21 - 22]，等效模型如圖2所示。

圖2 電纜接頭導體和連接管的結構及其等效模型Fig.2 Structure and equation model of conductor and connetion tube in cable joint

等效前后導體和連接管的電阻值不變，定義該阻值與相同長度的電纜導體電阻值之間的比值為接觸系數k，則k可由式(3)表示。

(3)

式中：r1為電纜導體半徑，l、r2分別為等效后導體的長度和半徑；σ2為等效電導率；s1和s2為接觸面。由式(3)可知，k越小，表示σ2越大，電纜接頭的接觸電阻越小，即電纜接頭制作得越規范。

1.2 電纜接頭傳熱數學模型

根據熱傳導定律和能量守恒定律，可得到電纜溫度場數學模型如式(4)所示[23]。

(4)

式中：λx、λy、λz分別為材料沿x、y、z方向的導熱系數，對于各向同性材料有λx=λy=λz；Qv為熱源密度；ρ為材料密度；c為材料比熱容；t為時間。

電纜溫度場求解問題常見邊界條件分為以下3類。

第一類邊界條件為已知邊界溫度，表達式為：

T|Γ1=T0

(5)

第二類邊界條件為給定的邊界上的法向熱流密度，表達式為：

(6)

第三類邊界條件為給定的周圍環境溫度以及物體表面與周圍環境之間的對流換熱系數，其表達式為：

(7)

式(5)—(7)中：Γ1、Γ2、Γ3為邊界；n為邊界法線方向的坐標；q2為熱流密度；h為對流換熱系數；Tf為發熱體表面溫度；Tamb為流體溫度。

由于電纜多敷設于電纜溝或者隧道內，這兩種敷設方式下電纜暴露于空氣中，符合第3類邊界條件[24]。本文在夏季高溫情況下僅考慮電纜外表面的空氣自然對流，選取空氣溫度為40℃，對流換熱系數為7 W/(m2·K)進行仿真。

2 溫度場仿真結果及影響因素分析

2.1 仿真結果分析

考慮負載平衡，三芯電纜交流運行時三相導體承受相同的負載電流。本文選取其中兩相導體作為正、負極承擔同等大小負載電流，另一相導體作為中性線承擔微弱的不平衡電流，將其改造為常見的雙極接線方式運行，拓撲結構如圖3所示。

圖3 雙極接線方式拓撲結構Fig.3 Topological structure of bipolar connection mode

基于前述仿真條件與改造方式，首先考慮接觸系數k=4，采用ANSYS中的熱-電耦合模塊進行仿真，定義承擔負載電流的導體為A相和B相，中性線為C相，向A、B相導體通入380 A電流，并加載±10 kV直流電壓。在三相導體中心處設置溫度點采樣路徑，得到三相導體軸向溫度分布曲線如圖4所示。圖4中，橫軸零點處為連接管中心位置，零點左側為接頭短端，長度為0.8 m，右側為接頭長端，長度為1 m。

圖4 三相導體軸向溫度分布曲線Fig.4 Axial temperature distribution curves of three phase conductor

以A、C相導體中心連接線為基準線進行軸向剖分，以連接管中心面為基準面進行徑向剖分，得到模型的穩態溫度分布云圖如圖5—6所示。

圖5 接頭及本體軸向剖視溫度云圖Fig.5 Axial sectional temperature cloud diagram of cable joint and body

圖6 接頭中心處徑向剖視溫度云圖Fig.6 Radial sectional temperature cloud diagrams in center of cable joint

結合圖4—6可知：1)模型中A、B相導體承擔負載電流，因而溫度較高，C相導體由于不承擔負載電流，因此其溫度遠低于A、B相。由于連接管導體處存在接觸電阻，此處導體等效電導率低于其他部位導體，發熱現象比較嚴重，因此A、B相導體接頭連接管處出現三芯電纜接頭峰值溫度點，且溫度由導體連接管中心處沿軸向和徑向向附近擴散降低。由于A相和B相導體熱損耗相同，散熱環境相同，因此兩者溫度變化曲線幾乎重合。

2)雖然A、B相接頭導體溫度高于本體導體，但C相接頭導體溫度卻與本體導體相差無幾，原因在于C相本體導體緊鄰熱源，而接頭處C相導體與熱源間相隔具有一定厚度的硅橡膠和填充物，兩者相距較遠，接頭處C相導體受熱源影響較小，因此C相導體溫度曲線在接頭處出現波谷。C相導體峰值溫度點出現在接頭與本體相接處，此處C相接頭導體與熱源相距較近，而由于導熱系數比較低的鎧裝帶和防水膠帶的存在，其散熱環境較差，導體散熱較為困難，因而此處溫度較高。

2.2 接觸電阻的影響

由于電纜接頭制作現場并非是一成不變的，不同的施工隊伍、不同的安裝場合下完成的電纜接頭會有差別，不同的電纜接頭由于連接管處可能加載的機械強度或者壓力不同，導致接頭具有不同的接觸電阻，因而具有不同的接觸系數。為分析接觸電阻對溫度的影響，本文考慮無接觸電阻，即電纜接頭制作良好，連接管與導體緊密接觸，以及k=1、2、3、4、5等總共6種情況進行仿真。

仿真時其他條件保持不變，僅將連接管和與其相接觸的導體電導率依照式(1)和式(3)進行設置。由2.1節可知，A、B相導體溫度曲線重合，因此本節取A、C相導體溫度進行分析，導體軸向溫度分布曲線如圖7所示。

圖7 不同接觸電阻系數下導體軸向溫度分布曲線Fig.7 Axial temperature distribution curves of conductor under different contact resistance coefficients

由圖7可知：

1)對于A相導體，隨著接觸系數的增大，連接管及與其相連接的導體等效電阻率升高，熱損耗增加，因此接頭導體處的溫度逐漸升高，峰值溫度點從62.12 ℃上升到72.33 ℃，且峰值溫度點逐漸向零點處移動。

2)接觸電阻較大時，導體溫度從零點處向兩側逐漸減小，且減小幅度是邊際遞減的，即接觸電阻對接頭的影響大于對本體的影響。當接觸系數較小時，由于連接管導體處發熱并不是特別嚴重，且其所用材料為銅，具有良好的散熱性能，因此A相導體連接管處出現溫度波谷。由于接頭有長端和短端之分，因而連接管左右側溫度并不是完全對稱的，隨著接觸系數的增大，連接管處的熱損耗對整個接頭溫度的影響比重隨之加大，接頭長、短端溫度分布逐漸變得對稱。

3)對于C相導體，隨著接觸系數的增大，接頭溫度逐漸升高，峰值溫度點逐漸向零點處靠近，由于連接管具有良好的散熱性能，因而零點處溫度仍然較低。但零點處溫度上升速度是最快的，可以預知，當接觸系數增大到一定程度后，峰值溫度點將會出現在零點處。

2.3 空氣對流換熱系數的影響

電纜暴露于空氣中時，空氣中的風速、壓力等多種因素會影響對流換熱系數的大小，進而對電纜溫度產生一定的影響。為研究對流換熱系數對接頭溫度分布的影響，保持其他加載條件不變，考慮接觸系數k=4，同樣通入380 A電流，加載±10 kV直流電壓，設置空氣對流換熱系數h為7 W/(m2·K)、8 W/(m2·K)、9 W/(m2·K)、10 W/(m2·K)，得到4種對流換熱系數下的A、C相導體軸向溫度分布曲線如圖8所示。

圖8 不同對流換熱系數下導體軸向溫度分布曲線Fig.8 Axial temperature distribution curves of conductor under different convective heat transfer coefficients

由圖8可知：1)隨著對流換熱系數的增大，A、C相導體溫度曲線變化趨勢相同，溫度大小均有一定程度的下降，且溫度下降幅度逐漸減小，原因在于對流系數增大后，接頭表面與空氣進行交換的熱量增加，但增加的熱量逐漸趨于飽和。

2)以A相導體為例，h由7 W/(m2·K)變化到8 W/(m2·K)時，接頭處導體溫度最大變化為2.27 ℃，最小變化為2.15 ℃，本體處導體溫度變化約為2.4 ℃，即對流系數發生改變后，相對于接頭導體，本體導體溫度變化較為明顯。分析原因在于本體外表面與空氣溫差大于接頭外表面與空氣間的溫差，改變相同幅度的換熱系數后，本體表面與空氣交換熱量的增加值較大，因此本體導體溫度變化較大。

3 電場仿真與最大傳輸功率分析

3.1 接頭電場仿真

交流電纜接頭運行于直流電壓下時，XLPE絕緣層在直流電場的作用下容易積累空間電荷，空間電荷的積累會使絕緣層電場強度實際值達到理論計算的6～8倍[21]，過高的電場強度會縮短電纜使用壽命。由于交流電纜并非專門為直流電壓設計，因此一般將其長期運行溫度由交流下的不高于90 ℃改為直流下的70 ℃。實驗結果表明，當接頭運行溫度為70 ℃時，絕緣層空間電荷開始積累的場強閥值為3～5 MV/m。

為了抑制空間電荷的積累，應保證絕緣層電場強度不超過3～5 MV/m這一范圍。由于電纜實際運行中溫度受接觸電阻的影響，而溫度又會影響XLPE電導率，因此本節考慮接觸系數k=4，設置空氣對流換熱系數h為7 W/(m2·K)，限制導體峰值溫度為70 ℃，向A、B相導體通入380 A電流和幅值變化的電壓進行電纜接頭電場仿真。仿真得到10 kV時A相接頭軸向剖視電場強度分布如圖9所示。

圖9 接頭軸向剖視電場強度分布云圖Fig.9 Axial sectional electric field intensity distribution cloud of cable joint

由圖9可知，接頭場強主要分布在XLPE絕緣層、硅脂和硅橡膠上，由于硅橡膠較厚，而硅脂雖然較薄，但硅脂與導體間相隔有XLPE，因此承擔相同電壓時XLPE場強要高于硅橡膠和硅脂。場強峰值出現在XLPE內側，并沿半徑方向向外部逐漸降低，由于半導電材料高壓屏蔽管的存在，與連接管相接觸的絕緣層附近場強要低于其它部位絕緣層的場強。之后保持銅導體峰值溫度為70 ℃不變，改變導體所加直流電壓幅值，將加載不同電壓時的XLPE最大場強記錄在表2中。

表2 不同直流電壓時的最大電場強度Tab.2 Maximum electric field intensities under different DC voltages

由表2可知，當加載直流電壓為±10 kV時，接頭最大場強為2.64 MV/m，小于3 MV/m，且留有12%的裕度。當加載直流電壓為±17 kV時，最大場強為4.48 MV/m，小于5 MV/m，留有一定的安全裕度。因此，考慮安全性，雙極接線方式下合適的直流運行電壓大小為±10 kV～±17 kV。

3.2 線路最大傳輸功率分析

由3.1節仿真結果可知，考慮接觸電阻系數k=4時，交流電纜接頭改為直流雙極接線方式運行后的載流量為380 A，合適的直流運行電壓取值范圍為±10 kV～±17 kV，其線路最大傳輸功率計算公式為PDC=UDCIDC，式中UDC為直流運行電壓，IDC為直流載流量，計算得到不同直流電壓時線路最大傳輸功率如表3所示。

表3 不同直流電壓時的最大傳輸功率Tab.3 Maximum transfer powers under different DC voltages

4 結論

對于本文所選擇的型號為YJV22-8.7/10-3×240 mm2的交流電纜及配套三芯電纜接頭，將其改造為直流運行后，經過仿真分析，得到了以下結論。

1)不考慮接觸電阻時，接頭峰值溫度點出現在長端導體處，隨著接觸電阻的增大，峰值點逐漸向連接管中心處移動，接觸電阻足夠大時連接管中心處為峰值溫度點。

2)當其他條件保持不變時，隨著空氣對流換熱系數的增大，導體溫度逐漸降低，且對流系數對本體導體的影響要大于對接頭導體的影響。

3)考慮接觸系數k=4，交流配電電纜接頭改造為直流雙極接線運行后載流量由400 A下降為380 A，合適的直流運行電壓為±10 kV～±17 kV，最大傳輸功率約為改造前的1.22～2.07倍。