石培培, 胡红利, 王 格, 陈 玉, 于 晶

(1.西安交通大学 电力设备电气绝缘国家重点实验室,陕西 西安 710049；2.上海电缆研究所,上海 200093)

随着经济的快速发展,我国用电量需求在日益增加,智能电网的概念应运而生。智能电网结合了先进的传感和测量技术、通信技术以及控制技术,实现电网安全、可靠、经济有效的运行。随着智能电网的建设,电力传输和通信网的融合成为主要趋势。光纤复合低压电缆(OPLC)集光纤、电缆于一体,兼具电力传输和电力通信双重功能,能充分满足智能电网信息化、自动化、互动化的要求,助力智能电网建设[1-2]。

在交流电缆运行时,导体损耗、绝缘介质损耗、金属屏蔽等导致电缆发热升温,另一方面,电缆发生短路故障或者由于雷击,电缆会受到强大的冲击电流,电缆温度迅速升高。如果出现电缆温度过高,不仅会造成OPLC金属材料的退火现象,危及电缆线路安全，还会使OPLC中光单元受热变形,可能增大传输损耗,造成系统通信中断[3-5]。

因此, 有必要对OPLC的热性能进行研究, 改善输电线的热稳定性, 提升电力系统的安全可靠性, 减小温升对光传输单元的影响。 在诸多影响光缆温升的因素中, 几何结构、 材料和工作环境是影响OPLC热性能的重要参数, 本文利用COMSOL软件分别研究这3个因素对光缆热性能的影响。

1 材料对OPLC热性能的影响

1.1 导体材料

交流电缆运行时,由于导体损耗、绝缘介质损耗等的存在，导致电缆发热升温,即热源。热源的计算方法为

Q=I2R/S。

(1)

其中，Q为线芯导体单位体积发热率;I为线芯导体中流过电流的有效值;S为线芯导体的截面积;R为线芯导体单位长度交流电阻,计算公式为

(2)

其中，ρ20为导体材料在20℃温度下的电阻系数[6]。

电缆导体一般采用铝导体或铜导体。所以,单位长度相同尺寸的铜导体和铝导体的发热量比率为

(3)

给定相同的工作环境条件(20℃)、相同的外形尺寸、相同的绝缘材料(PVC),分别以铜和铝作为线芯导体材料建立三芯仿真模型,模型参数如表1所示,仿真得到的OPLC的温度场分布如图1所示[7-8]。

表1 三芯电缆模型参数Tab.1 Model parameters of three-core cable

图1 不同导体材料OPLC稳态温度场分布Fig.1 Thermal field distribution of different conductor materials

从图1(a)和图1(b)可以看出,分别以铜和铝作为线芯导体材料的OPLC达到稳态时,金属导体达到的最高温度相差仅0.1℃,其他各个组成部分的温度分布也是一样的。所以在选择导体材料时,可以根据现场的实际环境条件,配合导体材料的延展性、耐腐蚀性等其他物理性质进行选择[9-10]。本文选择铜作为线芯导体进行以下的仿真。

1.2 绝缘材料

1.2.1 正常工作状态 广泛应用的绝缘材料有聚氯乙烯(PVC)和交联聚乙烯(XLPE),二者的导热系数相差不大,但是对于相同尺寸的OPLC,交联聚乙烯绝缘电缆的载流量比聚氯乙烯绝缘电缆提高25%[11-12]。所以在采用铜导体的基础上,给定单位长度相同尺寸的OPLC,改变绝缘材料,进一步研究不同绝缘材料对OPLC热性能的影响,模型参数如表1所示。

在COMSOL软件中分别选定外护套、绝缘层、导体以及光单元上的若干个特征点,如图2所示,通过这些特征点可以分析其上的温度变化规律。

图2 三芯光纤复合低压电缆特征点分布Fig.2 Feature points distribution of three-core OPLC

图3为不同绝缘材料的OPLC正常工作时部分特征点温度分布。从图3(a)和图3(b)可以看出,PVC绝缘和XLPE绝缘护套OPLC中各个组成部分的温度变化趋势是一致的。OPLC温度场为导体高,外围低,但是稳态时达到的最高温度不同。XLPE绝缘护套OPLC稳态时导体的温度最高,达到了90℃,比PVC绝缘护套OPLC的最高温度高20℃。XLPE绝缘OPLC中光单元(特征点24)的温度达到了87℃,而PVC绝缘OPLC中光单元的温度为68℃。

图3 不同绝缘材料OPLC稳态特征点温度变化曲线Fig.3 Feature points temperature curve of different OPLC materials in steady state

由此可见,采用不同的绝缘材料对于光单元以及整个OPLC的温度场分布有很大的影响。

1.2.2 故障状态 由于电缆长期工作使外层护套老化,因此电缆容易发生短路故障。当电缆发生短路故障时,导体的短路电流可以达到额定电流的几十倍,电缆的温度会急剧升高。当温度超过一定值时,不仅会引起光纤传输性能损伤、增大光纤传输损耗、缩短光纤寿命,严重时还会造成通信中断,影响用户的正常使用。由于电缆发生短路故障时,最长持续5s,所以本文研究5s内OPLC的温度分布情况。如图4所示分别为不同绝缘材料OPLC三相短路后特征点温度变化情况。

图4 不同绝缘材料OPLC短路后5s特征点温度变化Fig.4 Feature points temperature curve of different OPLC materials after a short circuit for 5 seconds

从图4(a)和图4(b)可以看出,短路后5s内PVC绝缘和XLPE绝缘OPLC中各个组成部分的温度变化趋势是一致的,但是达到的最高温度不同。XLPE绝缘OPLC导体温度可升高至260℃,PVC绝缘OPLC导体温度可升高至160℃。由于电缆材料的热阻特性,热量不能及时向外扩散,因此除短路导体外,其余部分都没有较大的温升。

2 结构对OPLC热性能的影响

前面讨论了不同材料对OPLC热性能的影响,另外,几何结构也是影响热性能的重要因素。OPLC是导体线芯和光传输单元在加工制造过程中的组合,光传输单元既可以位于OPLC结构中的中心位置,也可位于侧面位置。针对现有的常用的OPLC结构,进一步研究光传输单元在OPLC结构中的位置对电缆温度分布以及光单元温度分布的影响。

这里研究四芯配网OPLC光单元位置对OPLC温度分布的影响,导体选用铜,绝缘材料选用PVC。由于四芯电缆关于中性线位置对称,所以当光单元位于边缘时,有两种分布情况,如图5(a)和图5(b)所示,分别为中性线与导体之间(边缘位置1)以及两导体之间(边缘位置2)。OPLC上的特征点分布如图5所示,其中A，B，C为三相导体,D为中性线。

图5 四芯光纤复合低压电缆特征点分布Fig.5 Feature points distribution of four-core OPLC

四芯电缆的模型参数如表2所示。

图6所示为OPLC在正常工作状态下特征点温度变化情况。当光传输单元位于导体和中性线之间时,光单元上特征点26稳态温度最高达到了59℃;而光单元位于两线芯导体之间时,光单元相同位置上的特征点14温度达到了62℃。这是因为当光单元位于两线芯导体之间时,是两个铜导体热源共同作用的结果,而位于导体与中性线间时，只有一个热源作用,但是两种情况下稳态温度差别并不是很大。而两种情况下电缆上相同位置的特征点17(位置1)和特征点28(位置2)温度变化规律一致,说明光单元的位置并不影响电缆的温度分布,只影响光单元本身的温升。

表2 四芯电缆模型参数Tab.2 Model parameters of four-core cable

图6 两种位置下OPLC稳态典型特征点温度变化Fig.6 Feature points temperature variationin steady state of OPLC in two position

在OPLC A，B两相短路故障状态下,两种位置下的光单元在短路后5s内的温度变化规律如图7所示。由图7可知,当导体两相短路时,不同位置光单元的温度变化受导体温度变化影响不同,特别是当光单元位于导体与中性线之间时,光单元温度基本不变。而当光单元位于两导体之间时,特征点20受两导体共同加热,温度上升了3℃。

图7 两种位置下短路后5s光单元温度变化Fig.7 Feature points temperature variation of OPLC in two position after a short circuit for 5 seconds

3 风速对OPLC热性能的影响

热对流是热传递的基本方式之一。当流体流过一个与之温度不同的物体表面时引起的热量传递即对流换热。对流换热的公式为

q=h·Δt。

(4)

其中,q为换热量,单位为W;h为对流换热系数,单位为W/(m2·K);Δt为流体和物体表面温差，Δt=Δtw-Δtf,其中Δtw是物体表面温度,Δtf为流体表面温度[13-14]。

影响对流换热系数的因素很多,包括流体的种类(液体、气体)、物理性质、运动状况和流动的成因等。架空电缆的传热:电缆产生的热量通过热传导传递到电缆外部,在与空气接触的边界处,通过表面空气热对流和热辐射散发到周围空气中,相对于辐射散热而言对流散热起主要作用。因此温度分布与表面大气温度、电缆表面温度、外部风速等因素有关[15]。设定电缆工作在外部温度为20℃的环境中,则风速对电缆的温度分布有重要影响。

图8所示为光单元位于位置2时的OPLC处在有垂直于电缆走向的来风环境下，导体在不同风速下的温度变化情况。从图8可以看出,不同风速条件下,导体达到稳态时的温度不同。在自然对流条件下,导体的稳态温度为70℃。当风速达到10m/s,即五级风左右时，导体的稳态温度为36℃。另外,不同的风速条件下,温度场分布达到稳定所用的时间不同。自然对流条件下,电缆温度场在6 000s左右达到稳定状态;当风速为2m/s时,电缆温度场在3 000s左右达到稳定;当风速为10m/s时,电缆温度场在2 500s达到稳定。所以,风速为0～2m/s时,对电缆散热影响最大。

图8 导体在不同风速下的温度变化Fig.8 Conductor temperature variation under different wind speed conditions

图9所示为外护套、导体和光单元的温度随风速的变化情况对比。从图9可以看出,风速对OPLC的稳态温度值影响很大。当风速从0m/s增加到1m/s时,各部分的稳态温度值随风速的增大而急剧下降,平均都降低了30℃;当风速为从1m/s增加到2m/s时,稳态温度下降速度开始变慢;当风速大于2m/s时,温度变化比较平缓。所以当电缆工作环境处于1级或2级风时,对降低电缆工作温度有很大影响。

图9 外护套、导体和光单元的稳态温度随风速的变化Fig.9 Curves of steady state temperature vs. wind speed of cable insulation conductor and optical unit

4 结 语

在分析稳定及短路条件下OPLC温升机理的基础上,利用COMSOL软件仿真OPLC的温度分布情况。从材料、结构和工作环境这3个影响热性能的关键因素出发,讨论其对OPLC热性能的影响,从而为OPLC的设计和选型提供参考依据,满足电力系统运行的经济性和可靠性要求。研究结果表明,线芯导体材料改变对OPLC热性能影响不明显,而绝缘材料的改变对OPLC热性能有较大影响,特别对光单元,因而在选择导体材料时只需满足成本和电气机械方面的需求,而对绝缘材料的选择则必须考虑耐热性能。光单元的位置对电缆的温度分布几乎没有影响,但是对光单元本身有较大影响,当OPLC出现文中所述的两相短路时,光单元位于导体和中性线之间时，更有利于光纤的安全运行。另外,自然环境复杂多变,风速对OPLC的热性能有较大的影响,影响达到稳态分布的时间以及稳态最高温度,若能保持OPLC周围环境良好的通风情况,会提高OPLC的散热性能,降低温升对电力传输和通信的影响。在选择和设计OPLC的结构和材料时,要综合考虑材料、结构和环境3方面因素的共同影响,从而满足电力传输和通信的安全稳定运行。

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