石培培, 胡紅利, 王 格, 陳 玉, 于 晶

(1.西安交通大學(xué) 電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室,陜西 西安 710049；2.上海電纜研究所,上海 200093)

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,我國用電量需求在日益增加,智能電網(wǎng)的概念應(yīng)運而生。智能電網(wǎng)結(jié)合了先進(jìn)的傳感和測量技術(shù)、通信技術(shù)以及控制技術(shù),實現(xiàn)電網(wǎng)安全、可靠、經(jīng)濟(jì)有效的運行。隨著智能電網(wǎng)的建設(shè),電力傳輸和通信網(wǎng)的融合成為主要趨勢。光纖復(fù)合低壓電纜(OPLC)集光纖、電纜于一體,兼具電力傳輸和電力通信雙重功能,能充分滿足智能電網(wǎng)信息化、自動化、互動化的要求,助力智能電網(wǎng)建設(shè)[1-2]。

在交流電纜運行時,導(dǎo)體損耗、絕緣介質(zhì)損耗、金屬屏蔽等導(dǎo)致電纜發(fā)熱升溫,另一方面,電纜發(fā)生短路故障或者由于雷擊,電纜會受到強大的沖擊電流,電纜溫度迅速升高。如果出現(xiàn)電纜溫度過高,不僅會造成OPLC金屬材料的退火現(xiàn)象,危及電纜線路安全，還會使OPLC中光單元受熱變形,可能增大傳輸損耗,造成系統(tǒng)通信中斷[3-5]。

因此, 有必要對OPLC的熱性能進(jìn)行研究, 改善輸電線的熱穩(wěn)定性, 提升電力系統(tǒng)的安全可靠性, 減小溫升對光傳輸單元的影響。 在諸多影響光纜溫升的因素中, 幾何結(jié)構(gòu)、 材料和工作環(huán)境是影響OPLC熱性能的重要參數(shù), 本文利用COMSOL軟件分別研究這3個因素對光纜熱性能的影響。

1 材料對OPLC熱性能的影響

1.1 導(dǎo)體材料

交流電纜運行時,由于導(dǎo)體損耗、絕緣介質(zhì)損耗等的存在，導(dǎo)致電纜發(fā)熱升溫,即熱源。熱源的計算方法為

Q=I2R/S。

(1)

其中，Q為線芯導(dǎo)體單位體積發(fā)熱率;I為線芯導(dǎo)體中流過電流的有效值;S為線芯導(dǎo)體的截面積;R為線芯導(dǎo)體單位長度交流電阻,計算公式為

(2)

其中，ρ20為導(dǎo)體材料在20℃溫度下的電阻系數(shù)[6]。

電纜導(dǎo)體一般采用鋁導(dǎo)體或銅導(dǎo)體。所以,單位長度相同尺寸的銅導(dǎo)體和鋁導(dǎo)體的發(fā)熱量比率為

(3)

給定相同的工作環(huán)境條件(20℃)、相同的外形尺寸、相同的絕緣材料(PVC),分別以銅和鋁作為線芯導(dǎo)體材料建立三芯仿真模型,模型參數(shù)如表1所示,仿真得到的OPLC的溫度場分布如圖1所示[7-8]。

表1 三芯電纜模型參數(shù)Tab.1 Model parameters of three-core cable

圖1 不同導(dǎo)體材料OPLC穩(wěn)態(tài)溫度場分布Fig.1 Thermal field distribution of different conductor materials

從圖1(a)和圖1(b)可以看出,分別以銅和鋁作為線芯導(dǎo)體材料的OPLC達(dá)到穩(wěn)態(tài)時,金屬導(dǎo)體達(dá)到的最高溫度相差僅0.1℃,其他各個組成部分的溫度分布也是一樣的。所以在選擇導(dǎo)體材料時,可以根據(jù)現(xiàn)場的實際環(huán)境條件,配合導(dǎo)體材料的延展性、耐腐蝕性等其他物理性質(zhì)進(jìn)行選擇[9-10]。本文選擇銅作為線芯導(dǎo)體進(jìn)行以下的仿真。

1.2 絕緣材料

1.2.1 正常工作狀態(tài) 廣泛應(yīng)用的絕緣材料有聚氯乙烯(PVC)和交聯(lián)聚乙烯(XLPE),二者的導(dǎo)熱系數(shù)相差不大,但是對于相同尺寸的OPLC,交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜的載流量比聚氯乙烯絕緣電纜提高25%[11-12]。所以在采用銅導(dǎo)體的基礎(chǔ)上,給定單位長度相同尺寸的OPLC,改變絕緣材料,進(jìn)一步研究不同絕緣材料對OPLC熱性能的影響,模型參數(shù)如表1所示。

在COMSOL軟件中分別選定外護(hù)套、絕緣層、導(dǎo)體以及光單元上的若干個特征點,如圖2所示,通過這些特征點可以分析其上的溫度變化規(guī)律。

圖2 三芯光纖復(fù)合低壓電纜特征點分布Fig.2 Feature points distribution of three-core OPLC

圖3為不同絕緣材料的OPLC正常工作時部分特征點溫度分布。從圖3(a)和圖3(b)可以看出,PVC絕緣和XLPE絕緣護(hù)套OPLC中各個組成部分的溫度變化趨勢是一致的。OPLC溫度場為導(dǎo)體高,外圍低,但是穩(wěn)態(tài)時達(dá)到的最高溫度不同。XLPE絕緣護(hù)套OPLC穩(wěn)態(tài)時導(dǎo)體的溫度最高,達(dá)到了90℃,比PVC絕緣護(hù)套OPLC的最高溫度高20℃。XLPE絕緣OPLC中光單元(特征點24)的溫度達(dá)到了87℃,而PVC絕緣OPLC中光單元的溫度為68℃。

圖3 不同絕緣材料OPLC穩(wěn)態(tài)特征點溫度變化曲線Fig.3 Feature points temperature curve of different OPLC materials in steady state

由此可見,采用不同的絕緣材料對于光單元以及整個OPLC的溫度場分布有很大的影響。

1.2.2 故障狀態(tài) 由于電纜長期工作使外層護(hù)套老化,因此電纜容易發(fā)生短路故障。當(dāng)電纜發(fā)生短路故障時,導(dǎo)體的短路電流可以達(dá)到額定電流的幾十倍,電纜的溫度會急劇升高。當(dāng)溫度超過一定值時,不僅會引起光纖傳輸性能損傷、增大光纖傳輸損耗、縮短光纖壽命,嚴(yán)重時還會造成通信中斷,影響用戶的正常使用。由于電纜發(fā)生短路故障時,最長持續(xù)5s,所以本文研究5s內(nèi)OPLC的溫度分布情況。如圖4所示分別為不同絕緣材料OPLC三相短路后特征點溫度變化情況。

圖4 不同絕緣材料OPLC短路后5s特征點溫度變化Fig.4 Feature points temperature curve of different OPLC materials after a short circuit for 5 seconds

從圖4(a)和圖4(b)可以看出,短路后5s內(nèi)PVC絕緣和XLPE絕緣OPLC中各個組成部分的溫度變化趨勢是一致的,但是達(dá)到的最高溫度不同。XLPE絕緣OPLC導(dǎo)體溫度可升高至260℃,PVC絕緣OPLC導(dǎo)體溫度可升高至160℃。由于電纜材料的熱阻特性,熱量不能及時向外擴(kuò)散,因此除短路導(dǎo)體外,其余部分都沒有較大的溫升。

2 結(jié)構(gòu)對OPLC熱性能的影響

前面討論了不同材料對OPLC熱性能的影響,另外,幾何結(jié)構(gòu)也是影響熱性能的重要因素。OPLC是導(dǎo)體線芯和光傳輸單元在加工制造過程中的組合,光傳輸單元既可以位于OPLC結(jié)構(gòu)中的中心位置,也可位于側(cè)面位置。針對現(xiàn)有的常用的OPLC結(jié)構(gòu),進(jìn)一步研究光傳輸單元在OPLC結(jié)構(gòu)中的位置對電纜溫度分布以及光單元溫度分布的影響。

這里研究四芯配網(wǎng)OPLC光單元位置對OPLC溫度分布的影響,導(dǎo)體選用銅,絕緣材料選用PVC。由于四芯電纜關(guān)于中性線位置對稱,所以當(dāng)光單元位于邊緣時,有兩種分布情況,如圖5(a)和圖5(b)所示,分別為中性線與導(dǎo)體之間(邊緣位置1)以及兩導(dǎo)體之間(邊緣位置2)。OPLC上的特征點分布如圖5所示,其中A，B，C為三相導(dǎo)體,D為中性線。

圖5 四芯光纖復(fù)合低壓電纜特征點分布Fig.5 Feature points distribution of four-core OPLC

四芯電纜的模型參數(shù)如表2所示。

圖6所示為OPLC在正常工作狀態(tài)下特征點溫度變化情況。當(dāng)光傳輸單元位于導(dǎo)體和中性線之間時,光單元上特征點26穩(wěn)態(tài)溫度最高達(dá)到了59℃;而光單元位于兩線芯導(dǎo)體之間時,光單元相同位置上的特征點14溫度達(dá)到了62℃。這是因為當(dāng)光單元位于兩線芯導(dǎo)體之間時,是兩個銅導(dǎo)體熱源共同作用的結(jié)果,而位于導(dǎo)體與中性線間時，只有一個熱源作用,但是兩種情況下穩(wěn)態(tài)溫度差別并不是很大。而兩種情況下電纜上相同位置的特征點17(位置1)和特征點28(位置2)溫度變化規(guī)律一致,說明光單元的位置并不影響電纜的溫度分布,只影響光單元本身的溫升。

表2 四芯電纜模型參數(shù)Tab.2 Model parameters of four-core cable

圖6 兩種位置下OPLC穩(wěn)態(tài)典型特征點溫度變化Fig.6 Feature points temperature variationin steady state of OPLC in two position

在OPLC A，B兩相短路故障狀態(tài)下,兩種位置下的光單元在短路后5s內(nèi)的溫度變化規(guī)律如圖7所示。由圖7可知,當(dāng)導(dǎo)體兩相短路時,不同位置光單元的溫度變化受導(dǎo)體溫度變化影響不同,特別是當(dāng)光單元位于導(dǎo)體與中性線之間時,光單元溫度基本不變。而當(dāng)光單元位于兩導(dǎo)體之間時,特征點20受兩導(dǎo)體共同加熱,溫度上升了3℃。

圖7 兩種位置下短路后5s光單元溫度變化Fig.7 Feature points temperature variation of OPLC in two position after a short circuit for 5 seconds

3 風(fēng)速對OPLC熱性能的影響

熱對流是熱傳遞的基本方式之一。當(dāng)流體流過一個與之溫度不同的物體表面時引起的熱量傳遞即對流換熱。對流換熱的公式為

q=h·Δt。

(4)

其中,q為換熱量,單位為W;h為對流換熱系數(shù),單位為W/(m2·K);Δt為流體和物體表面溫差，Δt=Δtw-Δtf,其中Δtw是物體表面溫度,Δtf為流體表面溫度[13-14]。

影響對流換熱系數(shù)的因素很多,包括流體的種類(液體、氣體)、物理性質(zhì)、運動狀況和流動的成因等。架空電纜的傳熱:電纜產(chǎn)生的熱量通過熱傳導(dǎo)傳遞到電纜外部,在與空氣接觸的邊界處,通過表面空氣熱對流和熱輻射散發(fā)到周圍空氣中,相對于輻射散熱而言對流散熱起主要作用。因此溫度分布與表面大氣溫度、電纜表面溫度、外部風(fēng)速等因素有關(guān)[15]。設(shè)定電纜工作在外部溫度為20℃的環(huán)境中,則風(fēng)速對電纜的溫度分布有重要影響。

圖8所示為光單元位于位置2時的OPLC處在有垂直于電纜走向的來風(fēng)環(huán)境下，導(dǎo)體在不同風(fēng)速下的溫度變化情況。從圖8可以看出,不同風(fēng)速條件下,導(dǎo)體達(dá)到穩(wěn)態(tài)時的溫度不同。在自然對流條件下,導(dǎo)體的穩(wěn)態(tài)溫度為70℃。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到10m/s,即五級風(fēng)左右時，導(dǎo)體的穩(wěn)態(tài)溫度為36℃。另外,不同的風(fēng)速條件下,溫度場分布達(dá)到穩(wěn)定所用的時間不同。自然對流條件下,電纜溫度場在6 000s左右達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài);當(dāng)風(fēng)速為2m/s時,電纜溫度場在3 000s左右達(dá)到穩(wěn)定;當(dāng)風(fēng)速為10m/s時,電纜溫度場在2 500s達(dá)到穩(wěn)定。所以,風(fēng)速為0～2m/s時,對電纜散熱影響最大。

圖8 導(dǎo)體在不同風(fēng)速下的溫度變化Fig.8 Conductor temperature variation under different wind speed conditions

圖9所示為外護(hù)套、導(dǎo)體和光單元的溫度隨風(fēng)速的變化情況對比。從圖9可以看出,風(fēng)速對OPLC的穩(wěn)態(tài)溫度值影響很大。當(dāng)風(fēng)速從0m/s增加到1m/s時,各部分的穩(wěn)態(tài)溫度值隨風(fēng)速的增大而急劇下降,平均都降低了30℃;當(dāng)風(fēng)速為從1m/s增加到2m/s時,穩(wěn)態(tài)溫度下降速度開始變慢;當(dāng)風(fēng)速大于2m/s時,溫度變化比較平緩。所以當(dāng)電纜工作環(huán)境處于1級或2級風(fēng)時,對降低電纜工作溫度有很大影響。

圖9 外護(hù)套、導(dǎo)體和光單元的穩(wěn)態(tài)溫度隨風(fēng)速的變化Fig.9 Curves of steady state temperature vs. wind speed of cable insulation conductor and optical unit

4 結(jié) 語

在分析穩(wěn)定及短路條件下OPLC溫升機理的基礎(chǔ)上,利用COMSOL軟件仿真OPLC的溫度分布情況。從材料、結(jié)構(gòu)和工作環(huán)境這3個影響熱性能的關(guān)鍵因素出發(fā),討論其對OPLC熱性能的影響,從而為OPLC的設(shè)計和選型提供參考依據(jù),滿足電力系統(tǒng)運行的經(jīng)濟(jì)性和可靠性要求。研究結(jié)果表明,線芯導(dǎo)體材料改變對OPLC熱性能影響不明顯,而絕緣材料的改變對OPLC熱性能有較大影響,特別對光單元,因而在選擇導(dǎo)體材料時只需滿足成本和電氣機械方面的需求,而對絕緣材料的選擇則必須考慮耐熱性能。光單元的位置對電纜的溫度分布幾乎沒有影響,但是對光單元本身有較大影響,當(dāng)OPLC出現(xiàn)文中所述的兩相短路時,光單元位于導(dǎo)體和中性線之間時，更有利于光纖的安全運行。另外,自然環(huán)境復(fù)雜多變,風(fēng)速對OPLC的熱性能有較大的影響,影響達(dá)到穩(wěn)態(tài)分布的時間以及穩(wěn)態(tài)最高溫度,若能保持OPLC周圍環(huán)境良好的通風(fēng)情況,會提高OPLC的散熱性能,降低溫升對電力傳輸和通信的影響。在選擇和設(shè)計OPLC的結(jié)構(gòu)和材料時,要綜合考慮材料、結(jié)構(gòu)和環(huán)境3方面因素的共同影響,從而滿足電力傳輸和通信的安全穩(wěn)定運行。

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