杨 剑 缪 薇

（1.国网江苏省电力有限公司超高压分公司，江苏 南京 211100；2.江苏省江都水利工程管理处，江苏 扬州 225200）

0 引言

电缆接头是电力系统的重要部件，也是故障较多的环节，工作中会受到温度场与电场的耦合，温度异常升高[1-2]。电缆接头温度过高会导致绝缘系统破坏，造成电力系统故障。因此，对电力电缆接头温度进行分析研究，对于提高电力系统运行安全性，降低风险具有重要意义[3]。

对于电力电缆接头发热和容易出现故障的问题，可以采用仿真分析的方法，分析接头温度分布，这对改善电缆接头情况，及时发现可能存在的问题具有重要意义[4-5]。如果可以提前发现电力电缆接头潜在问题，则能够达到预防优先的效果，有利于保证系统安全使用，提高电力电缆的输电质量。

本文介绍了电缆接头内部结构和常见故障，对于温度这一影响电缆接头故障的主要参数进行仿真分析，建立三维模型，进行网格划分，设定边界函数。最后掌握了温度与电缆接头故障的关系，对于维持电缆接头稳定性具有一定的参考价值。

1 电缆接头内部结构及故障类型

1.1 电缆接头内部结构

电缆接头是电力电缆的重要组成部分，电缆接头部位由于结构复杂，在工作过程中会出现一定的故障，影响电力系统安全运行。电缆接头需要具备一定的热学性能，对外界复杂的环境需要有一定的适应能力。电力电缆接头的结构形式如图1所示。

由图1可知，电缆接头从外到内分别为保护套、金属屏蔽层、连接管等主要部分，电缆绝缘与外界隔离，保护电缆内部连接管和线芯。连接管一般需要倒角，防止钝边造成的电缆破坏，避免出现电应力集中。电缆接头的结构对于温度和电缆故障具有重要影响。

图1 电力电缆接头

1.2 电缆接头出现的故障类型

电缆接头在工作过程中会出现故障，对线路的稳定和正常运行不利，需要对故障进行分析，及时发现并排除故障。电缆接头故障主要有两种，即导体故障、绝缘故障。

（1）导体故障：电力线缆中线芯导体出现的故障，这种故障出现后会导致电流的通路断开，影响电力系统正常工作。电力电缆内部有的是两芯，有的是三芯，线芯出现故障后电缆就无法再发挥导体的作用。

（2）绝缘故障：表现在外部，包括外部绝缘体老化、破裂等。绝缘故障出现后，电路中的电流容易泄漏，导致电力系统安全性降低。

2 电缆接头温度仿真研究

电缆接头在出现故障时，外界直观的表现是温度，因此根据电缆接头温度的变化可以及时了解电缆接头的状态，出现故障时可以及时排除。为此，对电缆接头开展仿真研究，以了解电缆内部温度变化情况。

2.1 仿真流程

为了描述电缆接头的温度场，使用仿真软件ANSYS开展仿真分析。ANSYS软件是常用的工程模拟软件，由美国ANSYS公司开发，在许多应用领域发挥着巨大作用。仿真软件开展仿真分析时依据一定的流程，ANSYS Workbench 14.5仿真过程如图2所示。

图2 软件工作流程

对于电力线缆接头需要选择相应的仿真模块，建立几何模型，几何模型的建立是进行仿真分析的重要步骤。建立完几何模型后，设置材料属性并对边界条件进行限定，然后划分网格，对边界条件进行计算求解，输出计算结果。

2.2 电缆中间接头建模与参数设置

连接电缆的特点是选择仿真模块、设置参数的前提，根据电缆接头，选择Geometry模块进行仿真分析，电缆中间接头型号为JLS35-1/1。建立几何模型如图3所示。

图3 电缆接头建模

该三维几何模型包括电缆接头的关键结构，主要包含连接管、电缆线芯、半导电层、绝缘层、金属屏蔽层，这些结构需要在仿真过程中设置参数进行计算。

2.3 网格划分

网格划分有利于仿真软件快速求出结果，根据几何模型的特点，网格可以划分为三边形状或四边形状，这是根据电缆接头决定的。三维几何模型Meshing划分，按照划分的算法有独立分片法和协调分片法，形状包括六面体网格、棱锥网格、四面体网格、棱柱等。

本文进行仿真分析时考虑软件功能，综合电缆接头特性，采用四面体网格、协调分片算法划分，以最大限度缩小网格。物理场参照Mechanical类型，单元尺寸1×10-4m，相关性中心选择Medium，网格膨胀层为None，网格划分结果如图4所示。

图4 电缆接头网格划分

对于网格划分而言，独立分片算法的要求并不严格，用于统一尺寸网格。使用协调分片算法时，要避免实体之间的影响，用小公差法考虑零件。这种网格划分在流体分析、电磁分析、机械分析领域应用较多。

2.4 施加载荷和边界条件

对电缆接头进行电热耦合模块的仿真，设置电学类和热学类边界条件。添加电缆接头流经的电压、电流，根据热力学定律，设置在放热过程中的边界条件。

本文电缆接头线芯通电发热，电压、电流分别设置为220 V、12.5 A，环境温度设为18℃，电缆接头发热时存在对流，设置对流换热系数为10 W/（m2·℃）。设置边界条件如图5所示。

图5 设置边界条件

3 仿真结果分析

电缆接头需要工作在理想的温度下，电缆接头产生的热量一定程度上会向周围传递，热量传递的过程会影响温度的分布。本文选择电阻等效长度72 mm，电流225 A，环境温度18℃，温度分布图如图6所示。

本文连接管的长度72 mm，根据图6可知，电阻对温度分布的影响较小，只有0.07℃，选择的铜管长度不会影响模型复杂程度，可以改善仿真效果。接触电阻电阻率为2×10-8Ω·m，温度为20℃，载流量为245 A，等效仿真输出仿真图形，结果显示，外表面中心温度为27.784℃。接头电阻可以使用，能够保证安全运行的温度阈值。

图6 长度为72 mm的等效接触电阻接头温度分布图

4 实验研究及结果对比

4.1 实验验证

针对仿真结果进行验证，并对比两者的结果。在实验室利用电力电缆开展温升实验，实验设备包括恒温箱、红外成像仪、热电偶，其中热电偶温度测量范围为0～350℃，精度为0.5℃。

实验装置示意图如图7所示。

图7 实验装置示意图

采用温度测量装置对电缆接头的温度进行测量，将TT-T-24热电偶埋入电缆缆芯，外表用隔热材料填充。

4.2 仿真与实验结果对比

热电偶对电缆接头温度测试采用多次测量的方式，对比仿真实验测得的温度与实际实验温度，整理如表1所示。

表1 仿真与实际实验温度对比

由表1可知，实际实验测得的温度与仿真结果的温度最大误差为1.945℃，最小误差为0.401℃。误差在可接受范围之内，表明ANSYS仿真能够用于电缆接头温度的测量。

5 结语

本文介绍了电缆接头内部结构和常见故障，对电缆接头的温度开展了ANSYS软件仿真分析，通过建立三维模型、进行网格划分、设定边界函数，求得电缆接头温度分布的结果。最后进行实际实验，发现仿真温度与实际温度误差在可接受范围之内，证实了仿真测温的有效性，对于电缆接头温度研究具有一定的参考价值。