基于等效电容法的电缆附件电场—温度场耦合分析研究

论文摘要

随着电力电缆在电力系统中得到广泛应用,其供电可靠性受到电力部门和电力用户越来越高的关注。电缆附件作为实现电缆之间连接以及电缆与其他电气设备连接的重要部件,其运行正常与否直接关系到电网安全,然而实际中电缆附件的故障率一直偏高。对电缆附件故障进行统计和分析后发现,由其绝缘老化引发的故障占到70%以上。电场和温度场是影响绝缘材料性能和造成绝缘材料老化的重要因素,为改善电缆附件产品的绝缘设计和延长电缆附件使用寿命,研究电缆附件内部电场和温度场的耦合特性以及这种耦合特性对电缆附件绝缘的影响具有十分重要的意义。本文在综述了电力电缆及附件故障类型和故障原因的基础上,详细阐明了电场和温度场影响交联聚乙烯的绝缘性能的机理。根据现有的电缆附件电场和温度场的有限元计算理论,以介质损耗基本公式出发,建立基于等效电容法的电缆附件电场-温度场耦合分析的数值计算公式,并得到了电缆附件内热源计算方法。在分析电缆附件内部热源的基础上,采用有限元分析软件ANSYS,建立了高压电缆附件电场-温度场耦合分析模型。利用此模型对110kV电缆中间接头和电缆终端进行电场-温度场耦合特性仿真,得到110kV电缆中间接头和电缆终端在各自不同情况下的温度场-电场分布特性。另外,还研究了环境温度对电缆中间接头运行温度的影响、电缆中间接头和电缆终端中工作电流对各自温度场的影响以及电缆终端绝缘材料的介质损耗角正切值对其温度场的影响,并利用建立的场域分析方法对110kV电缆终端局部异常发热的故障实例进行仿真。结果表明,由于绝缘材料老化、环境温度和工作电流等因素的影响,可导致电缆附件内部温度升高,从而使得附件内部电场分布发生改变,严重可导致电缆附件发生热击穿或电击穿。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 电力电缆及附件的应用
• 1.2 电力电缆及附件的故障
• 1.2.1 电力电缆及附件的故障分类
• 1.2.2 电力电缆及附件的故障原因
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 电力电缆及附件电场的研究
• 1.3.2 电力电缆及附件温度场的研究
• 1.4 论文的主要工作
• 第2章 电场与温度场对电缆附件绝缘性能的影响
• 2.1 XLPE电缆附件
• 2.1.1 XLPE电缆附件的种类
• 2.1.2 XLPE电缆附件的结构
• 2.2 XLPE绝缘老化原因分析
• 2.3 电场和温度场对XLPE电缆附件绝缘性能的影响
• 2.3.1 电场对XLPE电缆附件绝缘性能的影响
• 2.3.2 温度场对XLPE电缆附件绝缘性能的影响
• 2.3.3 电场和温度场耦合特性对XLPE电缆附件绝缘性能的影响
• 2.4 本章小结
• 第3章 电缆附件电场-温度场耦合分析研究
• 3.1 有限元分析软件ANSYS
• 3.1.1 ANSYS的热分析功能
• 3.1.2 ANSYS的电磁场分析功能
• 3.1.3 ANSYS的耦合场分析功能
• 3.2 电缆附件电场与温度场的有限元计算理论
• 3.2.1 电缆附件的电场计算
• 3.2.2 电缆附件的温度场计算
• 3.3 基于等效电容法的电缆附件电场-温度场耦合分析研究
• 3.3.1 等效电容法
• 3.3.2 电缆附件电场与温度场数值计算耦合公式
• 3.4 基于等效电容法的电缆附件电场-温度场耦合分析的应用
• 3.5 本章小结
• 第4章 110kV电缆中间接头电场-温度场耦合特性的仿真研究
• 4.1 仿真建模
• 4.1.1 实物模型
• 4.1.2 几何模型和网格剖分图
• 4.1.3 仿真初始条件与边界条件
• 4.2 仿真结果与分析
• 4.2.1 正常工作时的温度场-电场分布特性
• 4.2.2 绝缘层出现老化时的温度场-电场分布特性
• 4.2.3 绝缘层局部存在杂质时的温度场-电场分布特性
• 4.2.4 环境温度对电缆中间接头运行温度的影响
• 4.2.5 工作电流对电缆中间接头温度场的影响
• 4.3 本章小结
• 第5章 110kV电缆终端电场-温度场耦合特性仿真研究与故障分析
• 5.1 110kV电缆终端电场-温度场耦合特性仿真研究
• 5.1.1 实物模型
• 5.1.2 几何模型和网格剖分图
• 5.1.3 仿真初始条件和边界条件
• 5.1.4 仿真结果与分析
• 5.2 场域分析方法在电缆终端故障分析中的应用验证
• 5.2.1 电缆终端常见故障及形成原因
• 5.2.2 故障分析
• 5.2.3 场域分析方法的应用验证
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A （攻读学位期间所发表的学术论文目录）
• 附录B （攻读硕士学位期间参加的研究课题）