夹具对高压绝缘电缆的热学特性有何影响？华电学者发布研究成果

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夹具是已敷设高压绝缘电缆线路中的必备组件，为了获得夹具对缆体热学特性的影响，华北电力大学电子与通信工程系、华北电力大学河北省电力物联网技术重点实验室、华北电力大学计算机系、中国电力科学研究院有限公司、国网浙江省电力有限公司舟山供电公司的研究人员吕安强、李静、张振鹏、宋贺、林晓波，在2022年第1期《电工技术学报》上撰文，以220kV交流单芯XLPE绝缘电缆为研究对象，针对不同夹具材料分别进行了电缆电热有限元建模和求解，分析了不同夹具对电缆载流量、热时间常数和缆体温度分布的影响。研究发现，不同材料的夹具对电缆的热特性有影响，夹具材料和间距选择不合适会影响电缆的绝缘寿命。本研究成果为充实IEC 60287载流量计算方法、城市大容量输电线路敷设施工与设计提供了参考。

高压输电电缆作为城市能源输送的重要通道，在电力系统中起着不可或缺的作用，一旦出现故障，会导致严重的社会和经济损失。电缆在输送电力时会因导体损耗而发热，现在普遍使用的交联聚乙烯（Cross-Linked Polyethylene, XLPE）绝缘电缆对导体运行温度有严格要求，为了保证绝缘寿命，电缆长期工作温度不能高于90℃。

在电缆的实际敷设过程中，需要用夹具固定电缆，使用不同材料的夹具会对夹持部分电缆的内部温度分布产生影响，选择或使用不当会导致电缆内部温升上升严重，成为电缆载流量的瓶颈。目前，国内外学者都对高压电缆进行了电热有限元建模研究，但还没有研究电缆夹具对电缆载流量、热时间常数和缆体热分布的影响。

为了获得夹具对缆体热学特性的影响，华北电力大学等单位的研究人员以典型220kV交流单芯交联聚乙烯（XLPE）绝缘电缆为对象进行电热耦合有限元分析。按照国内某市电缆的实际敷设情况，建立电缆在五种不同材料夹具下的二维和三维电热耦合有限元模型，通过稳态和暂态热力学计算，获得电缆在不同夹具下的载流量和热时间常数；通过计算不同夹具材料和间隔下的电缆温度，得到导体温度在径向和轴向的分布规律，并获得夹具材料和间隔距离与电缆导体温度的关系函数。

图1 工程现场照片

研究结果表明：

1）铝合金、复合材料和玻璃钢这些热导率高于0.5W/(m•℃)的材料制成的夹具能提高电缆的载流量，阻燃尼龙、胶木等热导率低于0.5W/(m•℃)的材料制成的夹具会降低电缆的载流量；载流量的变化和材料热导率成同相单调关系。

2）电缆热时间常数与环境温度无关，只决定于电缆的热阻和热容，夹具对该参数有影响，夹具材料的热导率越低，电缆的热时间常数越大，越不能快速散热。

3）夹具的间距和热导率对导体温度有影响，在一定负荷电流下，夹具间距越小，热导率越小，夹具内导体温度越高；存在一个距离临界值，当夹具间距小于0.2m，热导率小于0.5W/(m•℃)时，导体温度会大幅上升，工程中应尽量选取热导率较好的夹具，并使夹具间距大于0.2m；若间距确需小于0.2m，应选用热导率大于0.5W/(m2•℃)的夹具。

研究人员指出，夹具的材料和间隔距离对电缆的载流量和热时间常数都有影响，夹具的热导率和间隔距离都存在一个临界值，在该值两侧导体温度变化存在较大差异。该科研成果可为电缆的施工和运维提供理论和数据支持。

本文编自2022年第1期《电工技术学报》，论文标题为“夹具对高压绝缘电缆热学特性影响的有限元分析”，作者为吕安强、李静 等。

下载论文PDF版，请点击左下角“阅读原文”，访问期刊网站。

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