基于电-热场联合分析的EPR中压电缆终端异常热点仿真分析及优化
发布时间：2021-03-18 18:02
25 kV乙丙橡胶（EPR）中压电缆终端因其自身的结构特性,内部电-热场分布不均,局部易出现异常畸变热点问题,而在安装电缆终端时出现的划伤缺陷加大了问题的严重程度,加速缺陷周围绝缘材料的老化,大幅降低了绝缘性能。为解决该问题,提出了一种电导率与电场、温度相关的非线性应力管材料,采用COMSOL仿真方法对比研究了使用高介质材料与非线性材料制作应力管时电缆终端内部的电-热场分布。结果表明,经优化后电缆终端的电-热场分布畸变程度能得到有效缓解;对于存在划伤缺陷的情况,优化后的电缆终端的电-热场畸变程度低于其出现击穿现象的阈值,表明其能够在缺陷情况下相对安全运行。同时采用热成像仪现场测试电缆终端温度分布,结果验证了经优化后电缆终端表面异常发热情况的改善效果。
【文章来源】：电力自动化设备. 2020,40(07)北大核心
【文章页数】：14 页
【部分图文】：
正常运行状态下2类电缆终端沿轴向的电场分布
EPR电缆终端在安装过程中，需将外半导体层以外的材料截断，由半导电体与绝缘层经挤出制成，且半导电层厚度较薄，因此在进行截断操作时，易使主绝缘划伤，导致划伤处出现气隙缺陷。本文为模拟电缆终端内划伤缺陷，在半导电层截断处的主绝缘表面设置了长5 mm、宽1 mm、深0.5 mm的长方体气隙；同时考虑热缩时由于截断处的结构特性，应力管不易完全贴合导致易存在气隙的问题，在截断处与应力管之间设置了长5 mm、宽1 mm、高0.5 mm的三角形气隙，按照式（12）计算缺陷处的产热[18]。其中，σd为缺陷处电导率；S为缺陷处截面积；d为缺陷处长度。
主绝缘划伤状态下高介质材料型电缆终端和非线性材料型电缆终端的温度分布见附录B中的图B4。由图B4(a）可见：电缆终端内部含划伤缺陷时，划伤缺陷处内部最高温度可达47.81℃；缺陷温度提高了5℃，缆芯温度提高了0.1℃；划伤缺陷处的温度分布如图B4(a）中的局部放大图所示，在划伤缺陷附近，电缆终端内部的平均温度为47℃，在高温度、高场强的作用下，绝缘材料的碳化速度加快，导致缺陷程度进一步加深，最终造成电缆终端的击穿灼烧。由图B4(b）可见：使用非线性材料型应力管后，缺陷处的温度由47.81℃降低至43.83℃，这说明非线性材料型应力管可有效降低电缆终端内部，特别是缺陷处的温度。另外，由图B4可知，不管使用何种材料，含缺陷情况下电缆终端表面温度的最大值均出现在划伤缺陷所对应的表面位置。作轴向坐标x=202 mm、径向坐标y∈[0,35]mm的截线，绘制该截线上温度随径向长度变化的分布曲线如图4所示。由图可知，主绝缘划伤情况下，高介质材料型电缆终端表面的最高温度为26.19℃，比正常情况下的电缆终端表面的最高温度25.54℃高出了0.65℃，相差超过0.5℃[19]，这说明已形成严重的绝缘缺陷；使用非线性材料型应力管后，电缆终端表面的最高温度为25.66℃，比正常情况下非线性材料型电缆终端表面的最高温度高0.37℃，温度差未超过0.5℃，这说明异常热点现象得到显著改善后，电缆终端能在含划伤缺陷的情况下相对安全地运行。
【参考文献】：
期刊论文
[1]低温下应力管界面对车载电缆终端局部放电的影响[J]. 周利军,朱少波,白龙雷,刘源,朱琳,郭蕾. 高电压技术. 2019(04)
[2]高压电缆接头温度场分布的仿真计算[J]. 刘刚,王鹏宇,毛健琨,刘立夫,刘毅刚. 高电压技术. 2018(11)
[3]电气化铁路新型电缆供电方案[J]. 周婷,解绍锋. 电力自动化设备. 2018(07)
[4]硅橡胶电导特性对XLPE绝缘高压直流电缆终端电场分布的影响[J]. 韩宝忠,傅明利,李春阳,赵洪,侯帅,李忠华. 高电压技术. 2014(09)
[5]工频叠加谐波电压下中压电缆终端内绝缘过热点分析[J]. 周凯,熊庆,陶霰韬,李旭涛,赵威. 电力自动化设备. 2013(03)
[6]10kV交联聚乙烯电缆终端主绝缘含空气气隙缺陷试验[J]. 刘刚,陈志娟. 高电压技术. 2012(03)
[7]电缆沟敷设方式下电缆载流量计算及其影响因素分析[J]. 王有元,陈仁刚,陈伟根,袁园. 电力自动化设备. 2010(11)
[8]纳米ZnO/低密度聚乙烯复合材料的介电特性[J]. 王霞,成霞,陈少卿,郑晓泉,屠德民. 中国电机工程学报. 2008(19)
硕士论文
[1]基于电—热场仿真和红外检测的瓷套式电缆终端局部异常发热研究[D]. 徐涛.华南理工大学 2016
[2]天津CX供电公司35kV电力电缆故障与防治措施[D]. 程子华.天津大学 2016
本文编号：3088696
【文章来源】：电力自动化设备. 2020,40(07)北大核心
【文章页数】：14 页
【部分图文】：
正常运行状态下2类电缆终端沿轴向的电场分布
EPR电缆终端在安装过程中，需将外半导体层以外的材料截断，由半导电体与绝缘层经挤出制成，且半导电层厚度较薄，因此在进行截断操作时，易使主绝缘划伤，导致划伤处出现气隙缺陷。本文为模拟电缆终端内划伤缺陷，在半导电层截断处的主绝缘表面设置了长5 mm、宽1 mm、深0.5 mm的长方体气隙；同时考虑热缩时由于截断处的结构特性，应力管不易完全贴合导致易存在气隙的问题，在截断处与应力管之间设置了长5 mm、宽1 mm、高0.5 mm的三角形气隙，按照式（12）计算缺陷处的产热[18]。其中，σd为缺陷处电导率；S为缺陷处截面积；d为缺陷处长度。
主绝缘划伤状态下高介质材料型电缆终端和非线性材料型电缆终端的温度分布见附录B中的图B4。由图B4(a）可见：电缆终端内部含划伤缺陷时，划伤缺陷处内部最高温度可达47.81℃；缺陷温度提高了5℃，缆芯温度提高了0.1℃；划伤缺陷处的温度分布如图B4(a）中的局部放大图所示，在划伤缺陷附近，电缆终端内部的平均温度为47℃，在高温度、高场强的作用下，绝缘材料的碳化速度加快，导致缺陷程度进一步加深，最终造成电缆终端的击穿灼烧。由图B4(b）可见：使用非线性材料型应力管后，缺陷处的温度由47.81℃降低至43.83℃，这说明非线性材料型应力管可有效降低电缆终端内部，特别是缺陷处的温度。另外，由图B4可知，不管使用何种材料，含缺陷情况下电缆终端表面温度的最大值均出现在划伤缺陷所对应的表面位置。作轴向坐标x=202 mm、径向坐标y∈[0,35]mm的截线，绘制该截线上温度随径向长度变化的分布曲线如图4所示。由图可知，主绝缘划伤情况下，高介质材料型电缆终端表面的最高温度为26.19℃，比正常情况下的电缆终端表面的最高温度25.54℃高出了0.65℃，相差超过0.5℃[19]，这说明已形成严重的绝缘缺陷；使用非线性材料型应力管后，电缆终端表面的最高温度为25.66℃，比正常情况下非线性材料型电缆终端表面的最高温度高0.37℃，温度差未超过0.5℃，这说明异常热点现象得到显著改善后，电缆终端能在含划伤缺陷的情况下相对安全地运行。
【参考文献】：
期刊论文
[1]低温下应力管界面对车载电缆终端局部放电的影响[J]. 周利军,朱少波,白龙雷,刘源,朱琳,郭蕾. 高电压技术. 2019(04)
[2]高压电缆接头温度场分布的仿真计算[J]. 刘刚,王鹏宇,毛健琨,刘立夫,刘毅刚. 高电压技术. 2018(11)
[3]电气化铁路新型电缆供电方案[J]. 周婷,解绍锋. 电力自动化设备. 2018(07)
[4]硅橡胶电导特性对XLPE绝缘高压直流电缆终端电场分布的影响[J]. 韩宝忠,傅明利,李春阳,赵洪,侯帅,李忠华. 高电压技术. 2014(09)
[5]工频叠加谐波电压下中压电缆终端内绝缘过热点分析[J]. 周凯,熊庆,陶霰韬,李旭涛,赵威. 电力自动化设备. 2013(03)
[6]10kV交联聚乙烯电缆终端主绝缘含空气气隙缺陷试验[J]. 刘刚,陈志娟. 高电压技术. 2012(03)
[7]电缆沟敷设方式下电缆载流量计算及其影响因素分析[J]. 王有元,陈仁刚,陈伟根,袁园. 电力自动化设备. 2010(11)
[8]纳米ZnO/低密度聚乙烯复合材料的介电特性[J]. 王霞,成霞,陈少卿,郑晓泉,屠德民. 中国电机工程学报. 2008(19)
硕士论文
[1]基于电—热场仿真和红外检测的瓷套式电缆终端局部异常发热研究[D]. 徐涛.华南理工大学 2016
[2]天津CX供电公司35kV电力电缆故障与防治措施[D]. 程子华.天津大学 2016
本文编号：3088696
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