基于表面溫度場的電纜老化紅外診斷研究

韓忠輝，楊寶東，楊博盛

(解放軍91404部隊，秦皇島 066001)

基于表面溫度場的電纜老化紅外診斷研究

韓忠輝，楊寶東，楊博盛

(解放軍91404部隊，秦皇島 066001)

摘要：利用軟件Ansys9.0計算電纜發(fā)生整體和局部老化后線芯和外表面的溫度分布，并通過實驗對所建立的三維模型進(jìn)行了檢驗。通過計算發(fā)現(xiàn)電纜整體老化后外表面溫度場基本沒有變化，電纜發(fā)生局部老化后，外表面溫度最高的位置出現(xiàn)在老化段兩端，線芯溫度的最高位置出現(xiàn)在老化段的中間位置，而且外表面和線芯不同位置最大溫度差隨老化程度的加劇而逐漸增大。研究結(jié)果表明通過監(jiān)測電纜外表面溫度分布的變化，完全可以實現(xiàn)對電纜局部老化故障的紅外檢測。

關(guān)鍵詞：電纜；老化；紅外診斷

0引言

電力電纜在正常的使用環(huán)境下一般不容易損壞，使用壽命很長，但在艦船上由于艙室內(nèi)高溫、高濕環(huán)境和劇烈機(jī)械振動等原因的存在，電纜容易出現(xiàn)腐蝕、老化開裂等故障，并由此引發(fā)各種事故。目前還沒有有效的電纜老化故障的在線診斷方法，因此研究一種非接觸的通過表面溫度場變化對電纜老化故障進(jìn)行診斷的方法顯得尤為必要。

文獻(xiàn)[1]提出了一種基于電纜表面溫度場的對電纜線芯溫度進(jìn)行在線診斷的方法，文獻(xiàn)[2]提出通過紅外熱像儀測量表面溫度分布在線檢測與診斷輸電線和電纜破損程度的方法，文獻(xiàn)[3]在試驗的基礎(chǔ)上，給出了船用電纜絕緣材料熱老化壽命與老化時間的關(guān)系，但是對于整體及局部老化以后電纜表面及線芯的溫度分布規(guī)律的研究還很少。

本文將對電纜發(fā)生老化后的三維溫度場進(jìn)行分析計算，為電纜老化故障的紅外檢測和診斷提供幫助。

1數(shù)學(xué)模型的建立

1.1　建立數(shù)學(xué)模型的基本假設(shè)

(1) 穩(wěn)態(tài)假設(shè)：電纜表面與周圍空氣和環(huán)境進(jìn)行對流和輻射換熱，經(jīng)過足夠長的時間，發(fā)熱與散熱達(dá)到熱平衡；

(2) 常物性假設(shè)：導(dǎo)熱系數(shù)等參數(shù)不隨溫度和時間變化；

(3) 忽略絕緣層介質(zhì)損耗和護(hù)套損耗[4]；

(4) 由于電纜絕緣層之間、絕緣層與外護(hù)層之間接觸緊密，所以可忽略接觸熱阻、絕緣層與外護(hù)層都是天然橡膠與丁苯橡膠的合成物，兩者在計算過程中看成一個整體。

1.2　邊界條件的確定

1.2.1電纜外表面換熱系數(shù)的確定

敷設(shè)在空氣中的電纜對流換熱和輻射換熱同時存在，此時電纜表面的總換熱量Qt近似地等于輻射換熱量Qr和對流換熱量Qc之和[5]，即:

(1)

由牛頓冷卻公式，對流換熱量Qc為：

(2)

輻射換熱量Qr為：

(3)

式中：αc和A1分別為對流換熱系數(shù)和固體換熱表面的面積；Tw和Tf分別為固體表面和周圍空氣的溫度；αr為輻射換熱系數(shù)。

1.2.2內(nèi)熱源的處理

電流發(fā)熱功率折算成生熱率，作為源項施加在線芯處，計算方法如下：

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：R0為20℃時導(dǎo)體線芯的直流電阻，單位為Ω；A為線芯截面積，單位為m2；ρ為導(dǎo)體線芯的電阻率，單位為Ω·m；R′為導(dǎo)體工作溫度電阻，單位為Ω；α20為20℃時材料溫度系數(shù)；θ為導(dǎo)體工作溫度，單位為℃；I為通過一芯導(dǎo)體的電流，單位為A；Q為電流發(fā)熱功率，單位為W；qv為生熱率，單位為W/m3；V為單位長度纜芯的體積，單位為m3。

2數(shù)值計算和分析方法

采用有限元分析軟件ANSYS9.0進(jìn)行計算和分析。本文建模取電纜長度為0.8m，假設(shè)中間0.1m長度的電纜已經(jīng)老化，電纜中間和兩端設(shè)為絕熱邊界條件。本文劃分網(wǎng)格使用ANSYS9.0有限單元庫中的SOLID70單元，該單元具有計算三維導(dǎo)熱的能力，為八節(jié)點(diǎn)六面體單元。為了使計算結(jié)果更加準(zhǔn)確，對距離中心0.1m范圍內(nèi)的網(wǎng)格進(jìn)行了細(xì)化，共生成單元總數(shù)為269 800個。劃分網(wǎng)格后的結(jié)果如圖1所示，圖2為假設(shè)中間0.1m長度電纜老化后，電纜表面溫度分布云圖。由于溫度分布具有對稱性，圖3~圖8均取建模電纜長度的一半(即從0~0.4m)進(jìn)行分析。

圖1　網(wǎng)格模型

圖2　溫度分布云圖

3理論計算與分析

3.1　電纜整體老化后的溫度場

本文選用YZ型3×2.5通用橡套軟電纜進(jìn)行計算。從圖3(I=8 A)可以看出，電纜整體老化后，隨著導(dǎo)熱系數(shù)的降低，電纜外表面溫度基本保持不變，但線芯溫度在導(dǎo)熱系數(shù)λ降低到0.04以下時開始急劇上升，此時用紅外熱像儀從外表面檢測不到溫度的變化。從圖4(λ=0.163 W/(m·℃))可以看出：隨著電流增大，電纜線芯溫度和外表面溫度均上升得很快，電流達(dá)到20 A時，線芯溫度已經(jīng)上升到61℃左右，此時與線芯接觸的絕緣層溫度已經(jīng)很高。如果電纜長時間在此狀態(tài)下運(yùn)行，極易造成絕緣層老化失效，引發(fā)相間短路等故障；所以在實際使用時，一定要讓電纜工作在額定負(fù)荷下，絕不允許電纜長時間超負(fù)荷運(yùn)行。

圖3　導(dǎo)熱系數(shù)變化對電纜溫度場的影響

圖4　電流變化對電纜溫度場的影響

3.2　電纜局部老化后的溫度場

假設(shè)通過電流為11 A，電纜局部老化后，橡膠的導(dǎo)熱系數(shù)從0.163 W/(m·℃)下降到0.1 W/(m·℃)。圖5為局部老化以后電纜線芯的溫度變化曲線，從圖中可以看出：電纜線芯的溫度在老化的中間位置最高，達(dá)到37.234℃；電纜線芯溫度從老化中間位置向兩邊逐漸降低，到距離中間0.27 m的位置下降到最低，為36.192℃；以后線芯溫度保持恒定，最高溫與最低溫相差1.042℃，而且這一溫差隨著老化程度的加劇而變大；當(dāng)局部老化加劇到λ=0.02 W/(m·℃)時，溫差為6.821℃。圖6為局部老化以后電纜外表面溫度變化曲線，從圖中可以看出：表面溫度的最高點(diǎn)出現(xiàn)在老化位置的兩端，這是因為局部老化后導(dǎo)熱系數(shù)降低，線芯產(chǎn)生的熱量徑向傳遞受阻，只能沿軸向從老化段的2端傳遞出來；電纜外表面溫度從老化中間位置33.245℃向2端的變化趨勢是先降低，到距中間位置0.04 m時下降到最低，為33.116℃，然后再升高，直升到最高點(diǎn)33.986℃，然后再逐漸降低，直到距離中間位置0.27 m后保持平穩(wěn)；外表面最高溫度為33.986℃，最低溫度為33.116℃，相差0.87℃；而且外表面最高溫度與最低溫度的差值也隨著老化程度的加劇而變大，當(dāng)λ下降到0.02 W/(m·℃)時，溫差為5.618℃。

圖5　老化后線芯溫度變化曲線

圖6　老化后外表面溫度變化曲線

3.3　電流和導(dǎo)熱系數(shù)變化對局部老化電纜溫度場的影響

對電流I=8 A，10 A，12 A，14 A，16 A，18 A，20 A(λ=0.163 W/(m·℃))和局部老化后導(dǎo)熱系數(shù)下降到λ=0.02，0.04，0.06，0.08，0.10，0.12，0.14 W/(m·℃)(I=11 A)的情況進(jìn)行計算，設(shè)環(huán)境溫度保持27.2 ℃，計算結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7　導(dǎo)熱系數(shù)變化對電纜溫度場的影響

圖8　電流變化對電纜溫度場的影響

從圖7可以看出：隨著電纜局部老化程度的加劇，電纜線芯的最高溫度逐漸升高，但是線芯的最低溫度基本保持不變；外表面最高溫度隨老化程度的加劇逐漸升高，同時外表面最低溫度隨老化程度的加劇逐漸降低，這說明隨著老化程度的加劇，外表面不同部位的溫差越來越大，當(dāng)λ下降到0.02時溫差已經(jīng)達(dá)到5.5℃左右。

從圖8可以看出：隨著電流增大，局部老化電纜線芯的最高溫度和最低溫度都升高，外表面溫度最高值和最低值也逐漸變大，同時表面溫度差也加大。

4實驗驗證

(1) 實驗儀器：YZ 3×2.5型通用橡套軟電纜，HY-2001G紅外熱像儀，數(shù)字式鉗型電流表，2級水銀溫度計，加熱器、水箱等電纜加載裝置。

(2) 實驗方法:通電以后，每隔一定的時間間隔拍攝橫向敷設(shè)(與地面平行)和縱向敷設(shè)(與地面垂直)以及與地接觸(平放在地面上)電纜的表面溫度，待溫度穩(wěn)定后用電流表測量每一根纜芯的電流。

(3) 根據(jù)熱像儀所測得的電纜表面的穩(wěn)定溫度，換算出電纜表面總的換熱系數(shù)。內(nèi)部電流發(fā)熱可看作內(nèi)熱源，換算成生熱率，進(jìn)而用ANSYS求解，環(huán)境溫度為27.2℃。加熱過程中，不同敷設(shè)方式的電纜外表面溫度隨時間變化的曲線如圖9所示。實測的電纜表面溫度為32.8℃，而計算所得的外表面溫度為33.6℃，誤差不超過5%，證明所建立的電纜傳熱模型是合理的。

圖9　電纜外表面溫度隨時間變化曲線

5結(jié)束語

本文建立了電纜傳熱的有限元模型，采用YZ 3×2.5型通用橡套軟電纜進(jìn)行了實驗驗證，所計算的電纜表面溫度與實測的溫度相比，誤差不超過5%，可滿足工程要求。

電纜局部老化以后，線芯溫度最高值出現(xiàn)在老化段的中間位置，向兩邊逐漸降低，到距離中間位置一定距離后保持恒定。外表面溫度最高位置不在老化段出現(xiàn)，而在靠近老化段兩端的位置，而且隨老化程度的加劇老化段外表面附近的溫差逐漸增大。

隨著老化程度的加劇和電流的增加，老化段外表面附近的溫差逐漸變大。

電纜整體老化后外表面溫度幾乎沒有變化，但局部老化后電纜表面溫度場變化明顯，完全可以通過紅外熱像儀監(jiān)測電纜外表面溫度變化來實現(xiàn)對電纜局部老化的檢測。

參考文獻(xiàn)

[1]趙建華,袁宏永.基于表面溫度場的電纜線芯溫度在線診斷研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報,1999,19(11):52- 54.

[2]范春利,孫豐瑞,楊立，等.電線電纜破損的定量熱像檢測與診斷方法研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報,2005,25(18):162-166.

[3]王鐵軍,單潮龍.艦船電纜絕緣材料熱老化壽命的差式掃描量熱法研究[J].海軍工程大學(xué)學(xué)報,2000(6):53- 55.

[4]鄭肇驥,王焜明.高壓電纜線路[M].北京:水利電力出版社,1983.

[5]俞佐平,陸煜.傳熱學(xué)[M].北京:高等教育出版社,1995.

Research into Infrared Diagnose of Cable Aging Based on

Surface Temperature Field

HAN Zhong-hui,YANG Bao-dong,YANG Bo-sheng

(Unit 91404 of PLA,Qinhuangdao 066001,China)

Abstract:This paper uses Ansys9.0 to calculate the temperature distribution of cable core and surface after entire and part aging of the cable occur,and verifies the established three-dimensional model through an experiment.Through calculation,the surface temperature field changes little after entire cable aging;but after part aging,the highest temperature position is on the both ends of the aging part,while the highest temperature position of core is in the middle of the aging part.It is also found out that the maximum temperature difference between different parts of the surface and core become larger and larger along with aging degree.The research result shows that the infrared diagnose of cable part aging can be performed through monitoring the temperature distribution change of cable surface.

Key words:cable;aging;infrared diagnose

收稿日期:2014-08-11

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.03.032

中圖分類號：TN215

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：CN32-1413(2015)03-0117-04