基于多物理场的防爆盒对10kV三芯电缆中间接头温升影响研究北大核心CSCD

中间接头是电缆温升严重的环节之一。为了研究防爆盒的使用是否会进一步加剧中间接头的温升,针对城市供配电系统中广泛应用的10 kV三芯电缆中间接头,采用有限元方法建立了三维多物理场仿真模型。分析了防爆盒对接头温升的影响过程、不同防爆盒体积下接头的温升规律、填充石英砂颗粒对接头的降温效果。研究表明:防爆盒内空气受热上浮造成电缆接头局部集中加热,会进一步加剧接头温升;防爆盒体积足够大时,内部形成空气流动通道有利于降低接头温度;防爆盒内填充石英砂颗粒时接头最高温度仅为55℃,比无防爆盒时下降9.5℃。将仿真结果和试验结果进行对比,相对误差在±10%以内,满足工程误差要求。研究结果可为防爆盒在10 kV三芯电缆中间接头的应用和选型提供参考。     

基于多物理场耦合的高压电缆接头防爆装置端头部位结构的优化设计

针对现有的高压电缆接头防爆装置在端头部位普遍存在的应力集中问题,利用电场、温度场、流场和位移场耦合的有限元仿真方法,对高压电缆接头防爆装置的端头部位弯曲弧度进行了优化设计。基于三层迭代算法得到防爆腔体内部不同时刻气体流速、压强分布和腔体内壁承受的应力值。对不同曲率半径的弧形端头内壁承受的压强和应力进行仿真计算,准确得出内部端头处各连接点的最大应力值,从而选取承受应力最均衡的优化弧度,有效加强了高压电缆接头防爆装置的保护作用,降低了高压电缆接头爆炸对电缆线路造成的二次破坏。     

防爆防火保护盒对电缆接头载流量的影响

随着电缆线路的广泛应用,因接头原因导致的故障和事故越来越多.在高压电缆接头处安装防爆防火保护盒,可有效降低电缆接头爆炸造成的危害.文章针对接头保护盒对载流量的影响情况,建立仿真模型,对比分析安装接头保护盒前后的载流量,并在实验室进行了试验验证.研究结果表明,安装铝镁合金防爆防火保护盒的接头载流量会降低４％左右,说明防爆防火保护盒对电缆线路载流量有一定影响,但影响不大。     

含防爆盒的三芯电缆中间接头散热性能及载流量研究

为了避免电缆遭受外力破坏,防止中间接头故障后蔓延至临近电缆,电缆中间接头需加装防爆盒,如此势必延长中间接头热传导的路径,影响其散热性能。为了进一步探究配电网三芯电缆中间接头加装防爆盒后的温度及载流特性,本文以20kV三芯电缆中间接头为例,建立考虑接触电阻的三芯电缆中间接头磁-热耦合模型,计算了289A电流下含防爆盒的中间接头温升,对比运行数据验证了仿真计算的准确性,然后进一步分析了防爆盒对中间接头载流量的影响规律。结果表明：防爆盒内的空腔会大大降低中间接头的散热性能,相比于电缆本体时,载流量约下降37.1%,而灌注环氧树脂ab胶后,可以大幅度增强中间接头的散热,相对于未灌胶时载流量提升近41.1%。研究结果可为防爆盒的设计及中间接头运维的制定提供参考,有益于电缆的安全稳定运行。     

高压电缆接头防火隔爆措施的有效性研究

为降低高压电缆故障引发的通道火灾、地铁停运、重要用户停电等影响，电力部门在电缆接头处大量安装了防火毯、防爆毯、防火槽盒等防护装置，但防护效果甚微。文中在分析高压电缆接头防火隔爆现状的基础上，以220 kV电缆接头为样本，测试了接头内主要材料的燃烧温度，并对目前常用的防火毯、防火板、防爆隔板进行了耐火性能的检测。文中通过电缆接头短路故障模拟试验校核了常用防火防爆措施的有效性，结果表明，目前常用的电缆接头防火措施均难以防范试验条件下的短路冲击和持续燃烧，现状高压电缆通道仍存在火灾和电缆群伤风险。在分析现有防护措施性能优劣的基础上，重新改进设计了防护方案，短路试验结果显示，脱离电缆接头的隔爆，单独做防火，难以控制电缆接头短路故障后的火灾风险；以隔板为基础制作的各类槽盒，无法隔离氧气进入且暂无有效的降温灭火措施，试验后电缆接头均会起火；以防火毯、防爆毯为基础的各种包裹，试验防护效果不稳定；预制式防火防爆接头保护盒通过泄压孔释放短路冲击，壳体内空气流通小，基本不会起火。     

高压电缆接头防爆保护装置的泄能孔优化设计方法

金属型高压防爆保护装置的泄能孔设计是实现其防爆功能的关键。本文提出了金属型高压电缆接头防爆保护装置泄能孔的设计原则和优化方法;通过热源等效和基于多物理场耦合的有限元计算方法,对保护装置内部发生短路电弧的爆炸时装置内部冲击过程进行仿真计算,并通过燃弧试验验证了仿真方法的准确性和可靠性。通过仿真计算出封闭设备泄压面积计算公式的关键参数,得到泄能孔开口尺寸的阈值;仿真了装置内部短路电弧爆炸时最大气压出现时刻以及该时刻下不同泄能孔尺寸所对应的保护装置内壁上的压强分布,得到保护装置内部最大压强与泄能孔开口尺寸的函数关系,进而得到保护装置的泄能孔最优开口尺寸。以35 kV电压等级为例,计算得到金属型保护装置的泄能孔尺寸为60 mm。该优化设计方法可为35 kV及以上电压等级的高压电缆接头保护装置的泄能孔设计和制造提供理论基础和设计方法。     

高频冲击电压对XLPE电缆介电响应特性的影响

目前城市中广泛使用的电缆在操作时会承受一定的过电压,在实际运行中常出现因操作过电压引起的电缆中间接头爆炸现象,严重影响了电力系统的安全稳定运行。为了研究操作过电压中的高频部分对电缆绝缘状态的影响,选取了典型型号电缆中间接头处的XLPE材料作为研究对象,并对其进行了切片处理。采用介电响应法对电缆老化后绝缘状态进行测试分析,并利用红外傅里叶光谱法(FTIR)对结果进行了验证。分析实验结果可知,XLPE材料在冲击老化过程中会促进交联剂DCP的分解,增加杂质粒子造成的界面,可能造成潜在的击穿通道。因此,在日常运行中应关注高频冲击电压对电缆中间接头绝缘状态的影响,加强技术监督措施,防止发生运行故障。     

三芯电缆接头温度场计算

电缆接头是电缆线路运行中的薄弱环节,接头的绝缘状态与接头内部的温度直接相关,研究三芯电缆接头内部温升具有重要意义。首先,建立了三芯电缆接头及本体的3维模型,根据接头不同部位的形状采用不同的剖分方式,并将不同形状的网格通过网格耦合进行连接。然后,在考虑接头接触电阻情况下研究了模型中电缆本体的长度对接头温度分布的影响,选择合适的电缆本体长度,并仿真了三芯电缆接头模型的稳态和暂态温度场。最后,在三芯电缆接头温升试验平台开展试验,比较了接头内部温度的测量值和仿真值,相对误差不超过9%。结果表明该文建立的三芯电缆接头模型计算结果准确,可满足工程应用需求。     

220 kV高压电缆接头短路电弧爆炸波能的测试及计算

高压电缆接头发生电弧故障时,电弧通道膨胀产生的爆炸冲击波是造成二次事故的直接原因,研究接头的短路电弧爆炸波能对高压电缆接头保护装置的结构设计和防爆性能检验至关重要。文中设计并实施了50 k A/200 ms大电流人工短路燃弧试验,实测了220 kV高压电缆接头保护装置泄能孔释放的爆炸冲击波超压值。建立了电缆接头及保护装置的热—流场短路电弧爆炸仿真模型,计算了不同热源能量时,从泄能孔释放的冲击波超压。通过对比相同条件下人工短路燃弧试验中的冲击波超压实测数值,得到了220 kV高压电缆接头短路电弧的爆炸波能。所得结果可为220 kV高压电缆接头保护装置的设计和检测提供理论依据。     

高压电缆接头保护盒结构设计与性能验证∗

电缆接头一直是电缆线路的薄弱环节,一旦发生故障,很容易发生爆炸甚至火灾事故,不仅造成本线路的停电,还可能对周边运行的电缆设备、电力设施及人员造成伤害。文章设计了一种使用铝镁合金的高压电缆接头防爆防火保护盒,当接头发生故障时,可有效阻止火势蔓延,大大降低电缆接头爆炸造成的危害。通过试验验证,该接头保护盒的防爆防火效果良好,安装防爆防火保护盒的接头载流量略有降低,但不影响运行,环保检测试验证明,铝镁合金保护盒壳体不会对环境造成危害。     

柔性电缆防爆盒结构分析及工程应用

电缆工程施工中,两段电缆连接施工后,常采用电缆防爆盒对电缆的中间接头做外部防护。目前施工通常采用直线扣合式普通电缆防爆盒,在电缆或接头发生弯曲变形的情况下,电缆防爆盒不能适应中间接头的形变,导致电缆防爆盒无法将中间接头做扣合安装,施工改用柔性电缆防爆盒技术方案,较好地实现了电缆防爆盒与中间接头弯曲变形的施工要求。柔性电缆防爆盒在结构上利用凸筋和凹槽间隙相配合的连接方式,实现电缆保护盒的弯曲变形和长度增减,既降低了施工难度,又方便了现场施工。     

一种新型电缆防火防爆盒的研制

综合分析了电缆线路运行现状、爆炸火灾的原因,研制了采用先进的新材料制作的电缆中间接头防火防爆盒,介绍了该产品的总体性能与具体功能最后通过短路试验验证了该产品防火防爆性能。     

基于有限元法的谐波作用对电缆及其接头的影响研究

现有关于电缆及其接头温度的研究大多按照基波情况考虑,大量非线性负载的使用使输电线路中的谐波含量显著增加,谐波对电缆及其接头附加损耗与温升的影响不容忽视。文中以64/110 kV单芯电缆及预制式电缆接头为例,建立了电缆及其接头的有限元仿真模型,基于电磁-热耦合法,分析了谐波含量与谐波次数对电缆及其接头的影响,并引入等效电流因数,实现多次谐波共存环境下对电缆发热损耗及温度的快速计算。仿真结果表明：谐波含量与谐波次数均会影响电缆的损耗及温度,谐波可能导致电缆接头在压接钳处形成过热点,加速绝缘老化;引入等效电流因数法在估算多次谐波共存环境下的电缆温度具有较高精度。该研究对谐波环境下电缆及其接头的设计、运行温度预测及热老化寿命评估提供了依据。     

考虑接触电阻下的电缆接头热点温度

电缆接头内部热点温升是电力电缆的重要问题,有必要研究接触电阻对热点温度的影响。首先,建立了电缆接头及电缆本体的2维轴对称模型。通过不同接触电阻等效模型下的温度场仿真对比,其热点温度相对误差不超过1%,从而确定了接触电阻的等效模型。然后,分别对有无接触电阻的模型进行温度场仿真分析,其热点温度相对误差达10.2%,确定了考虑接触电阻的必要性。最后,在电缆接头温升试验平台进行了试验,比较了测量数据与有限元仿真数据,其热点温度相对误差不超过7%,可以满足工程应用的需要。     

高压电缆接头温度场分布的仿真计算

温度是制约电缆接头载流能力的直接因素,研究接头的温度场分布对实现接头载流能力的准确评估至关重要。论文建立了接头的二维轴向仿真模型,对不同负荷下接头进行温度场仿真分析,并设计了高压电缆接头稳态温升实验,实测了不同负荷下的接头稳态温度分布。最后,应用接头二维轴向仿真模型研究了环境温度、对流换热系数、主绝缘件和保护壳填充胶导热系数变化对接头稳态温度分布的影响,进而提出了电缆全线载流量的提升策略。实验和仿真结果对比表明,不同负荷下接头二维轴向仿真模型对接头导体温度的计算误差绝对值不超过10%。因此,采用接头二维轴向仿真模型计算接头温度场分布能够满足工程应用的需求。     

高压电缆中间接头轴向传热的实验研究

高压电缆接头加载电流达到稳态时,电缆接头及附近本体导体沿轴向存在温度分布梯度,载荷能力和玻璃钢保护壳的引入对此温度分布存在影响。为研究载荷能力和玻璃钢保护壳的引入对电缆接头轴向传热过程的影响,建立了电缆接头的简化热路模型,分析了接头内部的热传递特点,并搭建了高压电缆接头温升实验平台,分别完成了引入玻璃钢保护壳前后电缆接头不同载荷水平下的稳态温升试验。实验结果表明,玻璃钢保护壳的引入降低了电缆接头主体内导体温度沿轴向的下降速度;当电缆接头运行在更高的负荷下时,电缆接头整体温度和轴向温差均增大,接头主体部分的导体温度变化率也随之增大,且附近本体导体温度沿轴向波动更加明显。玻璃钢保护壳的引入和载荷水平的提高均增大了接头轴向传热对电缆本体导体沿轴向的温度分布的影响程度和影响范围。     

弹簧收缩泄能方式的220 kV电缆接头保护装置的防爆设计和测试

玻璃钢无法满足220 kV电缆接头短路爆炸的防爆要求，而铝镁合金防爆装置的直接开孔泄能方法不能防水防潮，无法控制爆炸时喷溅物溅出。文中提出了220 k V电缆接头铝镁合金保护装置的弹簧收缩泄能方式，即在泄能孔加上盖板，由弹簧拉紧，接头短路爆炸时弹簧动作、泄能。通过分析弹簧收缩泄能方式的原理，给出了其设计方法和关键部位的设计原则。利用温度场、流场和位移场耦合的有限元计算方法，确定了泄能孔开口半径最宜为80 mm；得到了弹簧的弹性系数为7.56×10⁴N∕m。以最大应力值小于5系铝镁合金材料的断裂应力为判据，确定了防爆装置的最佳匹配壁厚为8 mm。通过等效电弧能量的110 g 8701炸药的爆破试验证明了设计的可靠性。弹簧收缩泄能方式的保护装置具有防水防潮性能，可进一步降低短路爆炸时喷溅物造成的二次伤害，为输电电缆接头保护装置的防爆设计提供了理论依据和方法指导。     

高温对交联聚乙烯电缆/硅橡胶预制件接头界面压力影响的仿真研究

高压电缆接头与电缆主绝缘间的握紧力是确保输电线路安全运行的关键。实际电缆及附件运行中的温升可能导致界面压力变化,但由于接头与电缆过盈配合,面压测量困难,难以实时检测面压和判断老化情况。针对电缆附件用硅橡胶绝缘,通过实际测量电缆绝缘交联聚乙烯及附件硅橡胶料在不同温度下的弹性模量值,基于塑性力学理论,利用ANSYS软件建立10 kV电缆接头三维仿真模型,分析了温度变化对电缆接头界面压力的影响。     

110 kV电缆中间接头的开/合闸过电压仿真

110 kV电缆线路近年发生过多起断路器跳闸检修后在再次合闸送电时电缆接头爆炸的事故,为寻找接头故障原因,研究了电缆中间接头在断路器开合闸过程中的过电压特性。首先建立中间接头的RLC等效模型,在PSCAD软件中搭建含有中间接头的电缆线路模型,分析开合闸相角、电缆长度和接头数量对接头过电压的影响,找出过电压最严重的接头;再利用ANSYS软件仿真过电压最严重的接头内部电场分布情况。仿真结果表明:B、C相线路60%～75%处的接头过电压较为严重;且开合闸过程中接头屏蔽层的电压含有超过40 kHz的高频分量;接头内部硅橡胶与交联聚乙烯界面场强最大值和高压屏蔽管端部场强最大值均比没有过电压时增加1倍,界面场强最大值超过了安全阈值。在断路器跳闸后合闸送电的过程中,断路器的不同期合闸使得接头承受多次过电压造成的复合界面和高压屏蔽管端部场强的突增以及屏蔽层的高频振荡,容易引发接头故障。     

110 kV电缆中间接头的合闸过电压仿真研究

近年来发生多起110 kV电缆中间接头在断路器合闸时爆炸的事故。为研究110 kV电缆接头在断路器合闸送电时的过电压特性,首先建立了电缆中间接头的RLC等效模型;然后在PSCAD软件中搭建含有中间接头的电缆线路模型,分析合闸相角、电缆长度、接头数量对接头过电压的影响,找出过电压最严重的接头;再利用Ansys软件仿真过电压情况最严重的接头内部电场分布。结果表明:B相线路60%～90%处的接头过电压最严重;合闸过程中接头屏蔽层的电压含有超过40 kHz的高频分量;过电压最严重的接头内部硅橡胶与交联聚乙烯界面场强最大值和高压屏蔽管端部场强最大值均比没有过电压时增加1倍,界面场强最大值超过了安全阈值;且断路器的不同期合闸使得接头承受多次过电压造成的复合界面和高压屏蔽管端部场强的突增以及屏蔽层的高频振荡,容易引发接头故障。