T 型電纜接頭溫度場仿真分析

衛世超，孟曉凱，蘆竹茂

（國網山西省電力公司電力科學研究院，太原 030002）

近年來，城市的電力系統建設取得長足發展，電力電纜因其本身性能的優越性，可以有效控制線路走廊寬度，減少對城市市容的影響，目前已經在10 kV 配網中廣泛地使用[1-3]。隨著電力電纜線路使用范圍的迅猛增長，電纜附件的使用也不斷增多，電纜接頭故障問題也相應增長，對電網安全穩定運行的要求也造成了威脅[4-7]。電力電纜一旦發生故障，排查與檢修都比架空線路困難，需要投入大量人力、物力、財力，檢修和排查不僅任務繁重，還會消耗大量的資源。而通過對全國主要城市電力電纜運行故障率進行調研，我們發現，在電力電纜投入運行的25 年中，故障率最高的一直是電力電纜附件[8-11]。電纜線路發生的故障，很大一部分是因為電纜接頭發生故障。電纜接頭失效的原因很多，比如電纜接頭在安裝過程中經常因施工的問題出現缺陷，或者受到外力的破壞、工作溫度過高且散熱環境惡劣[12-13]。因此，研究電纜接頭的發熱機理和發熱條件，仿真并模擬計算電纜接頭正常情況下的溫度分布，對提高電纜線路的安全運行具有重要意義。

1 T 型電纜接頭建模

1.1 電纜接頭結構及分類

在鋪設電纜后，為了使其成為連續的線，必須將每個線段作為一個整體進行連接，這些連接點就稱之為電纜接頭。根據接頭在電纜線路中的具體位置以及其本身結構，將電纜接頭分為中間接頭和終端接頭；根據安裝材料的區別，則可把電纜接頭分為熱縮式接頭、干包式接頭和冷縮式接頭；按線芯材料可分為銅芯電力電纜頭和鋁芯電力電纜頭[1]。

本文研究的對象是10 kV 配網電纜線路的T 型接頭，該接頭是用于開閉所敷設的電纜終端頭。T 型接頭的一般包括導電桿、壓接端子、應力錐和T 型護套。金屬導電桿通過壓接端子與電纜導體連接，T 型護套是由半導體內管、接頭絕緣層和外半導體層組成的預制整體絕緣護套[2]。半導電內芯管和外半導體層由半導體材料制成，而接頭主絕緣層則一般由硅橡膠材料制成。接頭具體結構如圖1 所示。

圖1 電纜T 型接頭結構

1.2 電纜接頭的幾何建模

本文選擇的10 kV 線路T 型接頭如圖2 所示，對其尺寸進行了準確測量，其尺寸參數和材料特性參數見表1。

表1 T 型電纜接頭尺寸及材料參數

圖2 T 型接頭實際圖

運用SolidWorks 軟件，把T 型電纜接頭分為導電桿、接頭主絕緣層、電纜絕緣層、絕緣子和應力錐等零散部件，并單獨建模。最終把各零件裝配整合為一個完整的T 型電纜接頭，如圖3 所示。其內部結構如圖4 所示。

圖4 T 型接頭內部結構

2 傳熱學原理與邊界條件

2.1 溫度場傳熱學原理

電纜接頭產生的熱量主要來自絕緣結構的導體損耗和介電損耗。這種熱量通過換熱過程不斷傳遞，最終達到熱平衡狀態，形成電纜接頭的溫度場[3-4]。

2.2 邊界條件

首先，為了精確求解電纜接頭的導熱控制方程，需要設定邊界條件。分析溫度分布的基礎是傳熱學理論[10]，而解決溫度場問題時，關鍵的邊界條件可以歸類為以下3 種。

1）溫度場邊界的邊界條件是指在邊界上的溫度保持恒定值，即給定邊界溫度。具體表達式為

式中：Γ 為溫度場求解域邊界；T0為已知的邊界溫度值。

2）邊界條件是在已知溫度場邊界上的法向熱流密度。在穩態溫度場中，熱流密度保持不變，而在絕熱邊界上，法向熱流密度為0。

式中：λ 為導熱系數；q為法向熱流密度。

3）邊界條件適用于氣體與固體相交的熱傳遞情況。具體表現為已知在邊界上流體的溫度以及對流換熱的情況。這個情況可以用式（3）表示

式中：h為對流換熱系數；Tf為流體溫度值。

3 T 型接頭溫度場仿真分析

根據電力電纜的傳熱學原理可知，接頭的溫度場形成，是受導體與絕緣介質的損耗產生的熱量以及復雜的散熱過程所影響的。因此，為了對接頭溫度場的分布規律有更準確的了解，對T 型接頭的溫度場分布情況的仿真分析是十分必要的。基于傳熱學基本原理和接頭的數學模型，使用有限元軟件ANSYS Workbench16.0 對電纜接頭進行溫度場的仿真分析。通過分析仿真結果，得到接頭溫度場的分布規律之后，可以根據這些規律，在接頭表面合適的位置布置溫度傳感器[11]，更加準確地實時監控溫度，掌握故障情況。

3.1 仿真模型建立

T 型電纜接頭是開關柜中的重要設備。在實際工程中，接頭由一體T 型絕緣護套包裹，并采用復雜的非對稱結構，內部包含應力錐、壓接端子等導體連接部件。本文根據測量得到的電纜接頭尺寸，運用SolidWorks 軟件建立了T 型接頭的三維模型，圖5 展示了該模型的內部和外部結構。T 型接頭各部分尺寸及材料屬性參數見表1。

圖5 T 型電纜接頭仿真幾何模型

3.2 網格劃分及負載和邊界條件設置

ANSYS Workbench 支持的網格劃分方法有很多種。其中，四面體網格可以適應幾乎所有形狀的幾何體，并且能夠自動細化網格，相比六面體網格具有突出優點。因此本文采用四面體網格[12]。電纜接頭各部件實際厚度有較大差異，為了達到計算精度和計算量的平衡，結構厚度較小，各部分接觸位置，運用網格尺寸小，網格數量大，保證計算精度;在大型結構中，網格尺寸劃分需要更大。這樣可以確保求解精度不會明顯下降，同時最大限度地減少計算并節省計算時間。本文中的節點數為379 792，最終單元數量為223 406。網格劃分具體結果如圖6 所示。

圖6 模型網格劃分

T 型電纜接頭的溫度場是通過電熱耦合來模擬的，即當接頭通過電流時，會產生導體和絕緣介質的損耗熱，并與外界環境進行熱交換，達到熱平衡狀態。因此，在分析求解過程中，需要設置電學類負載和傳熱學邊界條件[13]。

在設置電學類負載時，將電流施加在T 型接頭導體的其中一端截面上，將電壓施加于另一端截面，形成一個軸向的電流通路。通過焦耳效應，導體與絕緣介質產生損耗，發出熱量。接頭的邊界包括接頭表面、電纜本體表面和兩端的電纜本體橫截面。通常情況下，T 型接頭被安裝在電纜溝中，電纜接頭表面和電纜外表面直接暴露在空氣中，屬于氣體和固體的相交邊界。因此，根據第二章節中所述的第三種邊界條件，我們需要設置空氣對流換熱系數和空氣溫度。對于電纜橫截面，當發熱與散熱達到平衡后，電纜本身沿軸向短距離熱流密度為0，幾乎沒有傳熱現象，由此，我們選擇采用上述第二種熱絕緣邊界條件。圖7 展示了電纜接頭的邊界條件和負載的一種設置情況。

圖7 負載及邊界條件設置

3.3 仿真結果及分析

施加負載電流550 A 于T 型接頭一端，并將環境溫度設定為40 ℃。由于接頭位置位于開關柜內，屬于封閉式結構，并且接頭表面與空氣直接接觸，因此，設置的邊界條件與電纜中間接頭相同，將T 型接頭與空氣接觸的表面空氣對流換熱系數設置為10 W/（m2·K），通過溫度場仿真分析，得到接頭表面溫度分布以及內部溫度分布的結果。具體分布如圖8 和圖9 所示。

圖8 接頭表面溫度分布

圖9 接頭內部溫度分布

根據圖8 顯示，可以發現T 型接頭的外表面溫度分布不均勻，最高溫度出現在電纜本體導體區域，相比周圍區域，這些地方的溫度平均高出約10 ℃。與此相反，接頭半導電內芯管處的外表面溫度相對較低。

根據圖9 的結果顯示，接頭內部的溫度分布存在明顯的差異，電纜本體導體和導電桿的溫度相對較高，在徑向上溫度逐漸降低，其中導電桿的溫度高于電纜本體導體的溫度，在電纜本體的末端出現最高溫。整體上，接頭的徑向溫度呈下降趨勢，但不同的徑向截面之間溫度場差異較大。由于導電桿包裹的絕緣材料導熱率較高，導電桿附近的截面在徑向上有較小的溫度梯度，內外溫度差約為10 ℃。而接頭壓接端子及導線本體末端處的截面在徑向上的溫度梯度明顯，導體與外表面的最大溫度差超過40 ℃。

根據圖8 和圖9 所展示的T 型電纜接頭的溫度場仿真結果，可以觀察到電纜本體連接區域溫度最高。這一結果能夠最好地反映接頭內部導體和絕緣層的溫度狀態。因此，在故障監測時，應該在電纜本體連接處安裝溫度傳感器，以更準確地監測接頭的運行溫度。

4 結論

本文利用SolidWorks 軟件對T 型接頭進行幾何模型構建，并對具體的參數進行設置。建立了電纜接頭溫度場的數學模型，在此基礎上，利用ANSYS Workbench 軟件對電纜接頭溫度場進行仿真計算。由仿真結果可知，T 型接頭的外表面接頭末端溫度最高，選擇該處作為溫度傳感器的參考布置點，可以更加準確地監測接頭實時運行溫度。