摘 要 针对隔爆型高压电缆连接器在井下输电线路使用过程中事故多发的原因,以LBG1-200/6高压电缆连接器为研究对象,从电、绝缘、热3方面分析了连接器的结构及材料属性;运用ANSYS有限元方法,建立了高压电缆连接器的电磁-热场耦合模型,分析了运行在恶劣环境下高压电缆连接器的温度分布云图。算例定量分析了绝缘老化引起的额外温升及载流量变化,研究结果为矿用电缆连接器的安全使用提供了依据。
关键词 隔爆型电缆连接器;载流量;磁热耦合;老化
Thermoelectric Coupling Analysis of Flame-proof High Voltage Cable Connector
Abstract Flame-proof high voltage cable connectors are widely used in the mine transmission lines.The high voltage cable connector LBG1-200/6 is employed to analyze the accident causes of the cable connector.The electrical,insulation and thermal structure and properties of the connector are firstly introduced.Then the electromagnetic field and thermal field coupling model of cable connector are established by the finite element method,and its temperature distribution under different environments are plotted and analyzed.The additional temperature rise and the ampacity change caused by dielectric loss are quantitatively analyzed by example.Example shows that the proposed methods are efficient in security running of the mining cable connector.
Keywords flame-proof cable connector;ampacity;electromagnetic-thermal coupling;aging
我国煤矿井下6~10 kV高压输电线路中,每300～500 m就有一处电缆接头。井下电缆连接器因为隔爆要求高、体积有限、封闭性好,再加上恶劣环境、绝缘老化、接头内部结构变化等因素,导致爆炸事故频发。据统计,电缆接头引起的事故占电缆总事故的50%～65%[1]。井下隔爆型电缆连接器属于封闭空间,其温升发热问题备受各界重视。文献[2]以气体绝缘组合电器(Gas Isolated Switchgear,GIS)为研究对象,采用电磁场、热-流场相结合的方法,分析了GIS母线内部发热情况及功率损耗。文献[3]以地面高压电缆连接器为对象,采用有限元数值法分析了内部温度分布。文献[4]进一步从流场角度剖析内部气体的流动。矿用电缆及连接器运行年限长,运行环境相对湿度常年接近100%,在长期电、热、潮湿交织作用下,往往存在不同程度的绝缘老化,附加介质损耗必将产生额外温升[5]。
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本文以矿井高压电缆连接器为研究对象,采用ANSYS软件,通过电磁-热耦合法,分析电缆接头内部的温度场特性,并着重讨论绝缘老化对电缆连接器温升及载流量的影响,为井下电缆连接器的设计、选型和故障分析提供依据。
1 矿用高压电缆连接器
LBG1-200/6煤矿用隔爆型高压电缆连接器额定电流为200 A,电压等级6 kV,被广泛使用于井下供电线路中,连接器截面尺寸如表1所示。
LBG1-200/6型连接器内部导体为黄铜,其具有电阻率小、价格低、硬度大、化学性能稳定等优点。导体外层使用团状模塑料(Dough Molding Compounds,DMC)作为绝缘外套,起到导体之间相互隔离,避免了导体发生放电造成短路的可能。此外,通过添加着色剂将DMC染成红色,起到高压警示作用。
表1 高压电缆连接器几何尺寸
部件材料厚度/mm热导率/W·℃·m-1黄铜芯导体*10109DMC导体外套52.5DMC接头/2.5内层气隙30.026外层气隙40.026铸铁外壳1032
注:表1中标注*的黄铜芯导体尺寸代表直径。
连接器内部电缆接头的选材有着良好的绝缘性能。其材料为DMC,又称二甲苯不饱和聚酯增强塑料料团[6]。相比其他树脂复合材料,DMC具有耐压等级高;材料电阻率高;阻燃与耐弧能力优异等优点。因此,DMC材料具有迄今为止热固性塑料中最佳的绝缘性能,特别是耐弧性与阻燃性不是一般复合材料可比拟的,其物理性能见表2。此外,电缆接头中间空气隙兼顾爬电距离,在工作时可提升任意两相间的安全性能[7]。
表2 DMC的物理属性
属性数值单位电阻率1012Ω·m热导率2.5W·℃·m-1耐电弧180s工作温度130℃热变形温度220℃
电缆接头内部具有两条空气隙,这一独特的设计兼顾了热性能:(1)内、外层空气隙的热阻效应可以增加温降,防止过多的热量传至外层,避免连接器外壳温度过高,确保连接器外壳温度与电缆外皮温度同步;(2)内层空气隙具有调节作用,确保额定状态下内层黄铜导体温度与电缆芯温度基本同步,无较大的纵向温差;(3)在极端大电流通过时,内外气隙也可作为热量缓冲带,防止外壳温度过快升高。电缆接头简化模型结构如图1所示。
重构前图7中，断开的支路为8-21、22-12、15-9、25-29、18-33，即为图7中标注的虚线部分，此时的网损为202.6771 kW；运用改进混合GA-PSO实现配网重构，其参数设置情况为：粒子群规模N=50，最大迭代次数为100，w=0.8，c1=c2=2.0，初始交叉率Pc(1)和变异率Pm(1)分别为0.9和0.01，Pc和Pm随着进化代数调整方式用本文提出的策略。通过多次迭代寻优，将式(9)和式(10)中的c取0.4和m取0.19时迭代效果较好。
图1 高压电缆连接器的简化结构
电缆接头长期在交流电场下运行,DMC绝缘的物理化学性能会发生不可逆转的劣化。对于DMC材料,电离性老化和电导性老化最为普遍。前者主要表现为绝缘中出现电树枝引起局部放电现象。在潮湿有水分的情况下继续发展为电导性老化,即绝缘中产生水树。有水树的绝缘介质损耗会增加,而且介质损耗的电压相关性很强,会随着电压的升高显著增加,因此作为研究对象的6 kV电压等级电缆接头,其介质损耗不容忽略。
以上分析说明在机组运行状态下，在转子转速和负荷变化较小的条件下，相对于径向振动信号振幅值，轴向振动的幅值对靠近推力盘强度较低部位的主轴横向裂纹更加敏感，特别是在转子推力盘侧存在疲劳源的状态下，而且这种轴向监测诊断手段不必引进相位信号，反而更加方便。
考虑介质损耗的绝缘体等效电路模型,如图2(a)所示。介质施加正弦电压时,由于介质电导和介质极化的滞后效应,通过介质的电流I不是超前于电压π/2而是φ角度,如图2(b)所示,故内部存在能量损耗。
图2 绝缘介质等效电路与电压电流向量图
由图2可得
(1)
(2)
(3)
式中,εr为介电常数,单位F/m,ANSYS仿真中以材料属性的方式赋值;tanδ为介质损耗角正切,无量纲。
2 ANSYS仿真
ANSYS是融流体、结构、磁场、电场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。在工业、航空航天、能源、机械、电子、土木工程、造船等分析领域有着广泛的应用。ANSYS功能强大且操作简单,现已成为国内外最流行的有限元分析软件。本文利用ANSYS软件中电磁场-温度场耦合方法来分析高压电缆连接器的温升和载流能力,并着重研究绝缘老化对温升及载流量的影响。
在本次研究的40例中药调配质量问题过程当中,其中有炮制品炮制不到位7例,占总比17.5%,药物质量问题10例,占总比25%,药物剂量问题12例,占总比30%,处方不明确问题11例,占总比27.5%。
2.1 磁-热耦合
选用ANSYS最常用的物理环境法[8]建立电磁-温度场2个物理环境,通过在电磁场中加载电流求解,求解完成后,将结果文件在温度场中作为热生成载荷加载,即可得到电缆连接器的温度分布云图。在实际操作中,电磁场环节使用Plane53单元,温度场使用与电磁场单元兼容的Plane77单元,老化分析兼顾材料相对介电常数与损耗角正切值,选用Plane230单元。由于黄铜导体的电阻率ρ会随温度不断变化,需采用循环迭代法确定导体温度[9]。
2.2 仿真注意事项
(1)ANSYS软件建模时使用Overlap指令将模型切割为独立区域,否则会出现模型重合;(2)模型有限元划分时需考虑单元大小,一般实际应用中,网络已细化,结果改变不大表明结果已收敛。在本例中用于分析的有限元面积选为20-23,可得到较好的精度与计算时间;(3)导体部分耦合电压自由度,加载电流时只需选中一点即可实现全部导体电流加载,加载的三相交流电相位差为120°;(4)老化耦合过程中不会产生结果(.rst)文件,需通过*get指令得到电场生热率导出至数组t,指令中划分单元面积可选26～28,以免面积过小单元数目不够造成错误,并通过命令流的组合实现温度场计算,得到最终的温度。
3 ANSYS算例分析
3.1 载流量分析
根据相关标准规定,载流量是指电缆导体线芯温度达到90 ℃时对应的电流。仿真使用ANSYS加载电缆连接器额定电流200 A,并通过耦合计算其在额定状态下温度分布云图,如图3所示。由图可见,在额定电流下,电缆接头内部导体最高温度为90.24 ℃,符合电力系统安全温度。
1.2 方法 取所有患儿治疗前、治疗3 d、治疗7 d、治疗14 d的清晨空腹静脉血，3 000 r/min离心10 min后分离血浆，-80 ℃保存备用。酶联免疫吸附法(ELISA)检测血浆BNP及NT-proBNP水平并利用连续多普勒无创血流动力学监测系统(美国ANALOGIC公司生产)监测左心输出量、右心输出量；监测并计算对应时期尿量的变化，并与对照组进行比较。
图3 载流量下的温度分布云图
3.2 老化分析
老化环境下电缆接头温度分布云图如图4所示。电缆连接器内部DMC材料长时间与电流接触会发生不可逆转的性能变化,引起的介质损耗不容忽视。正常状态下,DMC材料的相对介电常数εr为3.5～4.2,介质损耗角正切值tanδ为0.013。老化状态时,用于高压电器的DMC材料其相对介电常数为5.0,介质损耗角正切值变为0.03[10],这一变化导致的介质损耗不容忽视。由图3可见,由于绝缘老化引起介质损耗导致连接器内部导体的最高温度为95.85 ℃,外壳温度为81.1 ℃。老化状态下电缆接头的温升增加了5.85 ℃。此时接头与高压电缆间的轴向温度差不容忽视,易引发绝缘击穿、着火事故。
图4 老化状态下高压电缆连接器的温度分布云图
4 结束语
本文通过对井下6 kV电网中应用最广的LBG1-200/6电缆连接器载流量以及老化环境下工作状态的研究,得出结论:额定状态下,接头内部空气隙的热阻效应确保高压电缆连接器与高压电缆温度相近,气隙的设计保证了温度平衡;老化状态下,DMC材料介质损耗引起的温升高达5.85 ℃,为确保安全必须降低电缆载流量,电缆与连接器之间可能产生纵向温差引起事故。研究结果可为井下电缆连接器的载流量分析与老化分析提供参考。
