（电气工程专业论文）基于等效电容法的电缆附件电场温度场耦合分析研究.pdf

r e s e a r c ho f c o u p l e d a n a l y s i sm e t h o d f o re l e c t r i c - t h e r m a lf i e l do f p o w e r c a b l ea c c e s s o r i e sb a s e do ne q u i v a l e n t c a p a c i t a n c em e t h o d 蚵 w u ，d b e ( q 岫l 肺呻o f s c i e n o e & r c h 的j 0 9 y ) 2 0 0 7 i n l h e g r a d u a t es c h o o l o f p r o f e s s o rw a n g f e n g m a y ，2 0 1 1 23帅6609iiii_哪y 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 装表 日期2 0 f1 年f 月巧同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 ， 2 、不保密日。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：哭参 导师繇弋j a 同期：2 , e 1 1 年厂月万日 同期：2 。i l 年r 月) 日 基于等效i 乜容法的电缆附件电场温度场耦合分析研究 摘要 随着电力电缆在电力系统中得到广泛应用，其供电可靠性受到电力部门和电 力用户越来越高的关注。电缆附件作为实现电缆之间连接以及电缆与其他电气设 备连接的重要部件，其运行正常与否直接关系到电网安全，然而实际中电缆附件 的故障率一直偏高。对电缆附件故障进行统计和分析后发现，由其绝缘老化引发 的故障占到7 0 以上。电场和温度场是影响绝缘材料性能和造成绝缘材料老化的 重要因素，为改善电缆附件产品的绝缘设计和延长电缆附件使用寿命，研究电缆 附件内部电场和温度场的耦合特性以及这种耦合特性对电缆附件绝缘的影响具有 十分重要的意义。 本文在综述了电力电缆及附件故障类型和故障原因的基础上，详细阐明了电 场和温度场影响交联聚乙烯的绝缘性能的机理。根据现有的电缆附件电场和温度 场的有限元计算理论，以介质损耗基本公式出发，建立基于等效电容法的电缆附 件电场一温度场耦合分析的数值计算公式，并得到了电缆附件内热源计算方法。 在分析电缆附件内部热源的基础上，采用有限元分析软件a n s y s ，建立了高 压电缆附件电场一温度场耦合分析模型。利用此模型对110 k v 电缆中间接头和电 缆终端进行电场一温度场耦合特性仿真，得到ll0 k v 电缆中间接头和电缆终端在 各自不同情况下的温度场一电场分布特性。另外，还研究了环境温度对电缆中间接 头运行温度的影响、电缆中间接头和电缆终端中工作电流对各自温度场的影响以 及电缆终端绝缘材料的介质损耗角正切值对其温度场的影响，并利用建立的场域 分析方法对1 1 0 k v 电缆终端局部异常发热的故障实例进行仿真。结果表明，由于 绝缘材料老化、环境温度和工作电流等因素的影响，可导致电缆附件内部温度升 高，从而使得附件内部电场分布发生改变，严重可导致电缆附件发生热击穿或电 击穿。 关键词：电缆附件；绝缘老化；电场温度场耦合特性；温度场电场分布特性 a b s t r a c t w i t hw i d e l ya p p l i c a t i o n so fp o w e rc a b l e si nt h ep o w e rs y s t e m ，t h er e l i a b i l i t yo f t h e s ed e v i c e si sa t t r a c t i n gm o r ea n dm o r ep o w e rp r o v i d e r sa n dc o n s u m e r s a t t e n t i o n p o w e rc a b l ea c c e s s o r i e sa r eu s e df o r c o n n e c t i n gc a b l e s a sw e l la sc o n n e c t i o n b e t w e e no t h e re l e c t r i c a le q u i p m e n ta n dt h e i ro p e r a t i n gs t a t u sa r ed i r e c t l yr e l a t e dt o t h es e c u r i t yo fp o w e rg r i d ，w h e r e a st h ef a i l u r er a t eo ft h ea c c e s s o r i e si np r a c t i c eh a s a l w a y sb e e nh i g h t h es t a t i s t i c a la n a l y s i sf o rf a i l u r e so fc a b l ea c c e s s o r i e ss h o w e d t h a ts u c hf a i l u r ec a u s e db yi n s u l a t i o na g i n ga c c o u n t e df o rm o r et h a n7 0 e l e c t r i c f i e l da n dt h e r m a lf i e l dc a na f f e c tt h ep r o p e r t i e so fi n s u l a t i o nm a t e r i a la n dc a u s et h e a g i n go fi n s u l a t i o n a i m i n ga ti m p r o v i n gd e s i g no fi n s u l a t i o nf o rc a b l ea c c e s s o r y p r o d u c t sa n dp r o l o n g i n gt h e i rs e r v i c el i f e ，i ti so fg r e a ti m p o r t a n c et os t u d yt h e c o u p l i n gc h a r a c t e r i s t i c so fe l e c t r i cf i e l da n dt h e r m a lf i e l di n s i d ec a b l ea c c e s s o r i e sa s w e l la sa n a l y z ei n f l u e n c e so ft h ec h a r a c t e r i s t i c so nt h ei n s u l a t i o n b a s e do nt h e s u m m a r y o ff a i l u r e t y p e sa n dc a u s e s o fp o w e rc a b l e sa n d a c c e s s o r i e s ，t h ei n f l u e n c em e c h a n i s m so fe l e c t r i cf i e l da n dt h e r m a lf i e l do nx l p e i n s u l a t i o nw a se l a b o r a t e di nt h i sp a p e r a c c o r d i n gt ot h ee x i s t i n gf i n i t ee l e m e n tt h e o r y f o rc a l c u l a t i n ge l e c t r i cf i e l da n dt h e r m a lf i e l do fc a b l ea c c e s s o r i e s t h ef o r m u l aw h i c h i so nt h eb a s i so fe q u i v a l e n tc a p a c i t a n c em e t h o dw a sd e d u c e df r o mt h ed i e l e c t r i cl o s s b a s i cf o r m u l a a p p l y i n gt h i sf o r m u l a ，t h ec o u p l i n gr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ee l e c t r i c f i e l da n dt h e r m a lf i e l dc a nb ea n a l y z e da n dt h ec o m p u t i n gm e t h o d sf o ri n n e rh e a t r e s o u r c e so fc a b l ea c c e s s o r yw e r ea l s oo b t a i n e d t h r o u g ht h ea n a l y s i so fh e a t s o u r c e si nt h e o p e r a t i n gc a b l ea c c e s s o r y ，t h e c o u p l i n ga n a l y t i cm o d e lf o re l e c t r i c t h e r m a lf i e l do fh i g hv o l t a g ec a b l ea c c e s s o r i e s h a sb e e ne s t a b l i s h e d u s i n gt h ea n s y ss o f t w a r e t h es i m u l a t i o no ft h ec o u p l i n g c h a r a c t e r i s t i c sf o rs t u d y i n ge l e c t r i c t h e r m a lf i e l do f110 k vc a b l ei o i n ta n dt e r m i n a l h a sb e e na c c o m p l i s h e d ，a n dt h ed i f f e r e n td i s t r i b u t i o nc h a r a c t e “s t i c so ft h ef i e l d sh a v e b e e no b t a i n e d i na d d i t i o n ，t h ei m p a c to fv a r i o u sf a c t o r s ，o nt h e r m a lf i e l do fc a b l e a c c e s s o r yh a v eb e e nc o n c e r n e d ，i n c l u d i n gt h ea m b i e n tt e m p e r a t u r eo no p e r a t i n g t e m p e r a t u r eo fc a b l ej o i n t ，t h ew o r k i n gc u r r e n to nt h e r m a lf i e l do fc a b l ej o i n ta n d c a b l et e r m i n a la sw e l ia st h ed i e l e c t r i cl o s s a n g l et a n g e n to nt h e r m a lf i e l do fc a b l e t e r m i n a l t h ep r a c t i c a lf a u l ta b o u ta b n o r m a lh e a t i n go f110 k vc a b l et e r m i n a lw a s s i m u l a t e db yf i e l da n a l y s i sm e t h o d t h es t u d ys h o w e dt h a t i ns o m eo c c a s i o na g e d 基于等效电容法的电缆附件电场温度场耦合分析研究 i n s u l a t i o n ，a m b i e n tt e m p e r a t u r ea n dw o r k i n gc u r r e n tc o u l d r a i s et h ea c c e s s o r y t e m p e r a t u r e ，w h i c hc o u l dl e a dt h ed i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i co ft h ei n n e re l e c t r i cf i e l d o ft h eo p e r a t i n ga c c e s s o r yd e v i a t ef r o mt h a to fd e s i g n m o r e o v e r , u n d e rs o m ew o r s e c o n d i t i o n s ，i tc a nr e s u l ti nt h e r m a lo re l e c t r i cb r e a k d o w no fp r o d u c t s k e yw o r d s ：c a b l ea c c e s s o r i e s ；a g i n go fi n s u l a t i o n ；c o u p l i n gc h a r a c t e r i s t i c so f e l e c t r i c - t h e r m a lf i e l d ；d i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h e r m a l - e l e c t r i cf i e l d i v 硕十学位论文 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要1 i a b s t r a c t i i i 第l 章绪论一l 1 1 电力电缆及附件的应用1 1 2 电力电缆及附件的故障一2 1 2 1 电力电缆及附件的故障分类3 1 2 2 电力电缆及附件的故障原因3 1 3 国内外研究现状一4 1 3 1 电力电缆及附件电场的研究4 1 3 2 电力电缆及附件温度场的研究一6 1 4 论文的主要工作一8 第2 章电场与温度场对电缆附件绝缘性能的影响l o 2 1x l p e 电缆附件1 0 2 1 1x l p e 电缆附件的种类1 0 2 1 2x l p e 电缆附件的结构1 1 2 2x l p e 绝缘老化原因分析1 4 2 3 电场和温度场对x l p e 电缆附件绝缘性能的影响1 5 2 3 1 电场对x l p e 电缆附件绝缘性能的影响1 5 2 3 2 温度场对x l p e 电缆附件绝缘性能的影响1 8 2 3 3 电场和温度场耦合特性对x l p e 电缆附件绝缘性能的影响2 l 2 4 本章小结2 l 第3 章电缆附件电场温度场耦合分析研究2 2 3 1 有限元分析软件a n s y s 2 2 3 1 1a n s y s 的热分析功能2 3 3 1 2a n s y s 的电磁场分析功能2 5 3 1 3a n s y s 的耦合场分析功能2 5 3 2 电缆附件电场与温度场的有限元计算理论2 6 3 2 1 电缆附件的电场计算2 6 3 2 2 电缆附件的温度场计算2 9 3 3 基于等效电容法的电缆附件电场温度场耦合分析研究3 l v 基于等效电容法的电缆附件电场温度场耦合分析研究 3 3 1 等效电容法3 l 3 3 2 电缆附件电场与温度场数值计算耦合公式一3 2 3 4 基于等效电容法的电缆附件电场温度场耦合分析的应用3 4 3 5 本章小结3 5 第4 章1 1 0 k v 电缆中间接头电场温度场耦合特性的仿真研究3 6 4 1 仿真建模3 6 4 1 1 实物模型3 6 4 1 2 几何模型和网格剖分图3 7 4 1 3 仿真初始条件与边界条件3 7 4 2 仿真结果与分析3 8 4 2 1 正常工作时的温度场电场分布特性3 8 4 2 2 绝缘层出现老化时魄温度场电场分布特性3 9 4 2 3 绝缘层局部存在杂质时的温度场电场分布特性4 l 4 2 4 环境温度对电缆中间接头运行温度的影响4 2 4 2 5 工作电流对电缆中间接头温度场的影响4 4 4 3 本章小结4 5 第5 章l1 0 k v 电缆终端电场温度场耦合特性仿真研究与故障分析4 6 5 1 11 0 k v 电缆终端电场温度场耦合特性仿真研究4 6 5 1 1 实物模型4 6 5 1 2 几何模型和网格剖分图4 7 5 1 3 仿真初始条件和边界条件一4 7 5 1 4 仿真结果与分析4 8 5 2 场域分析方法在电缆终端故障分析中的应用验证一5 2 5 2 1 电缆终端常见故障及形成原因5 2 5 2 2 故障分析5 3 5 2 3 场域分析方法的应用验证5 4 5 3 本章小结5 5 结论5 6 参考文献5 8 致谢一6 3 附录a ( 攻读学位期间所发表的学术论文目录) 6 4 附录b ( 攻读硕士学位期间参加的研究课题) 6 5 v i 硕l ：学位论文 第1 章绪论 1 1 电力电缆及附件的应用 改革开放以来，中国的国民经济保持了9 以上的年均经济增长速度。2 0 1 0 年中国国内生产总值达到3 9 7 9 8 3 亿元，首次超过同本，跃居世界第二位。三十二 年里，电力工业作为国民经济发展的先行官，实现了跨越式的发展。l9 8 0 年至2 0 1o 年，全国年发电装机容量和年发电量快速增长，如图1 1 所示。截至2 0 1 0 年底， 全国发电装机容量9 6 2 亿千瓦，仅次于美国，位居世界第二，全国发电量也达到 4 1 4 1 3 亿千瓦时i lj 。在2 0 0 6 年至2 0 1 0 年的五年时间里，随着国家对电力基础建 设投入力度的加大，我国输电线路和变电线路分别比“十五 末增长了1 7 倍和 2 4 倍，电网规模也一举超越美国，居世界第一位1 2 j 。 i 伽日 踟0 瑚l o 1 9 9 0 年 1 9 8 5 年1 9 9 0 年t 9 9 5 每z2 0 0 0 年加0 婢2 0 t o 年 图1 11 9 8 0 2 0 1 0 年我国年发电装机容量和年发电量增长示意图 时至今同，虽然我国经济在量上有巨大的飞跃，但在质上仍然存在不足。经 济增长模式由粗放式增长转变为集约式增长的问题已经迫在眉睫。如何为经济增 长模式的转变提供更强劲的动力这一现实问题对电力工业的发展提出了更高的 要求：环境友好、高效节能和安全稳定1 3 j 。在城市化加速的大背景下，从市政规 划和城市美化等角度考虑，在城市中采用电力电缆取代架空线进行供电更能满足 保护环境和节约资源等要求。相比于架空线路占用土地资源较多，影响城市市容 等缺点，电力电缆不仅具有占地面积小、不受地面建筑物影响且使市容整齐美观 等特点，更重要的是其较高的供电可靠性和安全性。正是因为这些优点，近年来， 以入地电力电缆取代架空线路的工作得到了广泛推广。例如，北京市为确保完成 奥运比赛安全可靠供电的任务，特提出在2 0 0 8 年前新建电缆线路1 13 k m l 4 1 。同样， 为保障2 0 1 0 上海世博会电力可靠供应，上海市电力公司组织并实施了线路单线 长约1 5 k m 且穿越黄浦江的5 0 0 k v 世博隧道电缆工程1 5 j 。 一 一 。 基于等效电容法的电缆附件i u 场温度场耦合分析研究 我国电力电缆的应用发展取得如此巨大的成就并非一蹴而就，而是经历了从 完全进口到自主研发生产的过程。我国采用电力电缆供电的起源是在l8 9 7 年的上 海，电缆由上海公共租界工部局电气处敷设，主要用于直流供电的照明【6 j 。新中 国成立后，我国电缆生产实现了从无到有，从弱到强的发展过程。1 1 0 k v 、2 2 0 k v 和3 3 0 k v 的充油电缆于1 9 6 6 年、1 9 6 8 年和1 9 7 1 年先后在我国成功生产并投入使 用。1 9 8 3 年我国成功研制了5 0 0 k v 充油电缆【7 ，8 l 。得益于新材料的不断涌现和制 造工艺的不断提升，我国高压电缆生产和研发能力不断增强，高压电缆的应用范 围不断扩大。图1 2 为2 0 0 2 年至2 0 10 年我国高压和超高压电缆使用长度的统计。 2 0 0 2 年2 0 0 z , 年2 0 0 , t 年2 0 0 5 年2 0 0 6 年力7 年2 0 0 9 | 年知0 9 年2 0 l o 年 图1 22 0 0 2 年至2 0 1 0 年我国高压和超高压电缆使用长度的统计( 单位：k m ) 随着高压电缆使用量的急剧增加，高压电缆构成了电力电缆网络的骨架，其 重要性不言而喻。近年来，我国电力供应一直处于不平衡状态，供需矛盾突出。 每到用电高峰季节，诸如拉闸限电、电力缺口等新闻纷纷见诸报端。在此情况下， 电网的安全稳定运行显得极为重要。高压电缆主要应用于城市配电网络中，其网 络结构较为复杂。因此，高压电缆能否安全稳定工作不仅与城市配电网络的正常 运行直接相关，而且还与群众正常生活和工作、经济的发展和社会秩序息息相关。 1 2 电力电缆及附件的故障 不断发生的由电缆故障引发的电网事故 兑明了保证高压电缆正常安全运行这 项工作的紧迫性【9 , 1 0 】。图1 3 为电力电缆及附件发生故障时的情景。 a ) 某型号电缆本体绝缘爆炸b ) 某型号电缆终端绝缘击穿 图1 3 电力电缆及附件发生故障 舢舢撇姗 撇舢舢撇o !i 硕r l ：学位论文 1 2 1 电力电缆及附件的故障分类 电力电缆及附件的工作环境各不相同，因此它们可能出现的故障多种多样。 关于电力电缆及附件故障分类的标准主要有【l l ，佗l ： ( 1 ) 按故障发生的部位分类：绝缘故障、护套故障、本体故障和附件故障。 绝缘故障是指电缆或附件的绝缘受损形成的各种故障。护套故障是指电缆或附件 的外护套受损所形成的故障。电缆本体故障多由产品本身质量或由外因引起。电 缆附件故障包括中间接头故障和终端故障，尤以泄漏性高阻故障居多。 ( 2 ) 按故障发生的原因分类：运行故障、预试故障和外力破坏形成的故障。 运行故障是指电力电缆线路在运行过程中发生的故障。预试故障是指电力电缆及 附件在做预防性试验时发生的故障。外力破坏形成的故障是指由于人为因素或自 然因素造成的电缆及附件故障。 ( 3 ) 按电缆及附件的结构特性分类：相间故障、单相接地故障、单相故障和 开路故障等。相间故障是指电缆的相间绝缘层电导特性变坏，形成泄漏性或闪络 性故障。单相接地故障是指电缆其中一相对地的绝缘性能失效，对地形成了通道 所导致的故障，但此时电缆导线芯和相间绝缘良好。开路故障是指由于电缆的导 体或金属屏蔽层完全断线所造成的故障。 另外还有按电缆及附件的物理特性( 组成材料) 分类、按电缆及附件的电压 等级分类、按电缆及附件的损坏程度分类等多种分类标准。总体来说，电力电缆 及附件故障主要有三种：绝缘故障、导体故障和护套故障。 1 2 2 电力电缆及附件的故障原因 电力电缆及附件发生故障的原因有很多，归纳起来，常见的故障原因有以下 几种【1 3 , 1 4 l 。 1 2 2 1 常见的电缆及附件故障原因 电力电缆及附件常见的故障原因有： ( 1 ) 温度过高：电缆及附件绝缘的局部出现过热时，绝缘有可能出现碳化甚 至热击穿。电缆线路长期过负荷运行也会使绝缘局部的温度过高导致出现绝缘击 穿。另外，环境温度也会带来同样的影响。在南方炎热的夏季，通风不良的电缆 密集区有可能因温度过高而出现绝缘故障。 ( 2 ) 电压过高：实际故障的分析结果表明，电缆内部过电压或大气过电压对 电缆及附件绝缘的损伤比较大，由此引发了大量的电缆及附件故障。 ( 3 ) 机械损伤：在安装和敷设电缆时，由于施工不小心而造成的电缆划伤或 刺伤，以及挖土打桩等施工带来的电缆误伤。 ( 4 ) 腐蚀损伤：腐蚀损伤包括电腐蚀和化学腐蚀。当电力电缆埋设处附近有 强电场存在时，其外皮会受到电腐蚀。而当电力电缆埋设处的土壤的酸碱度失衡 基于等效i 乜容法的电缆附件电场温度场耦含分析研究 或土壤受到带有腐蚀性的污染物污染时，电缆护层也会受到化学物质的腐蚀而最 终出现故障。 ( 5 ) 自然因素：主要指是由电缆自然胀缩或土壤沉降形成的拉力导致的电缆 或附件的破损及断裂。 除以上五种原因外，还有电缆本体的质量问题、电缆线路运行管理不善以及 电缆线路工作环境的影响等等原因都可能使电力电缆及附件发生故障。 1 2 2 2 电缆附件故障的特有原因 以上讲述的故障原因既是引发电缆本体故障的可能原因，也是导致电缆附件 故障的主要原因。然而由于电缆附件结构复杂和安装要求特殊等特点，电缆附件 的故障种类比电缆本体的要多，而且形成原因也更加复杂。以下是可能造成电缆 附件故障的特有原因： ( 1 ) 现场安装电缆附件时，安装环境无法满足安装要求。例如安装环境的湿 度过大，造成潮气侵入电缆附件内部，给附件绝缘带来隐患；再例如安装现场的 空气中存在灰尘等杂质，这些微小颗粒有可能侵入附件内部而埋下绝缘隐患。 ( 2 ) 现场安装电缆附件时，安装工艺不成熟。例如，在安装电缆中间接头导 体连接管时压接不良；再例如，安装过程中的打磨工序不细致，在绝缘的某些部 位留下尖角或毛刺。这些都会影响到电缆附件绝缘的使用寿命。 电缆附件产品的质量、电缆附件的敷设方式以及不当的试验方法等问题也会 影响到电缆附件绝缘的正常使用。 综合以上电力电缆及附件的故障类型和原因来看，为降低电力电缆及附件的 故障率，维护电网的安全稳定运行，非常有必要对电力电缆及附件进行研究，尤 其是对电缆附件进行研究。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 电力电缆及附件电场的研究 电力电缆及附件的研究方向有很多，其中就包括为满足降低电缆及附件故障 率要求而对电力电缆及附件的内部电场和温度场的研究。 电力电缆及附件在运行过程中其内部会产生电场，内部电场的特性与电缆及 附件的运行状态和使用寿命密切相关。现有的对电力电缆及附件电场的研究主要 有以下方面： 计算电缆及附件的电场并对电场的分布进行优化，进而完善电力电缆及附件 的绝缘设计。这主要是考虑到电缆线路，特别是高压电缆线路的电场分布集中， 对产品的绝缘要求很高的特点。电缆及附件的结构比较复杂，内部电场易发生畸 变。因此通过计算电缆及附件的内部电场来改进产品的绝缘设计，提高其使用寿 命并减少故障率的工作得到了研究人员的重视。文献【15 】提出了经过有限元法离 硕一 ：学位论文 散的，用于优化高压电缆的综合场数学模型，并应用改进了的双共轭梯度法求解 此模型，改善了高压电缆的电场分布。文献【l6 】应用有限元法对电缆终端的应力 锥附近的电场强度进行数值分析，为电缆终端的优化设计提供依据。文献 1 7 18 】 则利用有限元分析软件对电缆终端应力锥的缺陷进行了仿真，得到了不同的缺陷 情形下的仿真结果。 电力电缆及附件电场的研究的另一个主要侧重是：对用于监测电力电缆及附 件绝缘状态的方法或手段的研究。在实际中广泛使用的电缆及附件绝缘在线监测 方法主要有：直流成分法、交流叠加法、低频叠加法、电桥法和t a n 8 法等早期监 测方法【1 9 , 2 0 1 ，还有经过改进和创新后应用较多的在线监测方法【21 , 2 2 】，包括：局部 放电在线监测法【2 3 , 2 4 l 和电缆金属护层接地电流监测法 2 5 , 2 6 j 。 例如，交流叠加法的工作原理是在电缆金属护层上叠加( 2 倍工频+ 1 ) h z 的 交流电压，通过检测由绝缘劣化引发的1h z 信号，实现对电缆绝缘状态的在线监 测。其测量原理如图1 4 所示。 图1 4 交流叠加法测量原理图d g 再例如，超高频电容耦合法是一种电力电缆局部放电在线监测方法，由南安 普顿大学、英国电网公司和西安交通大学共同研制1 2 。监测系统中采用电容耦合 器作为传感器，图1 5 为应用超高频电容耦合法检测局部放电的模型图1 2 引。 电容褐合器 金属，j f 蔽层外、 ，导i i t 层 图1 5 应用超高频电容耦合法检测局部放电的模型图 超高频电容耦合法工作原理是：当有局部放电发生并产生高频信号时，图1 5 中的半导电层阻抗与绝缘层阻抗相当，此时电容耦合器会有信号输出，通过此信 号即可检测局部放电。 基于等效电容法的电缆附件电场温度场耦合分析研究 1 3 2 电力电缆及附件温度场的研究 由电力电缆及附件内部各点温度形成的温度场对电力电缆及附件的运行状态 有重要的作用和影响，而且电力电缆线路的运行温度还是监测电力电缆线路运行 状况时的考量指标之一。现有的对电力电缆及附件温度场和电力电缆线路运行温 度的研究主要有以下方面： ( 1 ) 以提高电力电缆线路的载流量为目的 电力电缆线路载流量是指电缆线路稳定运行在允许缆芯温度时所能通过的电 流的大小，电缆及附件中导体的温度是确定其载流量的重要依据。计算电缆的温 度场，不仅有利于最大限度地利用导体的载流能力以提高电缆线路的经济性，而 且还有利于尽量避免由导体载流量超过限值而导致电缆线路过负荷的安全隐患的 出现。现有的电缆载流量计算的基本理论模型是建立在电缆稳态运行所形成的热 物理场微分方程的基础上的，具体的电缆载流量和温度场计算方法有解析计算和 数值计算两种。 解析计算方法主要有i e c 标准和n m 理论1 2 9 1 。 i e c 标准是由国际电工委员会( i e c ) 提出的电缆额定载流量计算标准 i e c 6 0 2 8 7 和电缆暂态载流量计算标准i e c 6 0 5 8 3 。然而i e c 标准的算法过于繁琐， 计算结果偏保守，而且i e c 标准适用性也存在不足。 n m 理论是指由n e h e r 和m c g r a t h 提出的电缆载流量及其温度场的计算方法。 n m 理论对不同类型电缆的几何参数和安装条件对导体温度的影响进行了研究， 应用n m 理论提出的热路模型可以计算得到不同安装条件下电缆的载流量，并可 由此分析得到电缆整体的温度分布和散热情况。n m 理论的计算公式如下1 3 0 l ： ( 1 2 8 。) 月m = 瓦一瓦 ( 1 1 ) 式( 1 1 ) 中，为导体电流，尺。为导体交流电阻，r 。为电缆导体的总热阻， 为导体温度，瓦为电缆周围的环境温度。 数值计算方法则包括有限元法、边界元法和有限差分法等【3 1 3 4 1 。 文献【3 l 】应用有限元法研究了地下电缆群闭域的温度场分布。式( 1 2 ) 即为文 献【3 l 】中提出的电缆各点温度的计算公式。 面a j e = f 允( 警a r o x + 等珈，巾y 盖= l 警争a v e , a t ) 飞彬x d y + 工粥豳 2 ， 善= 卜( 警a r a x - + 等豺粥卜+ 旷驴 式( 1 2 ) 中，t 为温度，q ，为体积发热率，旯为导热系数，口为对流换热系数， 硕l j 学位论文 乃为流体温度，r 为积分边界，q ，为热流密度。 ( 2 ) 以监测电缆线路绝缘工况为目的 在实际运行过程中，电力电缆及附件故障的发生和发展都伴随着其局部温度 的变化，而且电缆及附件绝缘的电气和物理性能都受到温度变化的影响。因此监 测电缆及附件的运行温度可以提前获得绝缘工况，并能对绝缘事故的发生起到一 定的预防作用。 常用的电力电缆及附件运行温度在线监测方法可分为接触式和非接触式两 种。 接触式温度监测方法主要包括【”】：点式温度监测、线型感温电缆式温度监测 和光纤式温度监测。 点式温度监测是指将若干个温度传感器分散安置于电缆上重要的监测部位， 然后将测得的温度数据传回，对其进行分析并得出结论，从而达到监测电缆运行 温度的目的。点式温度监测方法的特点是对电缆本体的运行温度进行多点同时测 量，其优点是成本较低，实用性强，但其缺点也显而易见：无法对电缆本体进行 整体测温；而且由于多采用的是接触式传感器进行表面测温，不能准确反映电缆 本体内部的实际温度。图1 6 为点式温度监测系统结构图。 图1 6 点式温度监测系统结构图 线型感温电缆式温度监测是指以线型感温探测器( 多为电缆式) 作为温度传 感器，将其按某种形式与待测的电力电缆敷设在一起，使用信号总线连接感温电 缆与主控计算机，实现对电缆全线的运行温度连续监测和测量温度超限报警的功 能1 3 6 j 。利用线型感温电缆对电缆进行温度监测的优点是：( 1 ) 测量覆盖范围大；( 2 ) 对工作环境要求低，适合在空间狭小、恶劣的环境下使用；( 3 ) 安装简单、成本低、 维护量小；( 4 ) 安全性及可靠性较高。其缺点有：( 1 ) 无法准确定位具体发热点；( 2 ) 测量精度有限。线型感温电缆的敷设方式一般采用正弦波接触式。线型感温电缆 及其工作现场如图1 7 所示。 基于等效电容法的电缆附件电场温度场耦合分析研究 a ) 线型感温电缆实物b ) 线型感温电缆的工作现场 图1 7 线型感温电缆 光纤式温度监测是建立在分布式温度传感技术【3 7 , 3 8 】之上的，其与其他温度监 测方式的不同之处在于特殊的温度传感器一一光纤温度传感器。光纤温度传感器 的工作原理基于光纤的光时域反射以及光纤的后向拉曼散射温度效应。光纤式温 度监测方式比其他温度监测方式有更多的优点，这是由光纤特有的物理特性决定 的：( 1 ) 可取代大量点式传感器，实现实时测量、故障监测和预报；( 2 ) 质量轻、柔 性好、安装方便；( 3 ) 抗电磁干扰能力强、绝缘性能高、可以工作在高电压、大电 流等恶劣环境中；( 4 ) 可测距定位、重复使用、报警温度可调。但光纤式温度监测 方式也存在缺点：实现成本较高及实现技术难度较大【3 9 , 4 0 】。 非接触式监测方法则主要是红外式温度监n t 4 。红外测温技术的优势在于不 需与待测物接触。但红外测温传感器受工作环境的影响较大，不宜在灰尘多、强 电磁场等环境下工作。 这些温度监测方法在电缆本体上得到了很好的应用并取得了较好的监测效 果，而电缆附件的温度在线监测方法相对较少，且监测效果不尽如意。 1 4 论文的主要工作 综合以上电力电缆及附件的相关研究工作不难发现，无论是对电场的研究， 还是对温度场的研究，这些研究存在一定不足：主要是这些研究相对独立，在研 究时考虑电场和温度场之间的联系度还不够，将电场和温度场耦合起来考虑并分 析它们对电缆及附件的影响的研究还比较少。 然而，电力电缆及附件在运行过程中受到多个物理场的共同作用，其中最主 要的是电场和温度场。电场和温度场对电缆及附件的绝缘性能均存在较大的影响 和作用，而且电场和温度场对电力电缆及附件的这种作用是相互耦合的，特别是 对于电缆附件，由于其结构相对复杂，存在多种非线性绝缘材料，且需要现场制 作安装，其绝缘层会因各种损耗因素而导致温度升高：温度的升高又会使得材料 介电参数发生变化。这些介电参数的变化反过来会改变电缆附件的电场分布。 由此看来，从电场和温度场对运行中的电缆附件的共同作用和影响入手，深 入分析电缆附件电场和温度场的耦合特性，研究电缆附件内部温升及电场分布规 律，对于高压电缆附件产品的绝缘设计具有重要的实际意义。由于该领域相关研 究报道不多，所以存在较大探索空间。考虑到电缆附件在电缆网络中的重要地位， 硕上学位论文 将这项研究工作应用于电缆附件产品设计工作中，对在设计阶段发现电缆附件绝 缘设计隐患，保证电力电缆附件安全稳定的运行具有十分重要的现实意义。 基于以上分析，本论文选取属于电缆附件的电力电缆中间接头和电缆终端为 研究对象，推导基于等效电容法的电缆附件电场与温度场数值计算耦合公式，并 采用有限元仿真软件a n s y s 建立高压电缆附件电场温度场耦合分析模型，利用 此模型研究和分析电缆附件电场和温度场的耦合特性以及此耦合特性对绝缘性能 的影响，得到了电缆附件在不同情况下的温度场电场分布特性，同时分析了得到 的仿真结果。最后通过事故实例来验证仿真结果的正确性。 本文内容包括以下几个方面： 第1 章：阐述了电力电缆及附件的历史发展和现状，综述了国内外学者在电 力电缆及附件故障统计、物理场的仿真分析及运行状态在线监测等方面的研究工 作和成果，指出这些研究中存在的不足，提出了本文的主要研究工作和这项工作 的重要意义。 第2 章：选取工程实际中应用较广的交联聚乙烯电缆附件为研究对象，研究 其绝缘结构，并分析了交联聚乙烯绝缘老化的原因。以此入手，着重对电场和温 度场影响交联聚乙烯绝缘性能的机理进行了阐述，指出单独开展电缆附件电场和 温度场的研究存在的不足。进一步说明研究电缆附件电场和温度场之间耦合特性 以及这种耦合特性对绝缘性能的影响的重要性。 第3 章：阐述了为实现本文仿真所需的a n s y s 软件的相关功能模块。对电 缆附件的电场和温度场有限元计算理论进行了分析。结合本论文研究需要，综合 前述的有限元计算理论，推导出基于等效电容法的电缆附件电场与温度场数值计 算耦合公式。基于此公式建立了电缆附件内热源的计算方法。 第4 章：利用电缆附件内热源计算方法，采用有限元分析软件a n s y s ，建立 了高压电缆附件电场一温度场耦合分析模型。利用此模型对1 1 0 k vx l p e 电缆中间 接头进行电场一温度场耦合特性的仿真，得到110 k vx l p e 电缆中间接头在不同情 况下的温度场一电场分布特性，并对得到的仿真结果进行分析。还分别研究了环境 温度对1 1 0 k vx l p e 电缆中间接头运行温度的影响和1 1 0 k vx l p e 电缆中间接头 工作电流对其温度场的影响。 第5 章：借鉴第4 章中的仿真思路，对1 1 0 k v 瓷套式电缆终端进行电场温 度场耦合特性分析，得到了1 1 0 k v 瓷套式电缆终端在不同情况下的温度场一电场 分布特性，并对其进行分析。研究了1 1 0 k v 瓷套式电缆终端工作电流和绝缘材料 的介质损耗角正切值对其温度场的影响。结合得到的1 10 k v 瓷套式电缆终端温度 场电场