李昭红，阳林，田野，李立涅，傅明利，卓然
（1．华南理工大学电力学院，广东广州 510640；
2．南方电网科学研究院有限责任公司，广东广州 510080）
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摘要：温度是反映电缆中间接头运行状态的重要参数。与交流不同，高压直流电缆中间接头绝缘层温度的变化影响着电场分布和空间电荷的积累，因此不仅要关注接头线芯的温度，更要研究绝缘层温度和绝缘层内外表而温差的变化，建立了高压直流XLPE绝缘电缆中间接头的简化模型，利用有限元软件进行仿真，得到了接头绝缘层稳态温度分布，并研究了不同线芯电流和电缆接头外表面温度分别对接头导线芯温度、XIPE主绝缘和硅橡胶(SIR)增强绝缘层温度分布以及绝缘层内外表面温差的影响。结果表明：直流高压下，线芯电流对三者影响较为显著：接头外表面温度对接头导线芯最高温度、绝缘层最高温度和绝缘层温度分布有影响，而对绝缘层内外表面温差的影响可忽略不计。
关键词：高压直流电缆；中间接头：稳态温度场：有限元；线芯电流；外表面温度
0引言
柔性高压直流输电(VSC-HVDC)以功率范围变化灵活、运行独立、功率控制简单、输电线路性能优越等优点而备受关注。高压直流输电电缆尤其是交联聚乙烯绝缘电缆(cross-linked polyethyleneinsulated cable, XLPE电缆)，其研发和应用目前进入快速发展阶段。2010年，汕头南澳岛风电基地±160 kV 三端柔性直流输电示范工程（简称“南澳柔直工程”）建成投运，带动了国内±160 kVXLPE绝缘直流海底／陆地电缆及其附件等关键装备的自主研发。
大量交流系统运行经验表明．电缆附件一直是电缆系统运行中的薄弱环节。温度是衡量电缆接头运行中绝缘状态是否良好的重要指标。随着接头温度的升高．接头接触电阻增大，会加剧绝缘的老化．对电缆接头的安全运行造成严重威胁。对于直流XLPE电缆巾间接头，其绝缘结构电场取决于电导率，而电导率是电场和温度的函数，因此，温度变化必然会对电场分布产生影响。此外，直流电压下，绝缘层及其交界面处很容易造成空间电荷的聚集，导致电场分布的严重畸变，进而加速绝缘老化甚至造成绝缘击穿。相关研究表明，绝缘层温度的变化也会影响空间电荷的聚集。因此，针对直流XLPE电缆中间接头内线芯温度、绝缘层的温度分布以及绝缘层内外表面温差开展相关研究非常必要。
国内外学者对直流电缆中间接头温度分布的研究主要集中在充油电缆方面。XLPE绝缘电缆接头耐热性能好，工作温度比充油电缆高，但目前对XLPE绝缘电缆接头的温度分布研究比较少。
基于以上分析．本文以南澳柔直工程用+160 kV直流XLPE绝缘电缆中间接头为例，建立电缆接头模型．利用有限元软件ANSYS对其温度场进行仿真分析，并研究了不同线芯电流和接头外表面温度对接头稳态温度场分布和绝缘层内外表面温差产生的影响。
1 XLPE电缆中间接头的温度场仿真分析
1.1 高压直流XLPE电缆中间接头仿真模型
本文参考±160 kV高压直流XLPE绝缘电缆结构与参数，其所用中间接头结构如图1所示。以此为例建立高压电缆中间接头ANSYS仿真模型，部分结构材料和参数如表1所示。
为了简化模型．把导体屏蔽层归算到XLPE绝缘层．绝缘屏蔽层和阻水层采用调和平均法进行处理，即在整个厚度不变的基础上，将各层等效为一种介质，介质导热系数按式(1)由调和平均法求得。简化后其仿真模型如图2所示。
式中：A，为等效导热系数；i为电缆结构层，L =n表示接头最外层；A。为与：层相对应的导热系数，r．为i层相对应的半径。
1.2边界条件及求解
根据传热学3类边界条件的定义，在计算电缆中间接头内部稳态温度场分布时，假设周围
传热介质分布均匀，且温度保持稳定。第1类边界条件为接头外表面温度30℃．第2类边界条件为接头两端法向热流密度为0。给线芯加载产热率，产热率由归算后电缆中间接头总损耗除以线芯截面积求得，具体推导为
式中：Q为导体截面产热率，W／rri2;，为导体载流，A;R为截面直流电阻，Q；5为截面面积，mz。直流电压下，单位长度导体直流电阻参考标准IEC 60287-1-1，可表示为
式中：Ro为20℃时导体的直流电阻，fl,/m; a20为20℃时铜导体温度系数，取值为3.93xl0-3℃-1；9为最高运行温度，取值为70℃。Ro由式(4)计算求出。
式中：S为导体的横截面积，m2;r为导线芯的半径，取值为0.013 3 m; P20c。为20℃时铜导体体积电阻率，取值为1.7241x1 0-8 Q -m，
1.3仿真结果
直流电缆载流量的计算国际上尚未有相关标准，目前主要是根据导体最高工作温度不超过绝缘允许最高温度来确定的，本文将直流下导体最高运行温度70℃作为确定载流量的一个约束条件，选取接头线芯电流1 216 A时，导体最高运行温度为70℃作为算例进行接头温度场分布计算。将电流值代入式(2)计算得出此时产热率Q为98 772 W/m2。在上述边界条件下进行求解，得到±160 kV XLPE绝缘电缆中间接头温度场分布如图3所示。图3显示，导线芯有电流流过时，会产生焦耳热，此时导线芯作为一个等效热源向电缆中间接头表皮进行传热，由于外界环境温度始终低于导线芯的温度，在对表皮径向传热时始终存在温度梯度。以温度变化比较明显的XLPE主绝缘和SIR增强绝缘两种结构为主进行分析．取两绝缘共同所在的径向路径．研究绝缘层稳态温度场随接头径向距离变化的分布关系．如图4所示。由图4可看出：(1)两绝缘层温度随径向距离变化，由内而外呈下降趋势；(2)各绝缘层内外表面存在温差，在ANSYS稳态温度场云图中．提取温度值．经过数据处理得到在线芯电流为1 216 A时．XLPE主绝缘层的最大温差值为27.04℃。SIR增强绝缘层的内外表面最大温差值为28.2℃。
2影响因素分析
2.1 线芯电流的影响
电缆中间接头在不同的工作状态下．其线芯电流会发生变化，且电流使线芯产生焦耳热，是影响绝缘层温度分布的重要因素，研究不同线芯电流对接头温度场分布的影响很有意义。保持电缆中间接头表面温度为30℃不变，研究线芯电流在负荷过低(600 A、800 A)、负荷正常(1 000 A、1 200 A)和负荷过大(1 400 A、l 600 A)3种状态下电缆中间接头的稳态温度分布，如图5所示。取XLPE绝缘和SIR增强绝缘共同所在的径向路径．绘制不同线芯电流下电缆中间接头绝缘层稳态温度场随径向距离的变化分布曲线如图6所示。由图5、6可看出：(1)不同线芯电流下，绝缘层温度随径向距离变化而变化，线芯电流的大小对绝缘层温度随径向距离的变化影响较大：(2)电流值较小(600 A)时，曲线变化趋势比较平缓，而随着线芯电流的增长，曲线变化越来越显著，至电流值为1 600 A时，此时的曲线已经变得比较陡峭；(3)同一线芯电流下绝缘层存在温差，绝缘层温差随线芯电流的变化而变化。
首先，提取6种电流下温度场分布图中接头导体最高温度和2种绝缘层最高温度来进行研究，分别绘制出不同线芯电流下导线芯最高温度和绝缘层最高温度变化曲线，如图7所示。由图7可看出：(1)接头导体和XLPE、SIR绝缘层的最高温度都随线芯电流的增大而呈指数增长，其增长趋势一致。这是冈为导线芯有电流流过时产生的焦耳热会影响绝缘层的温度分布。(2)接头导体最高温度在600 A时为40.08℃，在1 600 A时最高温度为99.24℃：XLPE绝缘层最高温度在600 A时为40.07℃，在1 600 A时最高温度为99.22℃；SIR绝缘层最高温度在600 A时为39.92℃，在1 600 A时最高温度为98.1℃。(3)直流高压电缆中问接头导体和绝缘层最高温度受线芯电流影响比较显著．且最高温度数值比较接近。
其次，在ANSYS稳态温度场云图中，提取绝缘层温度值，经过数据处理得到不同线芯电流下XLPE主绝缘和SIR增强绝缘层内外表面最大温差值如表2所示。按表2数值绘制绝缘层内外表面最大温差随线芯电流变化的关系曲线如图8所示。由图8可看出：(1)绝缘层内外表面温差受线芯电流的影响较为显著。随着线芯电流的增大，XLPE主绝缘和SIR增强绝缘层的温差分别增大。(2)线芯电流为600 A时．XLPE主绝缘层内外表面温差为6.57℃．SIR增强绝缘层内外表面温差为7.02℃；线芯电流为1 600 A时．XLPE绝缘层内外表面温差达到46.82℃．SIR绝缘层内外表面温差也达到48.83 cC。(3)SIR增强绝缘层温差始终比XLPE主绝缘层温差大，是因为SIR绝缘的导热系数要比XLPE绝缘的导热系数小。
2.2接头外表面温度的影响
由于电缆中间接头敷设的环境不同，其散热情况也存在差异。电缆中问接头外表而温度受到环境温度和线芯发热的影响，其值不同也会影响其散热，进而影响绝缘层的温度分布。南澳柔直工程用电缆接头敷设在亚热带陆地，按IEC60287标准规定环境温度取值范围为10～40℃（亚热带）．本文设定线芯电流为l 216 A，设置5种不同的接头外表面温度值：10℃、20℃、30℃、40℃、50℃，其他边界条件不变，仿真得到5种不同温度条件下电缆中间接头温度场的分布规律，如图9所示．绘制XLPE主绝缘和SIR增强绝缘层稳态温度分布随径向距离变化的曲线，如10所示。由图9、10可看出：(1)随着电缆中间接头外表面温度的升高．绝缘层温度随径向距离变化而整体向上平移。(2)绝缘层的温差为同定值，且不随接头外表面温度的变化而变化。由式(2)可知，直流电阻R，为同定值，根据同体传热学，在直流电阻不变的条件下，绝缘层内外表面温差与载流是一一对应的关系，所以此处同一线芯电流下绝缘层内外表面温差不变，与仿真结果一致。
提取上述5种温度场分布图中接头导体最高温度和两种绝缘层最高温度来进行研究．分别绘制出不同接头外表面温度下导线芯最高温度和绝缘层最高温度变化曲线，如图11所示。图11显示：(1)随着电缆中间接头外表面温度的升高，导线芯的最高运行温度以及XLPE主绝缘、SIR增强绝缘层的最高温度呈线性升高趋势。(2)在接头外表面温度为10 cC时，接头导体最高温度为50℃．XLPE主绝缘层最高温度为49.995℃．SIR增强绝缘层最高温度为49.348℃：在接头外表面温度为50℃时．导线芯最高温度为90℃．XLPE主绝缘层最高温度为89.995℃．SIR增强绝缘层最高温度为89.348℃。(3)接头导体和绝缘层最高温度随接头外表面温度变化趋势一致．且最高温度数值非常接近，随径向由内而外依次降低。
综上所述，直流高压电缆中间接头的导体最高温度受线芯电流和接头外表面温度的影响特点与交流情况相类似．但直流情况下不存在介质损耗．直流电缆绝缘层温度分布不考虑介质损耗带来的影响，仅需要关注绝缘层温差。
3结语
(1)利用ANSYS有限元仿真软件对南澳柔直工程用±160 kV高压直流XLPE电缆中间接头的温度场分布进行仿真．得出电缆中间接头稳态温度分布图，以及绝缘层温度随径向距离的变化曲线，分析指出：接头温度、绝缘层温度和绝缘层内外表面温差都是研究的重点。
(2)线芯电流对接头导体最高温度、XLPE主绝缘及SIR增强绝缘最高温度都有显著影响．并且随着线芯电流的增大．各绝缘层内外表面最大温差也不断增大，且变化幅度比较大。
(3)电缆中间接头外表面温度对接头导体最高温度和绝缘层最高温度都有影响．对各绝缘层内外表面温差的影响可忽略不计。此外，本文在接头导体直流电阻不变的条件下，同一线芯电流下绝缘层内外表面温差恒定不变。
