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電力電纜的熱穩(wěn)定性分析

電纜的介質(zhì)損耗一般隨溫度上升而增加。電纜設(shè)計(jì)應(yīng)保證在正常情 況下電纜工作在允許溫度范圍內(nèi)，還應(yīng)保證在短路故障、過電壓條件下電 纜的熱穩(wěn)定。

電纜內(nèi)部產(chǎn)生熱量與其表面溫度的關(guān)系曲線如圖 23 - 19 曲線 1 所 示，2 是散發(fā)熱量與表面溫度的曲線。曲線 1 與曲線 2 只有一個(gè)交點(diǎn)，而 且在高于交點(diǎn)溫度、散熱量恒大于電纜內(nèi)產(chǎn)生的熱量，這種情況下的電纜 具有完全的熱穩(wěn)定性，電纜穩(wěn)定工作在溫度 8s1。因?yàn)楫?dāng)溫度低于 8s1 時(shí)， 電纜產(chǎn)生熱量大于從絕緣表面散發(fā)的熱量，于是溫度上升直至 8s1。當(dāng)由 于某種原因(短路故障，過電壓等)發(fā)生熱量增加，溫度上升高于 8s1時(shí)，散 發(fā)熱量大于電纜發(fā)生的熱量，于是溫度仍回到 8s1，不會(huì)發(fā)生熱擊穿現(xiàn)象。

當(dāng)電纜發(fā)熱曲線與散熱曲線相切或永遠(yuǎn)大于散熱曲線如圖 23 - 20 所 示，則稱這一電纜具有完全熱不穩(wěn)定。因?yàn)榧由县?fù)載溫度會(huì)不斷上升，直 至發(fā)生熱擊穿。

實(shí)際電纜具有圖 23 - 21 的發(fā)熱和散熱曲線，即具有有限熱穩(wěn)定性。 發(fā)熱曲線 1 與散熱曲線 2 相交于A、B 兩點(diǎn)。電纜由于某種原因溫度過熱

到 81，當(dāng)過熱熱源移開時(shí)，由于電纜表面的散熱量大于電纜本身所產(chǎn)生的 熱量，電纜溫度仍會(huì)回到 A 點(diǎn)，因此電纜在 A 點(diǎn)附近是穩(wěn)定的。但是如電 纜絕緣溫度過熱到 82，過熱熱源移開，此時(shí)電纜內(nèi)發(fā)生熱量大于表面散發(fā) 的熱量，于是電纜溫度會(huì)繼續(xù)上升，直至發(fā)生熱擊穿。所以在 B 點(diǎn)及以上 溫度電纜是不穩(wěn)定的。只有在一定溫度范圍內(nèi)具有熱穩(wěn)定性，所以稱為

圖 23 - 21   有限熱穩(wěn)定性電纜的發(fā)熱與散熱曲線

從上述分析可知，判斷電纜的熱穩(wěn)定性需要確定電纜的發(fā)熱和散熱 曲線，當(dāng)電纜是熱穩(wěn)定的，它滿足下列條件

1 . 電纜發(fā)生熱量 ≤電纜散發(fā)熱量；

2 . 電纜發(fā)生熱量隨溫度的變化率 < 電纜散發(fā)到周圍媒質(zhì)熱量隨溫度 的變化率(比較圖 23 - 21 中 A 點(diǎn)和B點(diǎn)) 。即

W8i ≥G(8i )

aw(8i )    aG(8i )

5

式中  G(8i) ———絕緣層的發(fā)熱量(W/cm)；

w(8i) ——— 從絕緣層表面散發(fā)到周圍媒質(zhì)的熱量(W/cm)； 8i———絕緣層的平均溫度(℃)。

以單芯電纜為例

G(8i ) = wi = 2rfCU02tg8(8i)

w(8i)

8c - 8a - wc[ T1 + (1 + λ1 )( T2 + T3 + T4 )]

=

 T1 + T2 + T3 + T4

8C + 8s

式中  8c ——— 線芯溫度(℃)；

8s ———護(hù)套溫度(℃)；

8a ———周圍媒質(zhì)溫度(℃)；

C ——— 電纜絕緣層電容(F/cm)；

U0 ———絕緣層承受電壓(V)；

tg8(8i) ———絕緣層在其平均溫度下的 tg8值；

T1、T2、T3、T4、λ1 等代表的意義

w(8i) =

8i - 8a - wc[ T1 +(1 + λ1 )(T2 + T3 + T4 )]

T1 + T2 + T3 + T4

對(duì) 8i求導(dǎo)并代入式得電纜絕緣的熱穩(wěn)定溫度范圍條件為

2rfCu02 atg8(8i) < 1 - [  + (1 + λ1 )( T2 + T3 + T4 )]aI2 R

4 T1 + T2 + T3 + T4

式中  a——— 線芯電阻溫度系數(shù)(1/ ℃)；

R ———在溫度為 8a 時(shí)線芯的電阻(Q)；

I——— 線芯電流(A)。

另外，根據(jù)熱平衡條件

8c - 8a  = I2 R[ 1 + a(8c  - 8a )][ T1  + ( 1 + λ1 ) x ( T2  + T3  + T4 )] +

2TfCU02tg8(8i ) × (  T1 + T2 + T3 + T4 )

可得：a8c      2TfCU02(  T1 + T2 + T3 + T4 )  

atg8(8i )

a8i        <

1 - aI2 RT                         

2TfCU02[(  T1 + T2 + T3 + T4 )(1 - aI2 RT)

+ ( T -  )aI2 R(  T1 + T2 + T3 + T4 )]

其中

T = T1 + (1 + λ1 )( T2 + T3 + T4 )

當(dāng)滿足公式的條件時(shí)，電纜是熱穩(wěn)定的。

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