高压电缆主绝缘热膨胀研究

明建圣

设计电缆的热态试验，截取不同规格的 66k V、220k V 電缆，制成试样，分别在不同温度下测量电缆试样的径向尺寸，得出电缆主绝缘几何尺寸随温度的变化规律，为金属护套变形限制电缆载流量提供更加精确的数据支撑。本试验的关键点是：制作电缆试样;制作电缆加热试验装置;准确测量各种温度下的电缆径向几何尺寸;得出电缆主绝缘径向几何尺寸与温度之间的关系。用于试验的电缆试样均取于长春供电公司的运行电缆，将截取的电缆剥去金属护套、缓冲层，用车床加工成易于试验的尺寸。

采用 HG881-2 远红外电热鼓风干燥箱作为加热试验舱，箱内工作室尺寸为55×55×55cm，加热功率 3kW，温度范围：常温-250℃，温度控制偏差：±3℃，为便于观察试验过程保持箱内温度，加装了玻璃门，在加热箱内衬板上水平固定了钢板尺。测量电缆热态试验后绝缘层膨胀变化的工具为订制游标卡尺，可测量 500mm 试样，测量精度：0.02mm。为准确确定电缆试样加热达到热稳定所需要的试验时间，本采用有限元法对电缆试样热稳定时间进行仿真研究。仿真电缆为所选取的电缆为型号 YJL03-66-1×1200 的 66k V 电缆。参考实际试验的电缆模型，只对电缆缆芯、导体屏蔽层、XLPE 绝缘层进行建模分析温度场。分析一定截取长度的试验电缆试品放入 90℃恒温烘箱时的温度场后，试样各层的温度变化情况。由于试验电缆是有限长度，对定长电缆就行纵切面建模，建立二维轴对称模型。烘箱加热电缆时间为 4 小时绝缘层长度 40cm，缆芯长50cm 的电缆温度云图，此时缆芯内部的温度最低为 89.75℃，与 90℃差值小于0.3℃。由此可知电缆试样热稳定时间可取为 4 小时。

热态试验利用游标卡尺测量电缆试样的外径，需要将加热箱门打开或者将电缆试样移出加热箱，在测量过程中电缆试样将降低一定温度。对从 90℃烘箱中取出的试样，进行测量过程进行模拟仿真，已知测量过程需要 3 分钟，当电缆试样从恒温烘箱中取出时，初始温度为 89.92℃，室温环境 3 分钟后，温度下降 0.6℃。可知，测量试验操作所需要的时间所造成的试验电缆温度变化幅度很小，可认为所得尺寸为测量温度下的尺寸。将电缆试样放入加热箱中，依次将加热温度调节为 40℃、60℃、80℃、90℃，每个温度下持续加热 4 小时后取出，在标定的同一位置上，测量五次其径向尺寸，然后取五次测量的平均值作为该试样的尺寸，每个电缆试样进行同样的操作步骤。

（1）220k V 运行电缆膨胀量计算分析 单回 YJLW03-127/220-1×1000 电缆，埋深 0.8m，电缆间距 0.2m，敷设在土壤热阻系数 2.44 K·m·W-1、深层土壤温度 25℃的均匀土壤。恒定负荷下载流量为 830.2A，此时电缆的缆芯温度 89.99℃，主绝缘层内侧温度（靠近缆芯侧）为 89.68℃，绝缘层外侧温度 80.27℃。

直埋电缆的深层土壤温度一般在 10℃-20℃之间变化，受环境影响较小。采用有限元分析 220k V，1000mm2 电缆不同恒定负荷电流下主绝缘层的内外侧温度，进而可以求出电缆主绝缘平均温度，根据上面得出的径向膨胀系数，得到电缆主绝缘径向膨胀量。

（2）66k V 运行电缆膨胀量计算分析 单回 YJLW03-48/66-1×240 电缆，埋深 0.8m，电缆间距 0.2m，敷设在土壤热阻系数 2.44 K·m·W-1、深层土壤温度 25℃的均匀土壤中。其载流量为 409.9A，此时缆芯温度 90.00℃，绝缘层内侧温度（靠近缆芯侧）为 89.73℃，绝缘层外侧温度 79.892℃，采用传统热力学热膨胀的计算公式计算绝缘层的径向膨胀量为 0.54mm。

通过对不同运行负荷下 66k V 和 220k V 电缆的温度场的分析，对于同一运行状态下的电缆，电缆主绝缘径向膨胀量随着外界土壤温度增大而增大，但是影响作用较小。主绝缘尺寸变化受电缆承担负荷的情况影响较大，膨胀量随负荷变化情况，同种运行负荷百分比下的 220k V 绝缘层的径向膨胀量远大于 66k V，当负荷电流为载流量时，电缆主绝缘平均温度最为接近 90℃，电缆输送的负荷电流减小时，绝缘层平均温度会降低，主绝缘径向膨胀量也随之减小。以选取的计算电缆为例，220k V 的运行电缆绝缘层的径向膨胀量最大不超过 1.0mm，66k V 的运行电缆绝缘层的径向膨胀量最大不超过 0.6mm。

一般情况下考虑到电缆安全运行裕度等情况，电力电缆的运行电流会低于额定载流量，该情况下电缆的缆芯温度低于允许长期运行的最高温度，当运行遇到突发性电流增大也就是过负荷情况，电缆持续运行在该负荷下，缆芯温会超过 90℃，造成 XLPE 绝缘介质的热不稳定性，使电力电缆各项性能受到损坏。电缆在载流量下运行时，是没有过负荷运行能力;但通常情况下电缆运行负荷小于其额定载流量，此时对电缆施加过负荷，缆芯温度上升到 90℃还需要一段时间，该时间内不会对电缆绝缘造成损伤。

在 750A 正常负荷运行下的电缆，负荷突增到 980A（超出恒定负荷载流量830.2A 的过负荷）时电缆绝缘层内侧、绝缘层外侧及电缆缆芯的温升变化情况。过负荷运行一段时间缆芯温度会超出 90℃，如缆芯长时间超出允许值运行，会对系统的可靠运行造成极大危害。

对于实际电力系统中的负荷，并不是恒定不变的，在此负荷曲线下电缆绝缘层内侧、绝缘层外侧及电缆缆芯的温升变化情况，缆芯温度和绝缘层内侧温度差值很小，绝缘层外侧的温度变化趋势和缆芯是同步的。电缆在此周期负荷下的的载流量为 1147.6A，当缆芯温度为 90.02℃时，绝缘层内侧温度为89.51℃，绝缘层外侧温度为 75.57℃，绝缘层的径向热膨胀量为 0.96mm。

参考文献：

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（作者单位：常州博瑞电力设备自动化有限公司）