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高壓輸電電纜作為城市能源輸送的重要通道，在電力系統(tǒng)中起著不可或缺的作用，一旦出現(xiàn)故障，會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)損失。電纜在輸送電力時(shí)會(huì)因?qū)w損耗而發(fā)熱，現(xiàn)在普遍使用的交聯(lián)聚乙烯（Cross-Linked Polyethylene, XLPE）絕緣電纜對(duì)導(dǎo)體運(yùn)行溫度有嚴(yán)格要求，為了保證絕緣壽命，電纜長期工作溫度不能高于90℃。

在電纜的實(shí)際敷設(shè)過程中，需要用夾具固定電纜，使用不同材料的夾具會(huì)對(duì)夾持部分電纜的內(nèi)部溫度分布產(chǎn)生影響，選擇或使用不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致電纜內(nèi)部溫升上升嚴(yán)重，成為電纜載流量的瓶頸。目前，國內(nèi)外學(xué)者都對(duì)高壓電纜進(jìn)行了電熱有限元建模研究，但還沒有研究電纜夾具對(duì)電纜載流量、熱時(shí)間常數(shù)和纜體熱分布的影響。

為了獲得夾具對(duì)纜體熱學(xué)特性的影響，華北電力大學(xué)等單位的研究人員以典型220kV交流單芯交聯(lián)聚乙烯（XLPE）絕緣電纜為對(duì)象進(jìn)行電熱耦合有限元分析。按照國內(nèi)某市電纜的實(shí)際敷設(shè)情況，建立電纜在五種不同材料夾具下的二維和三維電熱耦合有限元模型，通過穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)熱力學(xué)計(jì)算，獲得電纜在不同夾具下的載流量和熱時(shí)間常數(shù)；通過計(jì)算不同夾具材料和間隔下的電纜溫度，得到導(dǎo)體溫度在徑向和軸向的分布規(guī)律，并獲得夾具材料和間隔距離與電纜導(dǎo)體溫度的關(guān)系函數(shù)。

圖1 工程現(xiàn)場(chǎng)照片

研究結(jié)果表明：

1）鋁合金、復(fù)合材料和玻璃鋼這些熱導(dǎo)率高于0.5W/(m?℃)的材料制成的夾具能提高電纜的載流量，阻燃尼龍、膠木等熱導(dǎo)率低于0.5W/(m?℃)的材料制成的夾具會(huì)降低電纜的載流量；載流量的變化和材料熱導(dǎo)率成同相單調(diào)關(guān)系。

2）電纜熱時(shí)間常數(shù)與環(huán)境溫度無關(guān)，只決定于電纜的熱阻和熱容，夾具對(duì)該參數(shù)有影響，夾具材料的熱導(dǎo)率越低，電纜的熱時(shí)間常數(shù)越大，越不能快速散熱。

3）夾具的間距和熱導(dǎo)率對(duì)導(dǎo)體溫度有影響，在一定負(fù)荷電流下，夾具間距越小，熱導(dǎo)率越小，夾具內(nèi)導(dǎo)體溫度越高；存在一個(gè)距離臨界值，當(dāng)夾具間距小于0.2m，熱導(dǎo)率小于0.5W/(m?℃)時(shí)，導(dǎo)體溫度會(huì)大幅上升，工程中應(yīng)盡量選取熱導(dǎo)率較好的夾具，并使夾具間距大于0.2m；若間距確需小于0.2m，應(yīng)選用熱導(dǎo)率大于0.5W/(m2?℃)的夾具。

研究人員指出，夾具的材料和間隔距離對(duì)電纜的載流量和熱時(shí)間常數(shù)都有影響，夾具的熱導(dǎo)率和間隔距離都存在一個(gè)臨界值，在該值兩側(cè)導(dǎo)體溫度變化存在較大差異。該科研成果可為電纜的施工和運(yùn)維提供理論和數(shù)據(jù)支持。

本文編自2022年第1期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“夾具對(duì)高壓絕緣電纜熱學(xué)特性影響的有限元分析”，作者為呂安強(qiáng)、李靜 等。