（安全技术及工程专业论文）基于表面温度的电缆线芯温度监测技术研究.pdf

a b s t r a c t c a b l et h e r m a ls a f e t yi sa ni m p o r t a n ts e c t i o nf o rp r o d u c t i o ns a f e t ya n d t e c h n o l o g y f o r m o n i t o r i n g c a b l et h e r m a i s a f e t y i sa t y p e o f a p p l i c a t i o n t e c h n o l o g yh a v i n gg r e a tm a r k e t t h e r m a id i s s i p a t i o ni st h em o s ti m p o r t a n ti n h e r e n te l e m e n to fc a b l et h e r m a m a l f u n c t i o nf o rm o r et h a n9 0 t h e r m a ld i s s i p a t i o ni s r e s u l tf r o mc a b l ec o r e a n d7 0 c a b l et h e r m a im a l f u n c t i o ni si nj o i n t ，m o n i t o ro fc a b l et h e r m a ls a f e t y sm o s t l yj u d g ew h e t h e rt h et e m p e r a t u r eo fj o i n tc o r eh a se x c e e d e dt h es a f e t y t h r e s h o l d u pt on o ww i t ht e c h n o l o g yo ft e m p e r a t u r em e a s u r ea v a i l a b l e ，w e c a n tm e a s ur et h et e m p e r a t u r eo fc o r ed i r e c t l y f u r t h e r m o r e t h et e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n ts h o u l db ea p p l i e do ns u r f a c eo fa na x i a ld i s t a n c ef r o mj o i n t t h u s w em u s tj u d g et h et h e r m a ls a f e t yo fj o i n tc o r eb a s e do nt h e s et e m p e r a t u r e i nt h ep a p e gt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no fc a b l es u r f a c ew a sp r e s e n t e d b a s e do nt h ed a t a ，l i m i to fs u r f a c et e m p e r a t u r e r i s ea n de f f e c tm o n i t o r d i s t a n c e h a sb e e ni n d u c e d b e s i d e s ，i t i sa n o t h e r i m p o r t a n t c o n c l u s i o n t h a t t e m p e r a t u r e r i s e u n d e rc r i t i c a ls t a t eo ft h e r m a ls a f e t y i s i n d e p e n d e n t o f a m b i e n tt e m p e r a t u r e b e s i d e sc o n s i d e r i n ge f f e c to fn a t u r a lc o n v e c t i o na n dc a b l es t r u c t u r e ，t h e p a p e rc a np r o v i d ei n s t r u c t i o nt os y s t e md e s i g no f c a b l et h e r m a lm o n i t o r k e y w o r d ：c a b l e ，j o i n t ，s u r f a c e ，t e m p e r a t u r e 。r i s e t 致谢 电缆热安全监测技术研究是三年以来一直在进行的工作，能够在 即将走出的校园的时候以此作为硕士生涯的总结，感到非常的高兴。 自4 年前进入火灾探测研究室，得到了师长多人的热情帮助，尤其要 感谢我的导师一袁宏永先生，多年的言传身教，受益非浅，泽惠终身。 一个应用研究项目能够取得今天的成绩，是团队所有人员共同努 力的结果，特别要感谢长期以来的合作伙伴一伍光平先生与后期加入 的谢启源先生，对大家的辛勤劳动再次表示感谢。 最后，感谢我的家人以及一切关心我以及我关心的人，祝好人一 身平安。再次祈求自己的飞跃之路能够一帆风顺。 郑昕 2 0 0 4 - 6 - 1 4 第一章绪论 前言 电缆是第二次工业革命兴起时为了实现远距离输电而诞生的时代产物，近两个 世纪以来，随着电能逐渐成为生产生活最普遍的动力形式，电缆已经深入人类社会 的方方面面。 与其他事物一样，当人们在享有发达的电缆网络所带来的轻松便捷的同时，仍 不时为电力事故所困扰，相信在日常生活中，大多数人对类似如下的新闻报道并不 陌生： “今曰1 2 时2 1 分，x x 厂电缆接头爆炸起火，大火沿电缆竖井迅速蔓延，将2 台3 0 万千瓦机组的交直流电缆全部烧毁，未造成人员伤亡，事故原因正在调查中。” 而身处工业企业电气部门第一线的员工，对于电缆事故更是深有体会。 现代工业规模化与自动化的发展趋势，各种电缆数量呈级数增长，相应的事故 几率同比率递增，直接威胁人员与设备安全，造成的间接经济损失与社会影响难以 估计。长期以来，在国民经济体系中处于基础地位的钢铁、石化、电力、冶金等高 能耗行业，电缆安全始终是安全工作的重要环节。 其中，在电缆安全事故中占据主要部分的是热安全事故，即由于工作温度过高 丽导致的电缆毁损等供电故障。据有关资料显示，美国在1 9 6 5 1 9 7 5 年间共发生 9 9 0 次电缆热安全事故，占3 2 8 5 次电缆事故的i 3 强。日本对电力、钢铁、石化 等工业企业调查发现，7 8 以上发生过电缆热安全事故，其中危害程度较大的事故 4 0 。国内近2 0 年来，各类电厂发生电缆热安全事故1 4 0 起，许多电厂发生两次 或者两次以上电缆热安全事故，个别甚至高达4 6 起。仅1 9 7 5 1 9 8 5 ，电缆热安 全重大事故6 0 余起，直接经济损失5 0 多亿元。 综合调研，电缆热安全事故具有如下特点： 1 隐患长期潜伏，发展缓慢，难以检测； 2 一旦发生，蔓延迅速，损失重大，修复困难： 3 经常导致人员伤亡； 4 造成自然环境污染与社会环境的不良影响。 目前，虽然许多企业投入大量的人力物力进行电缆设备的防火封堵与消防控制， 1 但那些措施只能在电缆热安全事故发生后起到减轻事故范围的作用，并不能从根本 上控制热安全事故的发生。 几十年来，为了解决电缆热安全监测的工程应用难题，各研究机构与工业企业 进行了不懈地努力。其中，吉林热电厂通过多年的实践摸索了一套行之有效的办法， 他们布置专门人员每天对电缆中间接头表面温度进行测量，根据表面温度变化分析 其运行状况，有效地避免了多次事故的发生，该方法在多个电力企业推广，取得了 较好的预防效果。以上实践证明通过测量电缆温度能够有效地对电缆热安全事故进 行防治，但人工检测法存在监测范围小、周期长、受人员因素制约等缺陷。在安全 生产领域迫切需要一种在线式的电缆热安全监测技术，能够覆盖远距离大范围多测 点，能够适应恶劣的现场工况。 2 绪论 第一节电缆热安全事故分析 电缆热安全事故的发生既有运行维护因素，又有设计、制作、安装留下的隐患， 如设计考虑不周，安装时没有按照防火规程要求，制作工艺不达标等等。此外，人 为因素如人员安全教育不够，职工的安防意识不强，对安全生产规程没有严格执行 等都是原因之一。具体来说，可以归为内部因素与外部因素两种。 外部因素一外部热源或火源引燃电缆 ( 1 ) 锅炉房架空敷设的电缆没有采用隔热防护措施，锅炉运行过程中漏粉导致煤粉 在电缆上集聚，遇到高温点火源，引起煤粉自燃，导致电缆着火； ( 2 ) 高温设备附近的电缆未采取相应隔离防护措旆，引发火灾，例如在锅炉防爆门 或出渣孔附近的电缆，在防爆门动作或出渣孔排渣时，高温导致电缆着火： ( 3 ) 气轮机油系统或浸油电气设备故障漏油，燃油遇到高温热源、火源发生燃烧， 引燃附近的电缆。 。- ，f 。_ 。1 - 。t - - - - _ - - r_-。-_-r_。-。 内部因素一电缆绝缘损坏短路引起电缆着火 ( 1 ) 电缆过负荷运行导致过热烧损绝缘封套致使电流短路引发电缆火灾： ( 2 ) 处于高温环境下的缺乏有效隔热措施的电缆易于老化，绝缘失效，电缆短路引 起火灾； ( 3 ) 电缆隧道、沟道内部积水严重，位置较低电缆长期被水浸泡，电缆绝缘破坏 短路导致火灾； ( 4 ) 电缆终端与接头制作工艺不达标，致使电缆运行过程中发生爆炸、着火。 - 。- ，t - ， ，- ，- - - _ - - - - _ - _ - -_- 综合以上内外部因素，热源的存在是电缆热安全事故发生的必然条件，而热源 的存在方式产生了内外差异。与外部因素相比，内部因素具有隐蔽性高、发展缓慢、 难以检测等特点。对于外部因素，可以采取加强隔热防护，严格安防规程，提高维 护频率等方式进行处理；而内部因素，由于其自身特点，目前仍没有兼顾经济与性 能的较好解决办法，也是本论文工作将要解决的问题a 根据有关资料统计，大多数电缆热安全事故发生的主要原因是动力电缆接头制 作不良，压接不紧，接触电阻过大，长期运行造成电缆接头线芯导体过热烧穿绝缘 3 封套，进一步引起电缆短路，导致火灾发生。有资料显示，发电厂基建时制作的电 缆接头在运行1 0 年后9 0 因为质量不良引发故障而被更换。但是通常情况下，从 电缆头过热到事故发生，整个过程发展速度比较缓慢、时间过长、早期温升现象不 明显，现有的方法难以进行有效的检测，因此也无法从根本上减少，甚至杜绝电缆 热安全事故的发生。 由于任何电缆热安全事故都伴随着不同程度的持续温升，如果在运行过程中对 温度进行实时测量，根据温度发展变化，依据科学的方法对电缆热状态作出正确的 判断，由于处理结果的及时性，能够在过热事故的较早期发展阶段发现并采取相 应措施消除潜在危害，从而在根本上大大减少了电缆热安全事故发生的几率，将经 济损失与人员伤亡减少到最小的程度。 4 第二节电缆热安全监测技术现状 目前在工业电缆安全监测领域，已有一些电缆热安全监测技术，是感温技术在 工业领域的应用。它们的外在形式与工作原理各不相同，其中以感温电缆与热敏电 阻技术最具代表性： 感温电缆： 感温电缆是一种线型单阈值温度监测技术，感温电缆通常由两根热敏聚合物绝 缘的钢芯单线，按照一定节距对绞在一起构成。安装系统时将感温电缆与普通电缆 平行布置，随着被测电缆线芯导体温度升高，感温电缆绝缘层的温度也随之发生改 变，一旦达到某一特定闽值，热敏绝缘层迅速融化，引起感温电缆短路，报警数据 采集系统检测到该短路信号，发出的超温报警信息。 感温电缆并不是一种温度测量技术，绝缘介质融尽后的两芯短路电流量与现场温 度并无直接关系。电缆过热过程中，内部线芯导体与外部护套层之间存在较大的温 度梯度，当内部温升数十甚至上百摄氏度时，表面温升仅有凡摄氏度，考虑到一年 四季环境温度的变化，热敏介质的融解温度通常在6 0 摄氏度以上，而此时，电缆 过热过程已经进入了更加危险的中晚期阶段，毁损事故可能随时发生，事故扑救与 应急行动都处于相对被动的位置，不利于减小经济损失，防止人员伤亡。 此外，感温电缆缺乏故障自检能力，无法区分正常过热信息与外力以及其他因素 导致的虚假警报，经常性误报容易形成麻木心理，消极应对可能的正确报警信息； 并且定位精度低，无法帮助相关人员及时赶赴现场采取应急措施。 热敏电阻： 温度测量技术应用于工业安全监测领域的典型代表，是一种基于惠斯顿电桥原 理的简单测温系统，由于热敏电阻的阻值在一定的温度范围内与温度变化近似成正 比，根据电桥的分压原理，不平衡电势将因阻值的变化而与温度变化成正比，因此 通过测量不平衡电势就能获得相应的温度值。 与感温电缆相比，热敏电阻式测温系统可以显示温度值，能够进行实时检测， 能够在较早期阶段发现电缆热安全事故，但缺点依i n 4 1 1 常突出： 1 热敏电阻终端阻抗过小，电势信号在电缆强电、强磁的恶劣环境下无法 5 绪论 进行远距离传输，不能满足大型工业企业大范围监测需求； 2 每根热敏电阻需独立布线，施工复杂，安装与维护工作量大，无法适应 分布式多测点监测需求。此外电阻易损，易漂移，稳定性低。 综合本节，单纯从温度测量技术的角度分析电缆热安全监测技术的现状，存在如下 问题急需解决。 1 大区域分布式多测点监测； 2 抗干扰性、抗腐蚀性与稳定性； 3 造价高昂，维护困难。 虽然随着科技的发展，传统的电缆热安全监控技术也在不断地进步，但基本工 作机理限制了他们在电缆热安全监测领域更为广泛的应用。上述仅仅是现代电缆热 安全监测对温度测量技术的要求，实际由于电缆设备的特殊性，对监测系统自身安 全性有着相当严格的要求，所以，在温度测量之外还有大量的研究内容，也是本论 文的核心基于表面温度的电缀热安全监测技术。 6 绪论 第三节研究内容综述 首先特别指出，本论文并不讨论温度测量技术，在温度测量之外，现有研究对 于电缆过热现象并没有更深层次的认识，关于它的发生、发展缺乏全面细致的探讨， 对电缆过热现象的理解还停留在表面。直观的阶段。 目前普遍使用的电力电缆通常是铜芯交联聚乙烯绝缘钢带铠装聚氯乙稀护套电 缆。一般电缆过热发生在接头位置，该处是电缆连接其他设备或两根电缆相互连接， 由于接触电阻过大导致接头损耗功率过高，破坏了正常状态下的绝缘介质等外部材 料热平衡，随着温度不断上升，引起介质分解、炭化等，致使介质发生击穿，最终导 致电缆热安全事故发生。接头线芯温度是电缆热状态的一个重要参数，当电缆满负 荷运行时，线芯温度往往已达到允许温度。电缆一旦过负荷，线芯温度将急剧上升， 高于允许温度，加速电缆绝缘老化，甚至发生绝缘介质热击穿。据文献报导，交联聚 乙烯电力电缆，当导体温度高于1 3 7 。c 时，绝缘介质热稳定性变差，从而有可能发牛 绝缘介质击穿，但在电缆运行条件下直接检测电缆的线芯温度，目前尚无理想的方 法。 在当前的技术条件下，一种现实可行的方法是通过电缆表面温度来间接地判断 内部线芯导体的热状态，即其温度是否超过了某个特定的阈值电缆状态安全的 临界点。因此，问题的核心由如何测量线芯导体温度转变为如何通过电缆外表面温 度判断导体线芯的热状态，而表面温度的测量，以目前逐步成熟的远程测温技术是 完全能够胜任的，但是，尚有如下问题需要解决，也是本论文工作的研究内容。 首先也最为重要的是闽值的选择，但( 1 ) 电缆型号繁多、接头类型多样，难以 设定；( 2 ) 即使线芯导体大幅升温，由于大量低热导、高热容材料存在，外部温度 变化微小，不利于对线芯状态作出判断，并且易受环境因素干扰：( 3 ) 由于安全原 因，实际测温点通常距离电缆接头约2 0 4 0 c m 以外，在相同的线芯导体温升幅度 下，该测点较接头表面受导体温升影响更小，对线芯热状态判断准确性低。 其次，监测系统终年运行，处于前端的温度探头工作环境将随着季节的变化而 发生改变，尤其布设于户外的温度探头受到温度、湿度变化影响最为显著，这些变 化是否对电缆热安全状态的判断产生影响，程度如何等等。 7 本章小节： 本章主要对电缆热安全事故的经济与社会影响进行了调查，分析了电缆热安全 事故的起因，发展等，就现有监测技术的缺陷进行了探讨，最终总结了电缆热安全 监测研究目前需要解决的问题，为后续工作指明了对象。 8 传热解析与研究方案 第二章传热解析与研究方案 第一节传热解析 目前，直埋式的电缆布设方式已经逐渐被淘汰，即使布设于地沟中的电缆也 位于支架之上，由于地沟及电气柜等空间的相对封闭性，所以，电缆接头自身与 其所连接的电力设备通常水平或者竖直地处于个相对静止的气体环境里，并且 电缆尺寸远小于其所处封闭空间的体积。 理论上近似是一种无限长圆柱体处于一无限大流体空间的传热问题，以水乎 放置的电缆中间接头为例，在定的接头损耗之下，电缆内外已经形成了稳定的 热平衡状态，若接头损耗增加，破坏了已有的平衡状态，电缆温度分布将发生改 变，直到新的热平衡建立。 接头损耗自线芯导体产生后，将沿径向与轴向向外传递，沿径向方向将经历 屏蔽、绝缘、填充、包带、钢铠与护套结构等最终到达电缆表面，该热流将继续 加热周围的环境气体，改变流体的相对密度分布，受热的气体在浮升力的驱动下 上升，周围的较冷气体将流入以填充热气体走后遗留的空间。 气固两相介质区域内的传热过程遵从以下界面关系： ( 1 ) 热流密度连续，q w 。= g 。 l 。 ( 2 l a ) ( 2 ) 第三类边界舭以。h 巧刊。 ( 2 】b ) 式中i 、1 1 分别代表电缆的固体区域与空气的流体区域，在每相介质的内部将分 别满足如下传热方程。 固体区域： 关于固体导热方程的维数，考虑结构与气体流动的对称性，所研究的三芯电 缆中间接头、终端接头与单芯电缆中间接头三种类型中，只有竖直状态的三芯电 缆终端接头在结构与流动两方面都沿径向对称，导热方程可以方便地采用柱坐 标，至于单芯电缆虽然结构上是对称的，但由于自然对流的影响，水平放置的单 芯电缆中间接头的外部气体流动并不对称，方程维数高于三芯电缆终端接头。限 于篇幅，本文以三芯电缆中间接头为例。 昙( 七罢) + 号( 七孑) + 昙l 署) + 亏= 以署 c z z ， 传热解析与研究方案 式中“，v ，w x ，y ，z 三个方向上的速度，k 一固体导热系数，审一单位体积损 耗功率。 考虑到电缆的分层结构，自里向外有导体、绝缘、护套等主要构成，因此， 方程( 2 2 ) 应改写为如下形式： 酣a ( ka 融t 、i + 孙詈) + 酣a ( ko 瑟t 乜嘲。百o t s 厢伽渤 式中，一第f 层的内外半径，t 一第f 层导热系数，q j 一第f 层单位体积损 耗功率。 各层之间若忽略接触热阻，则界面关系满足如下条件： ( 1 ) 温度连续，i 。= i ( 2 m ) ( 2 ) 热流密度连续，q w i 。= g 。i ( 2 - 4 6 ) 若考虑接触熟阻，则温度连续条件不再成立，熟阻大小由 流体区域： 流体区域是包围电缆的无限大空气层，虽然形式上是圆柱环结构，但电缆中 间接头水平放置，在电缆表面温升作用的影响下，l 临近气体将受热上升形成自然 对流，改变了类似于三芯电缆终端接头的气体流动的轴对称状态，因此将是三维 对流换热，有如下控制方程： 1 连续性方程 詈+ c 掣十等+ 掣m c z 5 ， 式p 一流体密度，v ，w x ，y ，z 三个方向的速度。 2 动量方程 p ( 警+ “罢+ v 考+ w 警 = 以+ 警+ 等+ 誓 c 2 _ 6 a ， p 滢+ “罢+ v 雾+ w 刳= 孵+ 誓+ 誓+ 鲁 亿6 b ， p ( 罢+ “芸+ v 考+ w 老 = p c + 鲁+ 等+ 誓 c 2 6 c ， 。一 堡垫堡塑兰塑堑塑壅 式中f 一流体单位质量的质量力，当质量力仅为重力时，f ：g 。靠一单位 面积上的表面力，对粘性流体可以分为切向与法向向量。 3 能量方程 ，鲁一矽。十v ( 帅+ 埘 ( 2 7 ) 式中 。= z ( 鲁) 2 + z ( 考 2 + z ( 老) 2 + ( 塞+ 考 2 + ( 茅+ 塞 2 + ( 老+ 警 2 + 兄f 丝+ 鱼+ 丝 2 l 苏砂出 ( 2 8 ) 式中p 一气体密度，一气体温度，“，v ，w 一气体在z ，y ，：三个方向上的速度。 4 状态方程 p v = n r t ( 2 ，9 ) 联合方程( 2 2 ) ( 2 1 0 ) ，理论上当给定边界条件初实条件，此类非稳态导热 问题应有解析解，实际上边界条件是难以给定的。 在一般性的换热问题分析时，固体边界上的换热条件都作出了规定 1 ： ( 1 ) 给定边界上的温度分布：( 2 ) 规定边界上的热流分布、( 3 ) 给出壁面温 度与热流密度问的依变关系，这就是所谓的三类边界条件。它们分别相应于数学 上的d i r i c h l e t 问题、n e u m a n n 问题及r o b i n 问题。不过，应注意的是，第三类 边界条件中所规定的对流换热系数并非求解区域内的值，丽是边界外环境流体与 边界间的对流换热系数。 在本问题中流体与固体间的换热系数是无法预先规定的。界面上的温度还是 热流密度都应该视为计算结果的一部分，而不是已知条件。在传热学里，类似这 类热边界条件是由热量交换过程动态地加以决定而不能预先规定的问题，是独立 于三类典型边界问题之外的耦合传热问题。目前大多数有实际意义的耦合问题都 无法获得解析解，而需要采用数值解法。 若对问题进行了简化，预先规定固体边界条件的近似平均对流换热关系，一 般能够得出一些解析解，目前主要有如下两种结果： 1 1 传热解析与研究方案 等效热路法【2 ： 等效热路是工程分析中广泛采用的简化方法，适用前提是一维稳态热传导而 且没有内热源，即假设电缆各种损耗由外部输入，并且温度分布是稳定的并在轴 向是均匀的。在该前提下，基于能量守恒关系，传热速率并不随着径向距离变化 两改变。 热场中温度分布满足傅立叶方程 塑：胛2 口+ 娶 ( 2 1 0 ) 8 tc 、 式中：口一温度；2 一热传导系数：e 一单位体积热容：一热源功率。 电缆的几何结构宜采用圆柱坐标系，考虑到边界条件，绝缘层内表面r = 处 温度为包，外表面温度r = 处温度为包，可得 吃2 巧口c - 8 , 2 等 l i ) 2 砝 式中：驴一单位长度电缆的导体损耗：占一绝缘层的温度羞；五绝缘层热阻。 若考虑绝缘层中的介质损耗和单位长度电缆的导体损耗，则可得下式： 睨+ 警= 华 式中：矿。一单位长度绝缘层介质损耗。 再考虑到电缆的衬垫层、外护套层、可以画出等效熟路图如下 图一2 1 单芯电缆等效热路 图中嘭为单位长度护套损耗；畋为单位长度铠装损耗；互、五、e 、为各 1 2 传热解析与研究方案 层热阻。由图一2 1 可以看出，总的温度差的表达式： 目= ( + 等) 五+ ( 彬+ + 哌) 正+ ( 形+ + 噬+ 觋) ( 正+ l ) ( z t 。) 只要确定了各结构的损耗以及热阻，就能够计算出电缆导体线芯与外表面的 温差，通常导体损耗是由于电流流过导体，在导体电阻上产生损耗，以y j l v 2 9 电缆为例，单位长度电缆导体在常温2 0 。c 时的电阻为： 胄2 0 = p 彳k ik 2 k 3 = 9 11 6 x1 0 。( q i c m )( 2 1 4 ) 式中：6 f 一导体的电阻系数；a 一电缆标称截面积；墨一扭绞系数，取1 0 1 2 ； 尼一成缆系数，取1 0 0 7 ；k 3 一压紧系数，取1 0 1 。必须要说明的是，导体线 芯是由数根细金属线扭绞而成，彼此之间结合非常紧密，在接触热阻可以忽略的 条件下，通常将线芯导体视为金属圆柱体。 电缆在最高允许工作温度9 0 。c 时，导体的电阻为： = r 2 0 1 + a ( 9 0 2 0 ) = 1 1 6 8 1 0 5 ( q c m ) ( 2 1 5 ) 式中：口一常温下的导体电阻温度系数，取o 0 0 4 0 3 。 趋表效应因子咒与临近效应因子k 在计算中忽略对结果并不产生较大影响。 若载流量为9 2 a ，导体损耗为： 吸= 1 2 r = o 0 9 8 9 ( w c m ) ( 2 1 6 ) 通常高压输电设备的载流量远低于9 0 a ，所以导体损耗将是一个更小的数， 虽然电缆接头的电阻较高，但是也仅在百微欧的数量级上，以安庆石化炼油厂 6 k v 高压输电线路为例正常工作载流为3 0 a ，假设接头电阻为1 0 0 0 微欧，则 导体损耗为： 巩= 1 2 r = 3 0 2x 1 0 0 0 x 1 0 。= 0 9 ( w ) ( 2 1 7 ) 其他的结构，如绝缘层损耗、护套损耗与锫装损耗比导体损耗低一到数个数 量级，因此，电缆损耗应与导体损耗在同一数量级上，其他结构的损耗与热阻计 算可以参阅 。 类似单芯电缆，三芯电缆的等效热路图如下所示： 传热解析与研究方案 图一2 2 三芯电缆等效热路 则线芯导体与外表面温差可以表示为： a o = c w 。+ 寺) 五+ l 呒( 1 + ) + 】3 乏+ k ( 1 + + 也) + - 3 五 ( 2 1 s ) 将前述数据代入上式可得a b 兰1 7 。c 。若以线芯导体温度为8 0 摄氏度，则外 表面漫度应为6 3 摄氏度。参考图一2 2 发现上述分析过程针对的是三芯电缆线 芯导体的损耗功率相同的情形，即所有线芯同时过热，在现实过程中出现的可能 性非常小，通常的情形是三芯电缆其中一芯过热，三芯损耗功率各不相同，线芯 导体温度也不相同，所以上述方法的计算结果在多数情况下将高估电缆的内外温 差，可能出现当线芯已经达到危险的过热状态但仍被判断为正常的漏报情形。 一维稳态解析解 3 ： 类似于电缆接头过热的耦合换热过程的解析描述通常是不可得的，但是在一 系列的假设前提下，简化后的方程还是能够获得严格的解析解，因此假设前提与 实际条件的吻合程度，将影响解析解最终的适用范围。 对于电缆接头过热问题的解析解存在的基本假设： 稳态假设：电缆表面与空气自然对流传热，当发热与散热达到热平衡时，温 度分布不随时间变化； 常物性假设：构成电缆的各种材料的物性参数为常数； 一维假设：电缆长度相对于直径是无限长的，只在半径方向上有温度梯度， 因此热量沿径向传导是一维的； 其他：电缆的单位时间单位体积发热量为常数，线芯内的温度是均一的；绝 缘层的发热功率是均匀的；忽略线芯与绝缘层及复合层之间的接触热阻。 在上述假设下，电缆的导体线芯与介质损耗功率等于电缆外表面与环境交换 热量的速率。对于单芯电缆，可得如下热传导方程( 电缆为圆柱体，采用柱坐标 堡垫坚塑皇竺圣塑墨 较方便) ： ；未( r 警心= 。 圳 分离变量并积分最终可得到电缆温度分布的通解为： 丁( ，) = 一q 4 七r 2 + g i n r + c 2 ( 2 2 。) 其边界条件如下： 铲一i r ad t c z 叫乱 z ， 将( 2 2 l 】代x c 2 2 0 ) ，则得电缆绝缘层的温度分布函数为： r ( 4 - l 舡一啦2 n 讣轰m 争 式中l 为绝缘层外表面温度；口为绝缘层平均损耗：r 2 为绝缘层外径：q 。为 绝缘层外表面的导热速率；k 为绝缘层导热系数。 若令电缆外表面与环境气体之间的单位长度热阻为置删，；a 为斯蒂芬一玻尔 兹曼常数：f 为表面发射率，可得： 吼2 等收叩( 产 z 。， 由于导体材料通常为铜或铝，导热系数远大于绝缘材料( 聚乙烯) ，因此电 缆内部温度梯度主要出现在绝缘层，导体线芯截面上被认为是温度均匀分布，则 在忽略接触热阻的前提下，绝缘层内表面温度就是导体线芯温度。 若绝缘层内径为，l ：为绝缘层外表面温度，则内表面温度i 。可以通过下 式求得： 为母孙2 吖啦2 n 酬+ 彘h c 斧 z 。， 只需将换热速率吼与单位面积绝缘介质损耗4 2 志代入上式，通常绝 缘层介质损耗采用如下公式计算： = c o c u 2 培占 ( 2 2 5 ) 传热解析与研究方案 式中：c 一每相单位长度导体电容；u 一相电压；a 一电源角频率；t g $ 介质 损耗角【4 】。 该解析解考虑了线芯导体与绝缘层，适用于单芯电缆，但实际的电缆结构在 绝缘之外还有多层结构，包括包带、内护套、钢铠与外护套等，所以实际上绝缘 表面温度也不是可以直接测量的物理参数，虽然包带、钢铠等厚度小，导热系数 大，在热场计算中可以忽略，但内外护套，通常为聚氯乙烯材料，必须加以考虑， 所以该公式在工程计算中仍需要加以扩展，最终的形式为护套表面温度与线芯导 体温度之间的关系。 此外，电气与热物性参数需要明确，如电缆外表面与环境气体之间的单位长 度热阻，每相单位长度导体电容等都是难以获知的量，通常采用一些不够精确的 估计值，因此，计算结果的误差难以保证。 更为严重的是如果电缆线芯过热，通常在接头位置，其在周围的一定区域内 必将形成温度梯度，而在此区域之外的电缆与正常工作时的热状态并无不同之 处。所以，一维假设无法成立，单芯电缆接头过热实质上是二维( 径向、轴向) 非稳态导热与对流耦合换热现象，一般而言，解析方法并不有效。同样，对于多 芯电缆某一导体线芯过热，将是三维非稳态导热与对流耦合换热问题，问题的复 杂程度进一步增加。 1 6 传热解析与研究方案 第二节研究方案 电缆热损耗功率是热状态安全与否的决定性因素，正常运行时电缆内外已经 建立了稳定的热平衡态，当损耗增加破坏已有的平衡，温度分布随之改变直到薪 平衡态的建立，整个发展过程依赖于损耗功率、电缆的结构形式与环境因素。由 于热损耗9 0 以上来自线芯，热流自内向外逐渐地改变电缆内外的温度分布， 并且绝缘、包带、护套等材料的低导热性，线芯温度与热损耗量近似成正比，因 此关于电缆热安全的规定实质上是对电缆线芯温度范围的界定。 国家标准 5 中关于电缆线芯导体正常工作温度上限是8 0 摄氏度，所以，线 芯导体的安全温度上限应在8 0 摄氏度以内。但简单的绝对湿度阚值设定是不合 适的，同样的温度上限在不同季节其接头的损耗功率是不同的，如处于冬季低温 环境下线芯温度达到8 0 摄氏度相对于夏季高温需要高的多的损耗功率，此外同 样功率的电缆过热过程在冬季低温环境下被认为是正常的，但在夏季则可能被作 为过热事故而被发现。 因此采用相对温升( 线芯温度与环境温度差) 作为报警阈值更为合适，这样相 同的过热过程将不因为一年四季的气温变化丽导致不同的判断结果。对于导体线 芯8 0 摄氏度的温度上限，在夏季最高环境温度4 0 摄氏度下，相对温升是4 0 摄 氏度，该温度值作为相对温升下限是合理的，在后续的关于电缆热安全状态的界 定介绍都将围绕着相对温升4 0 摄氏度的特定量。 承续前文，以现有的技术对运行中的线芯温度测量是无法进行的，所以温度 探头都布设在线芯之外，除不能够损坏电力电缆之外，还必须在一定的安全距离 之外，而人们通常设想的温度探头直接布置于电缆接头之上的安装方案在现场是 无法实行的，一方面，电气柜内大量的终端接头无任何绝缘防护，禁止将任何设 备直接放置：一方面，即使防护完善的中间接头在当发生绝缘失效事故后，高压 电流易沿近处温度探头的金属通信线缆窜入远端分析处理平台，造成设各毁损与 人员伤亡。因此，在通信线缆进入监控中心之前采用光电耦合设备进行隔离之外， 温度探头均安装在距离电缆接头2 0 4 0 c m 的轴向表面沿线上，具体距离由接头 种类( 中间接头、终端接头) 、电缆型号以及现场状况决定，最终目的是为了在 尽量降低响应周期的同时确保系统安全。所以，自温度探头传输回远端分析处理 平台的数据不是电缆接头的实时温度，而是离电缆接头一定轴向距离的外护套表 1 7 传热解析与研究方案 面温度。 在电缆热安全监测系统设计以及工程安装中，相信前述原则将被继续遵守， 即尽量接近电缆接头的同时最大限度的保证安全。所以，我们需要通过这些离电 缆接头一定轴向距离的电缆外表面温度对电缆接头线芯的热状态作出判断，建立 一种由表及里，自外而内的监测能力。 综上所述，对研究工作的最终目标进行个简单的界定：“研究一种基于一 定距离( 2 0 4 0 c m ) 外表面温度诊断电缆接头线芯热状态的方法，而对于导体 线芯温度在轴向、径向的分布以及外护套之内其他材料的温度分布并不关心。” 在进一步分析之前，对普通电力电缆进行解剖，看看麻雀虽小，五脏俱全。 参考国际电工委员会推荐i e c 标准与国家g b l 2 7 0 6 额定电压3 5 k v 及以下铜 芯、铝芯塑料绝缘电缆，电缆类型与导体标称截面积是电缆设备最重要的性能 参数。 以单芯聚乙烯绝缘钢带铠装电缆为例，自线芯导体向外，依次有导体屏蔽、 绝缘、绝缘屏蔽、铜带屏蔽、包带、内护套、钢带铠装与外护套( 附录图一l 、2 ) 。 屏蔽、包带、铠装层的厚度很小。绝缘厚度相对一致，而内外护套的厚度随着电 缆线芯标称截面积增加而递增。三芯电缆相对于单芯电缆，仅在各芯之间增加了 填充物。绝缘层通常采用聚乙烯材料，可能某些新产品采用改进后的交联聚乙烯 材料，物性参数会有所改变；护套层一般是聚氯乙烯。在对机械强度要求较低的 环境，一般会采用无钢带铠装电缆以降低成本，而钢丝铠装是另外一种形式，都 是为了增强电缆的机械强度。 上述完整的电缆结构在电缆中间接头部分被完整保留：至于终端接头，电缆 护套、钢铠等除绝缘层以外的外部构造已经被完全剥离。关于电缆的详细信息可 参阅电线电缆手册。 依据前文关于电缆过热现象的理论分析，一般意义的耦台传热问题的解析解 是不存在的，而种类繁多的电缆，如果一一进行实验，在有限的时间与资金限制 下，是不可行也是不必要的。 随着现代计算技术的高速发展与数值传热学的成熟，类似的问题能够通过数 值模拟的方式解决，虽然不是普遍意义上的结论，但在特定的工程应用领域有着 巨大的经济与效率优势，并已经成为一种重要而普遍的研究方式。 1 8 传热解析与研究方案 因此，我们选择数值计算作为研究工作的主要手段，结果证明这样的选择是 科学与合理的，关于数值计算部分将在第三章详细介绍。但实验研究无疑仍是传 热问题最基本的研究方法。这是因为，数值计算中所采用的物理与数学模型需要 通过对现象的必要观测与测定才能建立；数值计算所需的流体或固体的物理特性 需要通过实验测定来获得；而数值计算的准确性也往往需要通过与必要的实验结 果比较才能确认，第五章中的内容即是该思想的体现。 本章小节： 本章由两部分构成，首先通过对电缆过热现象进行理论分析以制定科学合理 的研究方案。作为一种有着实际意义的两相介质耦合换热问题，在综合考虑了解 析、实验与模拟三种方式后，发现在现有的条件下，数值计算为最合适的选择。 其次，对国家标准的分析，建立了关于电缆热安全的判断准则，阐述了基于表面 温度的电缆热安全监测技术研究的核心内容。本章是全文的总纲，后续章节均是 上述内容的具体表现。 参考文献： 1 陶文铨著数值传热学。西安交通大学出版社，2 0 0 1 4 8 3 - - 4 8 8 2 李传伦，黄擎电力电缆表面温度的监测东北电力学院学报1 9 9 5 1 5 ：7 3 8 0 3 赵建华，袁宏永，范维澄基于表面温度场的电缆线芯温度在线诊断研究中国电机工 程学报1 9 9 9 1 9 ：5 2 5 5 4 金之偷，肖登明，王耀德介质损耗角的数字化测量高电压技术1 9 9 9 2 5 ：4 9 5 2 5 ，国家标准g b l 2 7 0 6 额定电压3 5 k v 及以下铜芯、铝芯塑料绝缘电缆 传热解析与研究方案 附录： 图一1 地沟里的电缆中间接头 图一2 电气柜里的电缆终端接头 皇塑塑塞堑塑墼堡堡型 第三章电缆温度场的数值模拟 第一节电缆参数 电缆是强制性的标准工业产品，英国、德国、美国、中国等主要国家都制定 了各自的国家标准，而其他国家多参照上述标准发展了自身的国家标准，表面上 标准繁多，实际上多数内容雷同。 目前，国内电缆生产企业普遍遵从国家g b l 2 7 0 6 额定电压3 5 k v 及以下 铜芯、铝芯塑料绝缘电缆，也可按照客户需要依据国际电工委员会推荐标准i e c 或他国标准生产。 交联聚乙烯【1 】绝缘电力电缆是采用化学方法或物理方法，使聚乙烯分子由线 型分子结构转变为三维网状结构，由热塑性的聚乙烯变成热固性的交联聚乙烯， 从而提高了聚乙烯的耐老化性能、机械性能和抗腐蚀能力，并保持了优良的电气 性能。 交联聚乙烯绝缘电力电缆导体的长期最高允许温为9 0 0 。c ，较低绝缘电缆、 聚氯乙烯绝缘电缆和聚乙烯绝缘电缆高，且具有重量轻、结构简单、使用方便、 耐化学腐蚀和敷设不受落差限制等优点。 需要特别指出的是，由于作者专业方向的关系，关于电缆电气、机械等性能 2 仅有粗略的了解，不可避免地存在一些认识方面的差距，欢迎指正。 1 工频额定电压u 0 u 为3 6 6 k v 2 6 3 s k y ； 2 电缆导体的最高允许工作温度：9 0 。c ： 3 短路时( 最长时间不超过5 s ) 电缆导体的最高温度不超过。 4 电缆敷设时环境温度应不低于0 a c ； 5 电缆弯曲半径：三芯电缆不小于电缆外径1 s 倍：单芯电缆不小于电 缆外径2 0 倍。 备注：u o 是电缆设计用的导体对地或金属屏蔽之间的额定工作电压；u 是电缆 设计的导体间额定工频电压；u 。是设备可承受“最高系统电压”的最大值。 在国家标准中对电缆型号的命名以及主要参数做了如下的规定： 型号名称适用范围 y 】v铜芯交联聚乙烯绝缘氧乙烯护套电力电缆室内、隧道及电缆沟等场所1 ：f = = 能承 y 儿_ v铝芯交联聚己烯绝缘乙烯护套电力电缆受机械外力。单芯电缆不允许敷设在 皇丝望垦堑塑塑堕堡垫 y j y 铜芯交联聚乙烯绝缘氯乙烯护套电力电缆磁性管道中。 y l y 锅芯交联聚乙烯绝缘氯乙烯护集电力电缆 y 】v 2 2 钢芯交联聚乙烯绝缘钢带铠装聚氯乙烯护套电力电缆 室内、隧道、电缆沟内，或埋地敷设 y 儿v 2 2 铝芯变联聚乙烯绝缘钢带铠装聚氯乙烯护套电力电缆等，能承受一定机械，1 j j ，但小能承 y w 2 3 锏芯变联裂乙烯绝缘钢带铠装聚氯己烯护套电力电缆 受大的拉力。 y 】l v 2 3 铝芯交联聚乙烯绝缘铡带铠装聚氯乙烯护套电力电缆 y v 3 2 铜芯交联聚乙烯绝缘细钏丝铠装聚氯乙烯护套电力电缆室内、隧道、电缆沟、竖井或埋地敷 y 】【- v 3 2 铝芯交联聚乙烯绝缘细钢丝铠装聚氯乙烯护套电力电缆设等，能承受机械外力和一定的拉 y v 3 3 制芯交联聚乙烯绝缘细钢丝铠装聚氯乙烯护套电力电缆 力。 y 儿v 3 3锚芯交联泉乙烯绝缘钢带铠装聚氯乙烯护套也力电缆 表一1电缆型号命名规则 额定电压 型号芯数3 6 66 66 1 08 7 1 01 2 2 01 8 2 0 2 1 3 5 2 6 ，3 5 8 7 1 51 8 3 0 导体标称截面积 y j v 1 3 2 5 8 0 02 5 - 8 0 03 s 一8 0 05 0 - - 6 3 05 0 6 3 05 0 6 3 02 5 8 0 0 y 】l v y y 2 5 6 3 02 5 6 3 02 5 5 0 03 5 5 0 05 0 - - 4 0 0s 0 4 0 05 0 - - 4 0 0 y 】l y y j v 2 2 1 32 5 8 0 0 2 5 8 0 02 5 8 0 03 5 8 0 0s 0 6 3 05 0 - - 6 3 05 0 6 3 0 y 】l 、，2 2 y j y 2 3 2 5 - - 6 3 02 5 6 3 02 5 5 0 03 s 一5 0 05 0 - - 4 0 05 0 - 4 0 05 0 4 0 0 y 儿v 2 3 y 】v 3 2 i 3 2 5 - 8 0 02 5 8 0 02 5 - 8 0 03 5 - 8 0 0s 0 6 3 05 0 - - 6 3 05 0 6 3 0 y l v 3 2 y 】y 3 3 2 5 6 3 02 5 6 3 02 5 - - 4 0 03 5 - - 4 0 05 0 2 4 05 0 1 8 5 5 0 1 5 0 y 】l y 3 3 表一2标准电缆主要参数 作为强制性的标准工业产品，电缆的主要参数是型号、芯数、额定电压与标称截 面积，其他产品参数都由上述四者确定。电缆种类繁多，在本文有限的篇幅内无 法一一列举，更未详尽的资料请参阅国家标准与各厂家的产品说明。 导体标称截面积导体直径绝缘厚度外护套厚度电缆近似外径电缆近似重量 im m 2m mm mm mm m k g k m y 】v 2 2y 儿_ v 2 2 2 2 一 皇堡望堡堑塑塑堡堡塑 2 s6 0 2 ，52 3 4 0 5 2 7 6 02 3 0 0 3 5 7 ，o2 5 2 ，3 4 3 o3 2 1 0 2 5 5 0 5 08 3 2 52 4 4 6 i3 8 3 02 8 9 0 7 0 9 82 52 6 4 9 74 6 5 03 3 4 0 9 5l l ，52 5 2 ，75 3 。8 5 6 3 03 8 s 0 1 2 01 z 9 2 52 8 5 7 26 5 5 04 3 1 0 1 5 01 4 52