35kV電力電纜電熱耦合特性剖析及故障診斷研究

一、引言1.1研究背景與意義隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和社會的不斷進步，電力需求持續(xù)增長，對電力系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性提出了更高的要求。35kV電力電纜作為電力傳輸和分配的關(guān)鍵設(shè)備，廣泛應(yīng)用于城市電網(wǎng)、工業(yè)園區(qū)、鐵路、礦山等領(lǐng)域，在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中占據(jù)著舉足輕重的地位。在城市電網(wǎng)中，35kV電力電纜通常用于連接變電站與各個負(fù)荷中心，將電能高效地輸送到城市的各個角落，滿足居民生活、商業(yè)運營和工業(yè)生產(chǎn)的用電需求。在工業(yè)園區(qū)，大量的工業(yè)企業(yè)依賴35kV電力電纜獲取穩(wěn)定的電力供應(yīng)，以保障生產(chǎn)設(shè)備的正常運行，維持工業(yè)生產(chǎn)的連續(xù)性。在鐵路系統(tǒng)中，35kV電力電纜為鐵路沿線的信號設(shè)備、通信設(shè)備和牽引供電系統(tǒng)提供電力支持，確保鐵路運輸?shù)陌踩晚槙?。在礦山開采等特殊環(huán)境中，35kV電力電纜也承擔(dān)著將電能輸送到井下各個作業(yè)面的重要任務(wù)，為礦山的開采和生產(chǎn)提供動力保障。然而，35kV電力電纜在運行過程中不可避免地會受到各種因素的影響，如電流負(fù)載、環(huán)境溫度、濕度、機械應(yīng)力等，這些因素會導(dǎo)致電纜產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象，進而引發(fā)電熱耦合問題。當(dāng)電纜的溫度過高時，不僅會加速電纜絕緣材料的老化，降低其絕緣性能，還可能導(dǎo)致電纜的載流量下降，影響電力傳輸?shù)男屎头€(wěn)定性。一旦電纜發(fā)生故障，如絕緣擊穿、短路等，將對電力系統(tǒng)的正常運行造成嚴(yán)重影響，導(dǎo)致大面積停電事故，給社會經(jīng)濟帶來巨大損失。例如，在[具體年份]，某城市由于35kV電力電纜發(fā)生故障，導(dǎo)致多個區(qū)域停電長達數(shù)小時，造成了商業(yè)活動的停滯、交通秩序的混亂以及居民生活的不便，直接經(jīng)濟損失高達數(shù)千萬元。此外，電力電纜故障還可能引發(fā)火災(zāi)等安全事故，對人員生命和財產(chǎn)安全構(gòu)成威脅。因此，深入研究35kV電力電纜的電熱耦合特性與故障，對于保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行具有重要的現(xiàn)實意義。通過研究35kV電力電纜的電熱耦合特性，可以準(zhǔn)確掌握電纜在不同運行條件下的溫度分布規(guī)律和變化趨勢，為電纜的設(shè)計、選型和運行維護提供科學(xué)依據(jù)。例如，在電纜設(shè)計階段，可以根據(jù)電熱耦合特性的研究結(jié)果，合理選擇電纜的絕緣材料、導(dǎo)體截面和結(jié)構(gòu)形式，以提高電纜的散熱性能和載流能力，降低電纜的運行溫度，延長電纜的使用壽命。在電纜運行維護階段，可以根據(jù)實時監(jiān)測的電纜溫度數(shù)據(jù)，結(jié)合電熱耦合模型，及時發(fā)現(xiàn)電纜的潛在故障隱患，采取相應(yīng)的措施進行處理，避免故障的發(fā)生和擴大。對35kV電力電纜故障進行分析，能夠深入了解故障的產(chǎn)生原因、發(fā)展機理和傳播規(guī)律，從而制定出有效的故障預(yù)防和診斷措施。通過對故障原因的分析，可以針對性地加強電纜的施工質(zhì)量控制、運行管理和維護保養(yǎng)，減少故障的發(fā)生概率。同時，利用先進的故障診斷技術(shù)，如局部放電檢測、紅外測溫、在線監(jiān)測等，可以及時準(zhǔn)確地檢測出電纜的故障位置和類型，為故障的快速修復(fù)提供支持，縮短停電時間，提高電力系統(tǒng)的供電可靠性。綜上所述，研究35kV電力電纜的電熱耦合特性與故障，對于保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行、提高供電可靠性、促進社會經(jīng)濟的發(fā)展具有重要的意義。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在35kV電力電纜電熱耦合特性研究方面，國外起步較早，取得了一系列具有重要價值的成果。學(xué)者們基于傳熱學(xué)和電磁學(xué)的基本原理，建立了多種電熱耦合模型。其中，有限元法在電纜溫度場計算中應(yīng)用廣泛，通過將電纜結(jié)構(gòu)離散化，能夠精確模擬電纜各部分的溫度分布情況。例如，[國外學(xué)者姓名1]利用有限元軟件對35kV交聯(lián)聚乙烯電纜進行建模分析，考慮了電纜導(dǎo)體、絕緣層、屏蔽層以及周圍環(huán)境的熱傳導(dǎo)和對流換熱，得到了電纜在不同負(fù)載電流下的溫度分布云圖，直觀地展示了電纜內(nèi)部的溫度變化規(guī)律。同時，[國外學(xué)者姓名2]通過實驗研究，對不同敷設(shè)方式下35kV電力電纜的散熱性能進行了對比分析，提出了優(yōu)化電纜敷設(shè)方式以降低運行溫度的方法。國內(nèi)在35kV電力電纜電熱耦合特性研究方面也取得了長足的進展。研究人員結(jié)合我國電力系統(tǒng)的實際運行情況，對電纜電熱耦合模型進行了改進和完善。[國內(nèi)學(xué)者姓名1]考慮了土壤熱阻隨溫度變化的特性，建立了更加符合實際工況的電纜電熱耦合模型，提高了溫度計算的準(zhǔn)確性。[國內(nèi)學(xué)者姓名2]運用數(shù)值模擬與實驗相結(jié)合的方法，深入研究了35kV電力電纜在不同環(huán)境因素（如濕度、通風(fēng)條件等）影響下的電熱耦合特性，為電纜的運行維護提供了更具針對性的建議。在35kV電力電纜故障分析領(lǐng)域，國外研究注重多學(xué)科交叉融合，利用先進的檢測技術(shù)和數(shù)據(jù)分析方法來診斷電纜故障。局部放電檢測技術(shù)是目前應(yīng)用較為廣泛的一種故障檢測方法，[國外學(xué)者姓名3]通過對局部放電信號的特征提取和分析，能夠準(zhǔn)確判斷電纜內(nèi)部的絕緣缺陷類型和位置。此外，基于人工智能的故障診斷方法也逐漸興起，[國外學(xué)者姓名4]采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對大量的電纜故障數(shù)據(jù)進行學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，建立了故障診斷模型，實現(xiàn)了對電纜故障的快速準(zhǔn)確診斷。國內(nèi)對35kV電力電纜故障分析的研究也不斷深入。研究人員在總結(jié)實際運行經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，對電纜故障的原因和機理進行了系統(tǒng)分析。[國內(nèi)學(xué)者姓名3]通過對大量電纜故障案例的統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)電纜中間接頭和終端頭是故障的高發(fā)部位，主要原因包括制作工藝不良、金屬屏蔽接地不完善等。針對這些問題，提出了加強電纜接頭制作質(zhì)量控制和完善接地系統(tǒng)的措施。[國內(nèi)學(xué)者姓名4]利用紅外測溫技術(shù)對電纜運行溫度進行實時監(jiān)測，結(jié)合溫度變化趨勢和歷史數(shù)據(jù)，開發(fā)了電纜故障預(yù)警系統(tǒng)，能夠提前發(fā)現(xiàn)電纜潛在的故障隱患。盡管國內(nèi)外在35kV電力電纜電熱耦合特性與故障分析方面取得了一定的研究成果，但仍存在一些不足之處。一方面，現(xiàn)有的電熱耦合模型在考慮復(fù)雜運行環(huán)境和多因素耦合作用時，還存在一定的局限性，模型的準(zhǔn)確性和通用性有待進一步提高。另一方面，在電纜故障診斷方面，雖然檢測技術(shù)和診斷方法不斷發(fā)展，但對于一些早期的、隱蔽性較強的故障，仍難以實現(xiàn)準(zhǔn)確檢測和診斷。此外，目前的研究大多側(cè)重于單一電纜的特性分析和故障診斷，對于多電纜并行敷設(shè)、電纜網(wǎng)絡(luò)等復(fù)雜系統(tǒng)的研究相對較少。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容35kV電力電纜電熱耦合理論基礎(chǔ)研究：深入研究35kV電力電纜在運行過程中的發(fā)熱原理，包括導(dǎo)體電阻損耗、絕緣介質(zhì)損耗以及護套和屏蔽層的損耗等產(chǎn)生熱量的機制。從傳熱學(xué)基本原理出發(fā)，分析電纜內(nèi)部熱量傳遞的方式，如熱傳導(dǎo)在導(dǎo)體、絕緣層和屏蔽層等各部分之間的作用，以及熱對流在電纜周圍環(huán)境中的影響。通過對這些理論基礎(chǔ)的研究，為后續(xù)建立準(zhǔn)確的電熱耦合模型提供堅實的理論依據(jù)。35kV電力電纜電熱耦合模型建立與分析：基于傳熱學(xué)和電磁學(xué)的基本原理，綜合考慮電纜的結(jié)構(gòu)特點，如導(dǎo)體的材質(zhì)、形狀和尺寸，絕緣層的厚度和材料特性，屏蔽層和護套的結(jié)構(gòu)等因素，建立35kV電力電纜的電熱耦合模型。在模型中，充分考慮電纜運行環(huán)境因素的影響，如環(huán)境溫度的變化、濕度對絕緣性能和熱傳遞的影響、通風(fēng)條件對散熱效果的作用等。通過對模型的求解和分析，得到電纜在不同運行條件下的溫度分布情況，包括導(dǎo)體、絕緣層、屏蔽層等各部分的溫度分布，以及電纜整體的溫度變化趨勢。同時，分析不同因素對電纜溫度分布的影響程度，如負(fù)載電流大小、環(huán)境溫度高低、電纜敷設(shè)方式等因素與電纜溫度之間的定量關(guān)系。35kV電力電纜故障類型與原因分析：全面收集和整理35kV電力電纜在實際運行過程中出現(xiàn)的各種故障案例，對故障類型進行系統(tǒng)分類，如絕緣故障，包括絕緣老化、絕緣擊穿等；導(dǎo)體故障，如導(dǎo)體斷裂、接觸不良等；中間接頭和終端頭故障，如接頭過熱、密封不良等。深入分析每種故障類型產(chǎn)生的原因，從材料特性方面，考慮絕緣材料的性能劣化、導(dǎo)體材料的質(zhì)量問題等；從制造工藝角度，分析電纜生產(chǎn)過程中的缺陷、接頭制作工藝的不完善等；從運行環(huán)境因素出發(fā)，探討長期過負(fù)荷運行、惡劣的氣候條件、機械外力損傷等對電纜造成的影響。通過對故障類型和原因的深入分析，為制定有效的故障預(yù)防和診斷措施提供依據(jù)。基于電熱耦合特性的35kV電力電纜故障診斷方法研究：結(jié)合35kV電力電纜的電熱耦合特性，研究利用溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)進行故障診斷的方法。分析電纜在正常運行和故障狀態(tài)下的溫度變化特征，建立故障與溫度變化之間的關(guān)聯(lián)模型。例如，當(dāng)電纜出現(xiàn)局部過熱故障時，通過監(jiān)測溫度的異常升高及其分布情況，判斷故障的位置和嚴(yán)重程度。探索將局部放電檢測、紅外測溫等技術(shù)與電熱耦合模型相結(jié)合的故障診斷方法，充分發(fā)揮各種技術(shù)的優(yōu)勢，提高故障診斷的準(zhǔn)確性和可靠性。局部放電檢測可以及時發(fā)現(xiàn)電纜內(nèi)部的絕緣缺陷，紅外測溫能夠直觀地檢測電纜表面的溫度分布，而電熱耦合模型則可以對電纜內(nèi)部的溫度場進行模擬和分析，三者相互補充，實現(xiàn)對電纜故障的全面、準(zhǔn)確診斷。1.3.2研究方法理論分析方法：運用傳熱學(xué)、電磁學(xué)等相關(guān)學(xué)科的基本原理和公式，對35kV電力電纜的發(fā)熱原理和熱量傳遞過程進行深入的理論推導(dǎo)和分析。通過建立數(shù)學(xué)模型，描述電纜在不同運行條件下的電熱耦合特性，為后續(xù)的研究提供理論基礎(chǔ)。例如，根據(jù)焦耳定律計算導(dǎo)體電阻損耗產(chǎn)生的熱量，依據(jù)熱傳導(dǎo)方程求解電纜內(nèi)部的溫度分布。在研究電纜故障時，從材料科學(xué)、電氣工程等理論角度出發(fā)，分析故障產(chǎn)生的原因和機理，為故障診斷和預(yù)防提供理論依據(jù)。實驗研究方法：搭建35kV電力電纜實驗平臺，模擬電纜在不同運行條件下的實際工況。通過在實驗平臺上設(shè)置不同的負(fù)載電流、環(huán)境溫度、濕度等參數(shù)，測量電纜在各種工況下的溫度分布、局部放電等數(shù)據(jù)。例如，利用熱電偶等溫度傳感器測量電纜各部分的溫度，使用局部放電檢測儀檢測電纜內(nèi)部的局部放電情況。對實驗數(shù)據(jù)進行分析和處理，驗證理論分析和數(shù)值模擬的結(jié)果，為模型的優(yōu)化和改進提供依據(jù)。同時，通過實驗研究，還可以發(fā)現(xiàn)一些在理論分析中難以考慮到的實際問題，進一步完善對35kV電力電纜電熱耦合特性和故障的認(rèn)識。數(shù)值模擬方法：利用專業(yè)的有限元分析軟件，如ANSYS、COMSOL等，對35kV電力電纜的電熱耦合特性進行數(shù)值模擬。將電纜的幾何模型、材料參數(shù)、邊界條件等輸入到軟件中，通過軟件的計算功能，得到電纜在不同運行條件下的溫度場分布、電場分布等結(jié)果。通過數(shù)值模擬，可以直觀地觀察電纜內(nèi)部的電熱分布情況，分析不同因素對電纜電熱特性的影響。與實驗研究相比，數(shù)值模擬具有成本低、周期短、可重復(fù)性強等優(yōu)點，可以對各種復(fù)雜工況進行模擬分析，為電纜的設(shè)計、運行和維護提供參考。在電纜故障診斷研究中，也可以利用數(shù)值模擬方法，模擬電纜在不同故障狀態(tài)下的電熱特性變化，為故障診斷方法的研究提供數(shù)據(jù)支持。二、35kV電力電纜電熱耦合基本原理2.1電熱耦合效應(yīng)的定義與物理機制電熱耦合效應(yīng)是指在35kV電力電纜運行過程中，電流與溫度場之間存在的相互作用現(xiàn)象。當(dāng)電流通過電纜導(dǎo)體時，由于導(dǎo)體存在電阻，根據(jù)焦耳定律，電流會產(chǎn)生熱量，這一過程被稱為焦耳熱效應(yīng)。焦耳熱的產(chǎn)生會導(dǎo)致電纜導(dǎo)體及周圍絕緣層、屏蔽層等部分的溫度升高。同時，溫度的變化又會反過來影響電纜的電學(xué)性能，進而對電流的傳導(dǎo)產(chǎn)生影響，這種電流與溫度之間相互作用、相互影響的關(guān)系即為電熱耦合效應(yīng)。從物理機制角度來看，首先是焦耳熱的產(chǎn)生。根據(jù)焦耳定律，電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量Q與電流I的平方、導(dǎo)體電阻R以及通電時間t成正比，其數(shù)學(xué)表達式為Q=I^{2}Rt。在35kV電力電纜中，導(dǎo)體通常采用銅或鋁等金屬材料，雖然這些材料的電阻率相對較低，但在傳輸大電流時，電阻產(chǎn)生的熱量依然不可忽視。例如，當(dāng)電纜承載較大的負(fù)荷電流時，導(dǎo)體的溫度會迅速升高，這是因為電流的平方與熱量呈正相關(guān)，微小的電流變化可能導(dǎo)致熱量的大幅增加。熱傳導(dǎo)在電熱耦合效應(yīng)中也起著關(guān)鍵作用。熱傳導(dǎo)是熱量在介質(zhì)中從高溫區(qū)域向低溫區(qū)域傳遞的過程。在35kV電力電纜中，熱量從產(chǎn)生的源頭——導(dǎo)體，通過絕緣層、屏蔽層等向周圍環(huán)境傳遞。熱傳導(dǎo)的速率與介質(zhì)材料的導(dǎo)熱系數(shù)、溫度梯度以及熱邊界條件等因素密切相關(guān)。不同的材料具有不同的導(dǎo)熱系數(shù)，例如，交聯(lián)聚乙烯（XLPE）作為常見的電纜絕緣材料，其導(dǎo)熱系數(shù)相對較低，這意味著熱量在絕緣層中的傳遞速度較慢，容易導(dǎo)致絕緣層內(nèi)溫度升高。溫度梯度則決定了熱量傳遞的方向和快慢，溫度梯度越大，熱傳導(dǎo)速率越快。當(dāng)電纜導(dǎo)體溫度升高時，與絕緣層之間形成較大的溫度梯度，熱量就會從導(dǎo)體向絕緣層傳導(dǎo)。熱邊界條件包括電纜與周圍環(huán)境的接觸方式、環(huán)境溫度等，良好的散熱條件（如通風(fēng)良好、與散熱介質(zhì)接觸緊密）有助于熱量的散發(fā)，降低電纜的溫度。此外，電磁場對溫度場也存在一定影響。在電纜運行時，其周圍存在電磁場，電磁場會產(chǎn)生感應(yīng)熱量，雖然這部分熱量在一般情況下相較于焦耳熱較小，但在某些特殊工況下，如高頻電流或強磁場環(huán)境中，感應(yīng)熱量的影響可能不可忽略。例如，在一些特殊的工業(yè)場所，存在較強的電磁場干擾，可能會使電纜產(chǎn)生額外的感應(yīng)熱量，加劇電熱耦合效應(yīng)。這種電磁場與溫度場之間的相互作用，進一步豐富了電熱耦合效應(yīng)的物理內(nèi)涵，使得35kV電力電纜的運行特性變得更加復(fù)雜。2.2電熱耦合的數(shù)學(xué)模型用于描述35kV電力電纜電熱耦合效應(yīng)的數(shù)學(xué)模型通常采用偏微分方程組，該方程組主要包括電場方程、傳熱方程和狀態(tài)方程等，這些方程相互關(guān)聯(lián)，共同刻畫了電纜內(nèi)部電流與溫度場之間的復(fù)雜耦合關(guān)系。電場方程主要描述電流密度與電場強度之間的關(guān)系。根據(jù)歐姆定律的微分形式，在各向同性的均勻?qū)w中，電流密度\vec{J}與電場強度\vec{E}滿足\vec{J}=\sigma\vec{E}，其中\(zhòng)sigma為導(dǎo)體的電導(dǎo)率。在35kV電力電纜中，由于導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)和材料特性，電流在導(dǎo)體中的分布并非均勻，通過電場方程可以準(zhǔn)確地分析電流在電纜導(dǎo)體中的傳導(dǎo)路徑和分布情況，這對于理解電纜的發(fā)熱源和發(fā)熱強度具有重要意義。例如，在電纜的彎曲部位或接頭處，電流密度可能會發(fā)生變化，導(dǎo)致局部發(fā)熱加劇，通過電場方程能夠精確計算這些區(qū)域的電流密度，從而為后續(xù)的溫度場分析提供準(zhǔn)確的電流分布數(shù)據(jù)。傳熱方程用于描述溫度場的變化規(guī)律，它是基于熱傳導(dǎo)基本定律建立起來的。在三維空間中，熱傳導(dǎo)方程的一般形式為\rhoc\frac{\partialT}{\partialt}=\nabla\cdot(k\nablaT)+Q。其中，\rho為材料的密度，c為材料的比熱容，T表示溫度，t是時間，k為材料的導(dǎo)熱系數(shù)，Q為單位體積內(nèi)的熱源強度。在35kV電力電纜中，Q主要來源于導(dǎo)體電阻損耗產(chǎn)生的焦耳熱，以及其他可能的熱源，如絕緣介質(zhì)損耗產(chǎn)生的熱量等。對于電纜的不同組成部分，如導(dǎo)體、絕緣層、屏蔽層和護套等，由于它們的材料不同，各部分的\rho、c、k等參數(shù)也不相同，因此需要針對每個部分分別列出傳熱方程，并考慮各部分之間的熱傳遞邊界條件。例如，在導(dǎo)體與絕緣層的交界面上，滿足溫度連續(xù)和熱流密度連續(xù)的條件，即T_{導(dǎo)體}=T_{絕緣}，k_{導(dǎo)體}\frac{\partialT_{導(dǎo)體}}{\partialn}=k_{絕緣}\frac{\partialT_{絕緣}}{\partialn}，其中n為交界面的法線方向。通過求解這些傳熱方程，可以得到電纜在不同時刻、不同位置的溫度分布情況。狀態(tài)方程則描述了導(dǎo)體材料的物理屬性隨溫度的變化情況。在35kV電力電纜中，導(dǎo)體的電阻會隨著溫度的升高而增大，其關(guān)系可以用經(jīng)驗公式R=R_0(1+\alpha(T-T_0))來表示，其中R是溫度為T時的電阻，R_0是溫度為T_0時的參考電阻，\alpha為電阻溫度系數(shù)。這個狀態(tài)方程反映了溫度對導(dǎo)體電阻的影響，進而影響到電流通過導(dǎo)體時產(chǎn)生的焦耳熱，體現(xiàn)了電熱耦合效應(yīng)中溫度對電學(xué)性能的反饋作用。此外，電纜的絕緣材料性能也會隨溫度變化，如絕緣電阻的降低、介電常數(shù)的改變等，這些特性也需要通過相應(yīng)的狀態(tài)方程來描述，以便更全面地考慮電熱耦合效應(yīng)對電纜絕緣性能的影響。這些電場方程、傳熱方程和狀態(tài)方程需要聯(lián)立求解，才能獲得電熱耦合效應(yīng)的完整描述。在實際求解過程中，由于偏微分方程組的復(fù)雜性，通常采用數(shù)值方法，如有限元法、有限差分法等。以有限元法為例，首先將電纜的幾何模型進行離散化，劃分為多個小單元，然后在每個單元上對偏微分方程組進行近似求解，通過迭代計算得到整個電纜模型的電場分布、溫度分布以及其他物理量的分布情況。通過這種方式，可以深入分析35kV電力電纜在不同運行條件下的電熱耦合特性，為電纜的設(shè)計、運行和維護提供有力的理論支持。三、影響35kV電力電纜電熱耦合特性的因素3.1電纜自身參數(shù)的影響3.1.1導(dǎo)體材料35kV電力電纜的導(dǎo)體材料通常為銅或鋁，這兩種材料在電學(xué)和熱學(xué)性能上存在顯著差異，從而對電纜的電熱耦合特性產(chǎn)生不同影響。銅具有良好的導(dǎo)電性，其電阻率較低。在20℃時，純銅的電阻率約為1.7×10??Ω?m，這使得電流在銅導(dǎo)體中傳輸時，電阻損耗較小，根據(jù)焦耳定律Q=I^{2}Rt，產(chǎn)生的熱量相對較少。以某35kV電力電纜為例，當(dāng)通過相同的負(fù)載電流1000A時，若采用銅導(dǎo)體，其電阻為0.01Ω/km，每千米電纜導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量Q_{銅}=I^{2}R_{銅}t=(1000)^{2}\times0.01t=10000t（J）（假設(shè)時間t=1s）。由于產(chǎn)生的熱量少，電纜的溫度上升相對緩慢，有利于維持電纜的穩(wěn)定運行。同時，銅的導(dǎo)熱系數(shù)較高，約為401W/(m?K)，這使得電纜在運行過程中，導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量能夠迅速地傳導(dǎo)到周圍環(huán)境中，進一步降低導(dǎo)體溫度，減少因溫度升高對電纜性能的影響。相比之下，鋁的電阻率相對較高，在20℃時，純鋁的電阻率約為2.8×10??Ω?m。同樣在上述35kV電力電纜通過1000A負(fù)載電流的情況下，若采用鋁導(dǎo)體，其電阻為0.02Ω/km，每千米電纜導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量Q_{鋁}=I^{2}R_{鋁}t=(1000)^{2}\times0.02t=20000t（J）（假設(shè)時間t=1s），明顯高于銅導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量。這會導(dǎo)致電纜的溫度升高較快，加速絕緣材料的老化，降低電纜的使用壽命。而且鋁的導(dǎo)熱系數(shù)為237W/(m?K)，低于銅的導(dǎo)熱系數(shù)，熱量傳導(dǎo)速度較慢，使得電纜內(nèi)部的熱量更容易積聚，進一步加劇了溫度對電纜性能的不利影響。此外，隨著溫度的變化，銅和鋁導(dǎo)體的電阻也會發(fā)生改變。一般來說，它們的電阻隨溫度升高而增大，這種變化會進一步影響電纜的電熱耦合特性。在實際運行中，由于電纜可能會經(jīng)歷不同的負(fù)載電流和環(huán)境溫度，導(dǎo)體電阻的變化會導(dǎo)致熱量產(chǎn)生和傳遞的動態(tài)變化，從而增加了電纜運行狀態(tài)的復(fù)雜性。因此，在選擇35kV電力電纜的導(dǎo)體材料時，需要綜合考慮電纜的使用環(huán)境、負(fù)載要求以及成本等因素，以確保電纜具有良好的電熱耦合特性和穩(wěn)定的運行性能。3.1.2截面積電纜導(dǎo)體截面積的大小對其電熱耦合特性有著重要影響。當(dāng)電纜通過電流時，根據(jù)焦耳定律，電流產(chǎn)生的熱量與導(dǎo)體電阻和電流平方成正比，而導(dǎo)體電阻又與截面積成反比。因此，增大導(dǎo)體截面積可以有效降低電阻，進而減少熱量的產(chǎn)生。以35kV電力電纜為例，當(dāng)電纜的負(fù)載電流為800A時，對于截面積為150mm2的銅導(dǎo)體電纜，其電阻約為0.12Ω/km。根據(jù)焦耳定律，每千米電纜在1小時內(nèi)產(chǎn)生的熱量Q_1=I^{2}R_1t=800^{2}\times0.12\times3600=2.7648\times10^{8}J。若將導(dǎo)體截面積增大到240mm2，電阻降低至約0.075Ω/km，此時每千米電纜在相同時間內(nèi)產(chǎn)生的熱量Q_2=800^{2}\times0.075\times3600=1.728\times10^{8}J?？梢悦黠@看出，隨著截面積的增大，電纜產(chǎn)生的熱量顯著減少。從溫度分布角度來看，較小截面積的電纜在通過相同電流時，由于電阻較大，發(fā)熱更為集中，導(dǎo)致導(dǎo)體溫度迅速升高。這不僅會使導(dǎo)體自身的性能受到影響，還會使周圍絕緣層的溫度升高，加速絕緣材料的老化，降低絕緣性能。而較大截面積的電纜，由于電阻小，熱量產(chǎn)生相對較少，且熱量在較大的導(dǎo)體橫截面上分布更為均勻，使得導(dǎo)體和絕緣層的溫度升高幅度較小，有利于電纜的長期穩(wěn)定運行。此外，導(dǎo)體截面積的大小還會影響電纜的載流量。較大截面積的電纜能夠承受更大的電流，因為在相同電流密度下，它產(chǎn)生的熱量更少，溫度上升更慢。例如，某35kV電力電纜，當(dāng)導(dǎo)體截面積為120mm2時，其長期允許載流量約為325A；而當(dāng)截面積增大到185mm2時，長期允許載流量可提高到約420A。這說明，合理選擇電纜導(dǎo)體截面積，不僅可以改善電纜的電熱耦合特性，還能滿足不同負(fù)載電流的需求，確保電力傳輸?shù)陌踩煽俊?.1.3絕緣材料35kV電力電纜的絕緣材料在電熱耦合特性中扮演著關(guān)鍵角色，不同的絕緣材料具有各異的絕緣性能和熱性能，這些特性直接影響著電纜的運行狀態(tài)。交聯(lián)聚乙烯（XLPE）是目前35kV電力電纜中廣泛應(yīng)用的絕緣材料。它具有出色的電氣絕緣性能，能夠有效阻止電流的泄漏，確保電纜的正常運行。其相對介電常數(shù)約為2.3-2.5，介質(zhì)損耗因數(shù)在10??數(shù)量級，這使得在電場作用下，XLPE絕緣材料的介質(zhì)損耗較小，產(chǎn)生的熱量相對較少。例如，在某35kVXLPE絕緣電纜中，當(dāng)施加額定電壓時，由于介質(zhì)損耗產(chǎn)生的熱量僅占總發(fā)熱量的一小部分，主要熱量來源是導(dǎo)體電阻損耗。從熱性能方面來看，XLPE的導(dǎo)熱系數(shù)較低，約為0.3-0.4W/(m?K)。這意味著在電纜運行過程中，由導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量在通過XLPE絕緣層向周圍環(huán)境傳遞時，速度相對較慢。當(dāng)電纜負(fù)載電流較大時，導(dǎo)體溫度升高，由于XLPE絕緣層導(dǎo)熱性能不佳，熱量容易在絕緣層內(nèi)積聚，導(dǎo)致絕緣層溫度升高。長期處于高溫狀態(tài)下，XLPE絕緣材料會逐漸老化，表現(xiàn)為分子鏈的斷裂、交聯(lián)度的改變等，從而使其絕緣性能下降，增加了電纜發(fā)生故障的風(fēng)險。乙丙橡膠（EPR）也是一種常用的電纜絕緣材料。EPR的絕緣性能良好，其相對介電常數(shù)與XLPE相近，在2.5-3.0之間，介質(zhì)損耗因數(shù)也較低。然而，EPR與XLPE在熱性能上存在一定差異。EPR的導(dǎo)熱系數(shù)略高于XLPE，大約在0.4-0.5W/(m?K)，這使得EPR絕緣電纜在熱量傳遞方面相對更有優(yōu)勢，能夠在一定程度上緩解絕緣層內(nèi)的熱量積聚問題。在實際應(yīng)用中，絕緣材料的性能還會受到環(huán)境因素的影響。例如，濕度的增加可能會使絕緣材料的絕緣性能下降，介質(zhì)損耗增大，從而產(chǎn)生更多的熱量。溫度的變化也會對絕緣材料的性能產(chǎn)生影響，過高的溫度會加速絕緣材料的老化，而過低的溫度則可能導(dǎo)致絕緣材料變脆，機械性能下降。因此，在選擇35kV電力電纜的絕緣材料時，需要充分考慮電纜的運行環(huán)境和工作條件，以確保絕緣材料能夠在長期運行中保持良好的性能，維持電纜的正常電熱耦合特性，保障電力傳輸?shù)陌踩c穩(wěn)定。3.2運行環(huán)境因素的影響運行環(huán)境因素對35kV電力電纜的電熱耦合特性有著顯著影響，其中環(huán)境溫度、濕度和通風(fēng)條件是較為關(guān)鍵的幾個方面。環(huán)境溫度是影響電纜電熱耦合特性的重要因素之一。在高溫環(huán)境下，電纜周圍的散熱條件變差，熱量難以散發(fā)到周圍環(huán)境中，導(dǎo)致電纜溫度升高。以某城市夏季高溫時段為例，環(huán)境溫度常常超過35℃，此時運行的35kV電力電纜，由于周圍環(huán)境溫度較高，電纜與環(huán)境之間的溫差減小，熱傳導(dǎo)和對流散熱的效率降低。根據(jù)實際監(jiān)測數(shù)據(jù)，當(dāng)環(huán)境溫度達到38℃時，某35kV電纜的導(dǎo)體溫度相比環(huán)境溫度為25℃時升高了約10℃，絕緣層溫度也相應(yīng)升高。長期處于高溫環(huán)境下運行，會加速電纜絕緣材料的老化，降低絕緣性能，增加電纜發(fā)生故障的風(fēng)險。相反，在低溫環(huán)境下，電纜的絕緣材料可能會變脆，機械性能下降，容易受到外力的損傷。例如，在北方的冬季，當(dāng)環(huán)境溫度降至-20℃以下時，電纜的絕緣材料可能會出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象，從而影響電纜的絕緣性能，導(dǎo)致局部放電等故障的發(fā)生。濕度對35kV電力電纜的電熱耦合特性也有重要影響。當(dāng)環(huán)境濕度較高時，電纜絕緣材料容易吸收水分，導(dǎo)致絕緣性能下降。以交聯(lián)聚乙烯（XLPE）絕緣電纜為例，在濕度較大的環(huán)境中，水分會逐漸滲透到絕緣層內(nèi)部，形成水樹。水樹的存在會使絕緣材料的電氣性能劣化，介質(zhì)損耗增大，進而產(chǎn)生更多的熱量。研究表明，當(dāng)絕緣材料中的含水量達到一定程度時，介質(zhì)損耗因數(shù)會顯著增加，電纜的發(fā)熱情況會加劇。在一些沿海地區(qū)或地下水位較高的區(qū)域，由于環(huán)境濕度常年較大，35kV電力電纜更容易出現(xiàn)因濕度影響而導(dǎo)致的故障。如某沿海城市的35kV電力電纜，在運行數(shù)年后，由于長期受到高濕度環(huán)境的影響，絕緣層中出現(xiàn)了大量水樹，最終導(dǎo)致電纜絕緣擊穿，引發(fā)停電事故。通風(fēng)條件同樣對電纜的散熱和電熱耦合特性起著關(guān)鍵作用。良好的通風(fēng)條件可以有效地增強電纜的對流散熱效果，降低電纜的運行溫度。例如，在電纜隧道中，如果通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計合理，能夠及時將電纜散發(fā)的熱量排出，保持隧道內(nèi)空氣的流通，電纜的溫度就能得到較好的控制。相反，若通風(fēng)不良，電纜產(chǎn)生的熱量會在周圍積聚，使電纜溫度持續(xù)升高。在一些老舊的電纜溝中，由于通風(fēng)設(shè)施不完善，通風(fēng)不暢，當(dāng)電纜負(fù)載電流較大時，電纜溫度會迅速上升。曾有實例，某老舊小區(qū)的35kV電纜溝通風(fēng)條件差，在夏季用電高峰期，電纜負(fù)載增加，由于熱量無法及時散發(fā)，電纜溫度過高，導(dǎo)致電纜外護套融化，險些引發(fā)火災(zāi)事故。綜上所述，環(huán)境溫度、濕度和通風(fēng)條件等運行環(huán)境因素對35kV電力電纜的電熱耦合特性影響顯著。在電纜的設(shè)計、敷設(shè)和運行維護過程中，必須充分考慮這些因素，采取有效的措施來改善電纜的運行環(huán)境，確保電纜的安全穩(wěn)定運行。3.3負(fù)載電流的影響負(fù)載電流是影響35kV電力電纜電熱耦合特性的關(guān)鍵因素之一，其大小和變化頻率對電纜的發(fā)熱和溫度分布有著顯著影響。當(dāng)負(fù)載電流增大時，根據(jù)焦耳定律Q=I^{2}Rt，電纜導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量會迅速增加。以某35kV電力電纜為例，當(dāng)負(fù)載電流從500A增加到1000A時，在相同的時間內(nèi)，導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量變?yōu)樵瓉淼?倍。這是因為熱量與電流的平方成正比，電流的微小變化會導(dǎo)致熱量產(chǎn)生量的大幅波動。隨著熱量的增加，電纜的溫度會顯著升高。導(dǎo)體溫度升高會使導(dǎo)體電阻進一步增大，形成一個惡性循環(huán)，導(dǎo)致電纜溫度持續(xù)上升。絕緣層的溫度也會隨之升高，加速絕緣材料的老化，降低絕緣性能。負(fù)載電流的變化頻率也會對電纜的溫度分布產(chǎn)生影響。當(dāng)負(fù)載電流頻繁變化時，電纜內(nèi)部的溫度場也會隨之頻繁波動。在電力系統(tǒng)的峰谷期，負(fù)載電流會發(fā)生較大幅度的變化。在高峰期，電流增大，電纜溫度升高；在低谷期，電流減小，電纜溫度降低。這種頻繁的溫度變化會使電纜各部分材料產(chǎn)生熱脹冷縮現(xiàn)象，長期作用下，可能導(dǎo)致材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷，如絕緣層出現(xiàn)裂縫、導(dǎo)體與絕緣層之間的粘結(jié)力下降等，從而影響電纜的性能和使用壽命。為了更直觀地展示不同負(fù)載電流下的溫度變化情況，通過實驗測量和數(shù)值模擬，得到了以下溫度變化曲線（見圖1）。在實驗中，選取了一段35kV電力電纜，設(shè)置不同的負(fù)載電流值，分別為300A、500A、700A和900A，保持其他條件不變，如環(huán)境溫度為25℃，通風(fēng)條件良好等。利用高精度的溫度傳感器測量電纜導(dǎo)體在不同時刻的溫度，并記錄數(shù)據(jù)。同時，采用有限元分析軟件對電纜的溫度場進行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)相互驗證。從圖1中可以清晰地看出，隨著負(fù)載電流的增大，電纜導(dǎo)體的溫度迅速上升。當(dāng)負(fù)載電流為300A時，經(jīng)過一段時間的穩(wěn)定運行后，導(dǎo)體溫度達到約40℃；當(dāng)負(fù)載電流增大到500A時，導(dǎo)體溫度升高到約55℃；當(dāng)負(fù)載電流進一步增大到700A和900A時，導(dǎo)體溫度分別達到約70℃和85℃。而且，在電流變化的初期，溫度上升的速率較快，隨著時間的推移，溫度上升速率逐漸減緩，最終達到一個相對穩(wěn)定的值。這是因為在電流剛變化時，電纜內(nèi)部的熱量迅速積累，溫度變化明顯；隨著時間的增加，電纜與周圍環(huán)境之間的熱傳遞逐漸達到平衡，溫度上升趨勢變緩。綜上所述，負(fù)載電流的大小和變化頻率對35kV電力電纜的發(fā)熱和溫度分布有著重要影響。在電力系統(tǒng)的運行和管理中，合理控制負(fù)載電流，避免電纜長時間過負(fù)荷運行，對于保障電纜的安全穩(wěn)定運行、延長電纜使用壽命具有重要意義。圖1不同負(fù)載電流下的溫度變化曲線四、35kV電力電纜常見故障類型及原因分析4.1短路故障短路故障是35kV電力電纜較為常見且危害較大的故障類型之一，其表現(xiàn)形式主要包括相間短路和接地短路。相間短路是指電纜的不同相導(dǎo)體之間直接接觸或通過低電阻路徑連接，導(dǎo)致電流瞬間急劇增大。在某35kV電力系統(tǒng)中，曾發(fā)生一起由于電纜中間接頭制作工藝不良引發(fā)的相間短路故障。該電纜中間接頭在制作過程中，導(dǎo)體連接不牢固，接觸電阻過大，運行一段時間后，接頭處發(fā)熱嚴(yán)重，導(dǎo)致絕緣材料熔化，最終使得不同相的導(dǎo)體直接接觸，形成相間短路。故障發(fā)生時，短路電流瞬間達到正常電流的數(shù)倍甚至數(shù)十倍，引發(fā)線路保護裝置迅速動作，切斷電源，造成該區(qū)域停電。接地短路則是電纜的導(dǎo)體與大地或接地金屬部件之間發(fā)生電氣連接，導(dǎo)致電流流入大地。例如，在某城市的35kV電纜線路中，由于電纜受到外力破壞，外護套破損，內(nèi)部導(dǎo)體暴露并與大地接觸，引發(fā)接地短路故障。這種故障不僅會導(dǎo)致線路停電，還可能對人員和設(shè)備安全造成威脅，因為接地短路會使周圍地面產(chǎn)生跨步電壓，一旦有人進入該區(qū)域，就可能發(fā)生觸電事故。短路故障的產(chǎn)生原因較為復(fù)雜，其中絕緣損壞是一個重要因素。35kV電力電纜的絕緣材料在長期運行過程中，會受到溫度、濕度、電場強度等多種因素的影響，逐漸老化變質(zhì)。當(dāng)絕緣材料的性能下降到一定程度時，就無法承受正常的工作電壓，從而發(fā)生絕緣擊穿，導(dǎo)致短路故障。如前文提到的電纜中間接頭處，由于絕緣材料老化，無法有效隔離不同相的導(dǎo)體，最終引發(fā)相間短路。外力破壞也是導(dǎo)致短路故障的常見原因。在城市建設(shè)和改造過程中，電纜可能會受到施工機械的挖掘、碾壓等外力作用，導(dǎo)致電纜外護套破損、絕緣層受損，進而引發(fā)短路故障。在某工地施工時，施工人員由于對地下電纜位置不了解，使用挖掘機進行挖掘作業(yè)，不慎挖斷了35kV電力電纜，造成電纜相間短路和接地短路，導(dǎo)致周邊多個小區(qū)停電。此外，電纜長期過負(fù)荷運行會使導(dǎo)體溫度升高，加速絕緣材料的老化，降低絕緣性能，增加短路故障的發(fā)生概率。在一些工業(yè)企業(yè)中，由于生產(chǎn)設(shè)備的用電量突然增加，導(dǎo)致35kV電力電纜長時間過負(fù)荷運行，電纜溫度持續(xù)升高，最終引發(fā)絕緣擊穿，造成短路故障。還有，在電纜制造過程中，如果存在質(zhì)量缺陷，如絕緣材料內(nèi)部存在氣泡、雜質(zhì)等，也可能在運行過程中引發(fā)局部電場集中，導(dǎo)致絕緣損壞，進而引發(fā)短路故障。4.2接地故障接地故障是35kV電力電纜運行中常見的故障類型之一，其對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行構(gòu)成嚴(yán)重威脅。接地故障通常是指電纜的導(dǎo)體與大地或接地金屬部件之間發(fā)生電氣連接，導(dǎo)致電流流入大地。接地故障可分為高阻接地和低阻接地，高阻接地時故障點電阻較大，接地電流相對較?。坏妥杞拥貢r故障點電阻較小，接地電流較大。檢測接地故障的方法有多種，絕緣電阻測量是一種常用的方法。通過使用絕緣電阻測試儀，對電纜各相導(dǎo)體與大地之間的絕緣電阻進行測量。正常情況下，電纜的絕緣電阻應(yīng)保持在較高水平，若測量值顯著低于規(guī)定值，則可能存在接地故障。在某35kV電力電纜檢測中，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，正常絕緣電阻應(yīng)不低于1000MΩ，而實際測量某相絕緣電阻僅為10MΩ，遠低于標(biāo)準(zhǔn)值，經(jīng)進一步檢查，確定該相存在接地故障。零序電流檢測也是檢測接地故障的重要手段。在三相電力系統(tǒng)中，正常運行時三相電流的向量和為零，當(dāng)發(fā)生接地故障時，會產(chǎn)生零序電流。通過在電纜線路上安裝零序電流互感器，檢測零序電流的大小和變化，能夠判斷是否發(fā)生接地故障。在某35kV變電站的電纜線路中，當(dāng)零序電流互感器檢測到零序電流突然增大，超過設(shè)定的閾值時，運維人員迅速對該線路進行排查，最終發(fā)現(xiàn)一處電纜外護套破損，導(dǎo)致導(dǎo)體與大地接觸，引發(fā)了接地故障。接地故障對電纜和電力系統(tǒng)的危害不容忽視。它會導(dǎo)致線路跳閘，影響電力的正常供應(yīng)。在某工業(yè)園區(qū)，由于35kV電力電纜發(fā)生接地故障，導(dǎo)致線路保護裝置動作，相關(guān)區(qū)域停電數(shù)小時，造成多家企業(yè)生產(chǎn)中斷，經(jīng)濟損失嚴(yán)重。接地故障還可能引發(fā)電氣設(shè)備的損壞，由于接地電流的存在，會在故障點周圍產(chǎn)生跨步電壓，對人員安全構(gòu)成威脅。若人員不慎進入接地故障點附近的危險區(qū)域，就可能發(fā)生觸電事故，危及生命安全。4.3絕緣老化故障絕緣老化是35kV電力電纜運行過程中不可避免的問題，它是一個逐漸發(fā)展的過程，嚴(yán)重影響電纜的性能和使用壽命。絕緣老化的過程主要是由于電纜絕緣材料在長期運行過程中，受到多種因素的綜合作用，導(dǎo)致其物理和化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，從而使絕緣性能逐漸下降。長期受熱是導(dǎo)致絕緣老化的重要原因之一。在35kV電力電纜運行時，由于導(dǎo)體電阻損耗、絕緣介質(zhì)損耗等產(chǎn)生的熱量，會使電纜溫度升高。當(dāng)電纜長期處于高溫環(huán)境中，絕緣材料的分子鏈會逐漸斷裂、交聯(lián)度下降，導(dǎo)致材料的物理性能改變。交聯(lián)聚乙烯（XLPE）絕緣材料在高溫作用下，分子鏈的熱運動加劇，容易發(fā)生降解和氧化反應(yīng)，使絕緣材料的力學(xué)性能變差，如硬度增加、柔韌性降低，從而更容易受到機械應(yīng)力的損傷。高溫還會加速絕緣材料中添加劑的揮發(fā)和分解，進一步影響絕緣性能。電應(yīng)力作用也是絕緣老化的關(guān)鍵因素。在35kV電力電纜運行過程中，絕緣材料承受著一定的電場強度。長期處于高電場強度下，絕緣材料內(nèi)部會發(fā)生局部放電現(xiàn)象。局部放電產(chǎn)生的高能電子和離子會撞擊絕緣材料分子，導(dǎo)致分子鏈斷裂，形成自由基，引發(fā)一系列化學(xué)反應(yīng)，破壞絕緣材料的結(jié)構(gòu)。在絕緣材料內(nèi)部存在氣隙或雜質(zhì)時，局部電場會發(fā)生畸變，使氣隙處的電場強度遠高于平均電場強度，更容易引發(fā)局部放電，加速絕緣老化。長期的電應(yīng)力作用還會使絕緣材料的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因數(shù)發(fā)生變化，進一步降低絕緣性能?；瘜W(xué)腐蝕同樣會對35kV電力電纜的絕緣材料造成損害。當(dāng)電纜處于含有酸堿等化學(xué)物質(zhì)的環(huán)境中，絕緣材料的外護套和絕緣層可能會受到化學(xué)腐蝕。在一些化工企業(yè)附近，土壤或空氣中可能含有酸性或堿性氣體，這些氣體溶解在水中后，會對電纜的外護套和絕緣層產(chǎn)生腐蝕作用，使外護套失去保護作用，絕緣層的性能下降。如果電纜的金屬屏蔽層發(fā)生腐蝕，會導(dǎo)致屏蔽效果降低，影響電纜的電場分布，進而加速絕緣老化。為了更直觀地說明絕緣老化對電纜性能的影響，通過實驗數(shù)據(jù)進行分析。選取了一段新的35kV交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜，在實驗室條件下，模擬不同的老化條件，對電纜的絕緣電阻、介質(zhì)損耗因數(shù)等性能指標(biāo)進行測試。實驗結(jié)果表明，在未老化狀態(tài)下，電纜的絕緣電阻為1000MΩ，介質(zhì)損耗因數(shù)為0.001。當(dāng)電纜經(jīng)過1000小時的熱老化（溫度設(shè)定為80℃）后，絕緣電阻下降到800MΩ，介質(zhì)損耗因數(shù)上升到0.002；經(jīng)過2000小時的熱老化后，絕緣電阻進一步下降到600MΩ，介質(zhì)損耗因數(shù)上升到0.003。在電老化實驗中，對電纜施加高于額定電壓1.5倍的電場強度，經(jīng)過500小時后，絕緣電阻下降到700MΩ，介質(zhì)損耗因數(shù)上升到0.0025；經(jīng)過1000小時的電老化后，絕緣電阻下降到500MΩ，介質(zhì)損耗因數(shù)上升到0.004。從這些實驗數(shù)據(jù)可以看出，隨著老化程度的加深，電纜的絕緣電阻不斷下降，介質(zhì)損耗因數(shù)不斷上升。絕緣電阻的下降意味著電纜的絕緣性能減弱，更容易發(fā)生漏電和擊穿事故；介質(zhì)損耗因數(shù)的上升則表明電纜在運行過程中會產(chǎn)生更多的熱量，進一步加速絕緣老化，形成惡性循環(huán)。絕緣老化還會導(dǎo)致電纜的擊穿電壓降低，使其在正常運行電壓下也可能發(fā)生絕緣擊穿故障，嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。4.4中間接頭故障中間接頭是35kV電力電纜線路中的關(guān)鍵連接部位，其運行狀況直接關(guān)系到電纜線路的安全穩(wěn)定運行。中間接頭故障是較為常見的電纜故障類型之一，對電力系統(tǒng)的正常供電影響較大。中間接頭故障的常見原因較為復(fù)雜。制作工藝不良是導(dǎo)致故障的重要因素之一。在中間接頭制作過程中，若施工人員技術(shù)不熟練、操作不規(guī)范，可能會出現(xiàn)導(dǎo)體連接不牢固、絕緣處理不當(dāng)?shù)葐栴}。在某35kV電力電纜中間接頭制作時，施工人員未將導(dǎo)體連接部位的氧化層徹底清除，導(dǎo)致接觸電阻增大，運行一段時間后，接頭處發(fā)熱嚴(yán)重，最終引發(fā)故障。在絕緣處理方面，若絕緣材料的選型不合理、絕緣層的繞包不緊密或存在氣泡等缺陷，都可能導(dǎo)致絕緣性能下降，容易引發(fā)局部放電，進而導(dǎo)致中間接頭故障。接觸電阻過大也是中間接頭故障的常見原因。當(dāng)導(dǎo)體連接部位存在松動、氧化、腐蝕等情況時，會使接觸電阻增大。根據(jù)焦耳定律，電流通過接觸電阻時會產(chǎn)生熱量，接觸電阻越大，產(chǎn)生的熱量越多。某35kV電力電纜中間接頭的導(dǎo)體連接部位因長期受到外界環(huán)境影響，出現(xiàn)氧化現(xiàn)象，接觸電阻從正常的0.01Ω增大到0.1Ω，在相同的電流下，產(chǎn)生的熱量增加了10倍，導(dǎo)致接頭處溫度急劇升高，加速了絕緣材料的老化，最終引發(fā)故障。接觸電阻過大還會導(dǎo)致局部電場畸變，進一步破壞絕緣性能。密封不嚴(yán)同樣會引發(fā)中間接頭故障。中間接頭若密封不良，水分、潮氣等有害物質(zhì)容易侵入，使絕緣材料受潮，導(dǎo)致絕緣性能下降。在某沿海地區(qū)的35kV電力電纜中間接頭，由于密封措施不到位，長期受到海風(fēng)和潮濕空氣的侵蝕，水分進入接頭內(nèi)部，使絕緣材料發(fā)生水解反應(yīng)，絕緣電阻大幅下降，最終引發(fā)絕緣擊穿故障。水分還可能在電場作用下形成水樹，逐漸侵蝕絕緣材料，導(dǎo)致絕緣性能逐漸惡化。以某風(fēng)電場35kV集電線路電纜中間接頭故障為例，該風(fēng)電場的集電線路采用直埋電纜敷設(shè)方式，電纜中間接頭數(shù)量較多。在一次運行過程中，某條集電線路突然跳閘，經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)是中間接頭發(fā)生了故障。對故障中間接頭進行解剖分析后發(fā)現(xiàn)，存在導(dǎo)體連接不牢固、絕緣處理不當(dāng)以及密封不嚴(yán)等問題。導(dǎo)體連接部位有明顯的松動跡象，接觸電阻較大；絕緣層內(nèi)部存在氣泡，且絕緣材料與導(dǎo)體之間的粘結(jié)不緊密；接頭的密封處有縫隙，水分和雜質(zhì)侵入。針對該故障案例，采取了以下預(yù)防和處理方法。在預(yù)防方面，加強對電纜中間接頭制作人員的培訓(xùn)，提高其技術(shù)水平和操作規(guī)范程度，確保制作工藝符合要求。在制作過程中，嚴(yán)格控制導(dǎo)體連接質(zhì)量，采用合適的連接方式和工具，確保導(dǎo)體連接牢固，并徹底清除連接部位的氧化層和雜質(zhì)。加強對絕緣材料的質(zhì)量檢測，選擇性能優(yōu)良的絕緣材料，并嚴(yán)格按照工藝要求進行絕緣處理，確保絕緣層的質(zhì)量和可靠性。在密封方面，采用可靠的密封材料和密封工藝，確保接頭密封嚴(yán)密，防止水分和潮氣侵入。在處理故障時，首先對故障中間接頭進行全面檢查，確定故障的具體原因和范圍。對于導(dǎo)體連接不牢固的問題，重新進行導(dǎo)體連接，確保連接牢固可靠；對于絕緣處理不當(dāng)?shù)膯栴}，更換受損的絕緣材料，并重新進行絕緣處理；對于密封不嚴(yán)的問題，重新進行密封處理，確保接頭密封良好。在處理完故障后，對修復(fù)后的中間接頭進行嚴(yán)格的電氣性能測試，包括絕緣電阻測試、耐壓測試、局部放電測試等，確保其性能符合要求后，方可恢復(fù)電纜線路的運行。同時，加強對電纜線路的運行監(jiān)測，定期對中間接頭進行檢查和維護，及時發(fā)現(xiàn)和處理潛在的故障隱患，保障電纜線路的安全穩(wěn)定運行。五、基于電熱耦合特性的35kV電力電纜故障分析方法5.1基于溫度監(jiān)測的故障診斷方法35kV電力電纜在運行過程中，其溫度變化與自身的運行狀態(tài)密切相關(guān)，通過監(jiān)測電纜溫度變化能夠有效地判斷是否存在故障。分布式光纖測溫技術(shù)是一種常用的實時監(jiān)測電纜溫度的有效手段，它利用光時域反射（OTDR）技術(shù)和拉曼（Raman）散射效應(yīng)，實現(xiàn)對沿光纖分布的溫度變化的精確測量。在該技術(shù)中，光纖不僅作為傳輸介質(zhì)，同時也充當(dāng)傳感器。當(dāng)激光脈沖沿著光纖向前傳輸時，會與光纖介質(zhì)相互作用，產(chǎn)生極為微弱的背向拉曼散射光，其中包括對溫度敏感的anti-stokes光和對溫度不敏感的stokes光。這兩種光經(jīng)過波分復(fù)用器分離后，被高靈敏光電探測器探測，再通過高速信號采集和微弱信號處理，最終獲得背向散射信號光的光強比值和返回時間，從而實時獲取溫度分布信息。分布式光纖測溫技術(shù)具有實時在線、測溫精度高、本質(zhì)安全以及不受電磁干擾等優(yōu)點，能夠?qū)﹄娎|的運行狀態(tài)進行全方位、實時的監(jiān)測。以某城市的35kV電力電纜線路為例，該線路采用了分布式光纖測溫系統(tǒng)進行溫度監(jiān)測。在一次監(jiān)測過程中，系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)某段電纜的溫度出現(xiàn)異常升高的情況。正常運行時，該段電纜的溫度通常維持在30℃-40℃之間，而此次監(jiān)測到的溫度在短時間內(nèi)迅速上升至60℃，且溫度升高的區(qū)域較為集中。通過對分布式光纖測溫系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)進行分析，結(jié)合電纜的實際敷設(shè)路徑和周邊環(huán)境信息，確定了溫度異常升高的具體位置。運維人員迅速到達現(xiàn)場進行檢查，發(fā)現(xiàn)該位置的電纜受到了外力擠壓，外護套出現(xiàn)破損，導(dǎo)致電纜內(nèi)部的絕緣層受損，進而引發(fā)了局部過熱現(xiàn)象。由于分布式光纖測溫系統(tǒng)及時發(fā)現(xiàn)了溫度異常，運維人員能夠在故障進一步惡化之前采取相應(yīng)的措施，避免了電纜故障的擴大，保障了電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。在實際應(yīng)用中，基于溫度監(jiān)測的故障診斷方法還可以結(jié)合歷史溫度數(shù)據(jù)和運行環(huán)境因素進行綜合分析。通過建立溫度變化趨勢模型，對比當(dāng)前溫度數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)的差異，判斷電纜是否處于正常運行狀態(tài)。考慮環(huán)境溫度、濕度、負(fù)載電流等因素對電纜溫度的影響，排除因環(huán)境因素導(dǎo)致的溫度波動，提高故障診斷的準(zhǔn)確性。例如，在夏季高溫時段，環(huán)境溫度升高會導(dǎo)致電纜溫度相應(yīng)上升，但如果電纜溫度的升高幅度超出了正常范圍，且與負(fù)載電流的變化不匹配，則可能存在故障隱患。綜上所述，基于溫度監(jiān)測的故障診斷方法，尤其是利用分布式光纖測溫技術(shù)，能夠?qū)崟r、準(zhǔn)確地監(jiān)測35kV電力電纜的溫度變化，及時發(fā)現(xiàn)電纜的故障隱患，為電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行提供有力保障。在未來的電力電纜運維中，該方法將具有更廣泛的應(yīng)用前景和重要的實際意義。5.2基于電場分析的故障診斷方法在35kV電力電纜的運行過程中，電場分布異常與故障之間存在著緊密的聯(lián)系，尤其是局部放電現(xiàn)象，它會導(dǎo)致電場發(fā)生畸變，進而對電纜的正常運行產(chǎn)生嚴(yán)重影響。局部放電是指在35kV電力電纜的絕緣系統(tǒng)中，由于絕緣缺陷或電場集中等原因，在局部區(qū)域內(nèi)發(fā)生的放電現(xiàn)象。當(dāng)電纜內(nèi)部存在氣隙、雜質(zhì)、絕緣損傷等缺陷時，這些部位的電場強度會明顯高于周圍區(qū)域，從而引發(fā)局部放電。在電纜絕緣層中存在一個微小的氣隙，由于氣隙的介電常數(shù)與周圍絕緣材料不同，根據(jù)電場分布原理，氣隙內(nèi)的電場強度會顯著增大。當(dāng)電場強度達到一定程度時，氣隙內(nèi)的氣體就會被擊穿，發(fā)生局部放電。這種局部放電會產(chǎn)生高能電子和離子，它們會撞擊周圍的絕緣材料，導(dǎo)致絕緣材料的分子結(jié)構(gòu)被破壞，從而使絕緣性能逐漸下降。局部放電所產(chǎn)生的電荷會在電纜內(nèi)部重新分布，進而改變原有的電場分布狀態(tài)，造成電場畸變。這種電場畸變會進一步加劇絕緣材料的損傷，形成一個惡性循環(huán)。在某35kV電力電纜中，由于中間接頭處的絕緣處理不當(dāng)，存在局部放電現(xiàn)象。隨著運行時間的增加，局部放電導(dǎo)致的電場畸變使得接頭處的絕緣材料逐漸老化、分解，最終引發(fā)了絕緣擊穿故障，導(dǎo)致電纜線路停電。為了更直觀地展示不同故障情況下的電場分布情況，采用數(shù)值模擬的方法進行深入分析。利用有限元分析軟件COMSOLMultiphysics，建立35kV電力電纜的三維模型。該模型詳細考慮了電纜的導(dǎo)體、絕緣層、屏蔽層等結(jié)構(gòu)，以及各部分材料的電學(xué)參數(shù)。在模擬正常運行狀態(tài)時，設(shè)定電纜的額定電壓為35kV，通過軟件計算得到電纜內(nèi)部的電場分布云圖。從云圖中可以清晰地看到，電場在絕緣層中呈均勻的徑向分布，從導(dǎo)體表面到屏蔽層，電場強度逐漸減小，沒有明顯的電場畸變現(xiàn)象。在模擬存在局部放電故障的情況時，在電纜絕緣層中設(shè)置一個氣隙缺陷，模擬局部放電的發(fā)生。通過軟件計算，得到此時的電場分布云圖。與正常運行狀態(tài)相比，氣隙處的電場強度明顯增大，形成了一個局部的強電場區(qū)域。在氣隙周圍，電場線發(fā)生了明顯的扭曲和變形，表明電場發(fā)生了畸變。隨著局部放電的持續(xù)發(fā)展，氣隙周圍的電場畸變范圍逐漸擴大，對周圍絕緣材料的影響也越來越大。模擬電纜中間接頭處接觸不良的故障情況。在模型中，將中間接頭處的導(dǎo)體接觸電阻增大，模擬接觸不良的狀態(tài)。通過計算得到的電場分布云圖顯示，在中間接頭處，電場強度明顯升高，且電場分布不均勻，出現(xiàn)了電場集中的現(xiàn)象。這是因為接觸電阻增大導(dǎo)致電流在接頭處的分布發(fā)生變化，從而引起電場分布的改變。這種電場集中會使接頭處的絕緣材料承受更高的電場應(yīng)力，容易導(dǎo)致絕緣材料的損壞，進而引發(fā)故障。通過上述數(shù)值模擬，可以直觀地觀察到不同故障情況下35kV電力電纜內(nèi)部電場分布的變化情況。這些模擬結(jié)果為基于電場分析的故障診斷方法提供了重要的理論依據(jù)，有助于在實際運行中，通過監(jiān)測電纜的電場分布情況，及時發(fā)現(xiàn)潛在的故障隱患，采取相應(yīng)的措施進行處理，保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。5.3電熱耦合模型在故障分析中的應(yīng)用電熱耦合模型在35kV電力電纜故障分析中具有重要應(yīng)用價值，能夠有效預(yù)測故障發(fā)展趨勢，為故障診斷和處理提供有力支持。通過建立精確的電熱耦合模型，輸入電纜的實時運行參數(shù)，如負(fù)載電流、環(huán)境溫度等，結(jié)合電纜的物理特性參數(shù)，如導(dǎo)體電阻、絕緣材料的導(dǎo)熱系數(shù)等，可以對電纜在不同運行條件下的溫度場進行動態(tài)模擬。在電纜出現(xiàn)局部過熱故障時，利用電熱耦合模型可以預(yù)測隨著時間的推移，熱量在電纜內(nèi)部的傳遞路徑和分布變化情況，以及溫度升高對電纜絕緣性能的影響程度。通過模擬，可以預(yù)測在一定時間內(nèi)，局部過熱區(qū)域的溫度是否會繼續(xù)升高，導(dǎo)致絕緣材料進一步劣化，甚至引發(fā)絕緣擊穿等嚴(yán)重故障。以某實際35kV電力電纜線路為例，該線路在運行過程中，由于負(fù)載電流突然增大，導(dǎo)致某段電纜出現(xiàn)局部過熱現(xiàn)象。利用電熱耦合模型對該情況進行分析，首先，根據(jù)電纜的結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料特性，建立了三維電熱耦合模型。將實時監(jiān)測到的負(fù)載電流、環(huán)境溫度等數(shù)據(jù)輸入模型中，通過模擬計算，得到了電纜在不同時刻的溫度分布云圖。從云圖中可以清晰地看到，局部過熱區(qū)域的溫度隨著時間的推移逐漸升高，且熱量向周圍絕緣層擴散。根據(jù)模擬結(jié)果，預(yù)測如果不及時采取措施，在未來幾小時內(nèi)，該局部過熱區(qū)域的溫度將超過絕緣材料的耐受溫度，可能導(dǎo)致絕緣擊穿，引發(fā)短路故障?；诖祟A(yù)測結(jié)果，運維人員及時采取了降低負(fù)載電流、加強通風(fēng)散熱等措施，有效地控制了電纜溫度的升高，避免了故障的進一步發(fā)展。通過實際案例可以看出，電熱耦合模型在故障診斷中具有顯著優(yōu)勢。它能夠直觀地展示電纜內(nèi)部的溫度分布情況，幫助運維人員快速定位故障點和了解故障的嚴(yán)重程度。通過模擬不同工況下的電纜運行狀態(tài)，為故障處理提供多種方案的對比分析，有助于制定最優(yōu)的故障處理策略。然而，電熱耦合模型在故障診斷中也存在一定的局限性。模型的準(zhǔn)確性依賴于輸入?yún)?shù)的準(zhǔn)確性，如電纜的物理特性參數(shù)、運行環(huán)境參數(shù)等。如果這些參數(shù)存在誤差，可能會導(dǎo)致模擬結(jié)果與實際情況存在偏差。實際運行中的35kV電力電纜可能會受到多種復(fù)雜因素的影響，如電磁干擾、機械振動等，這些因素在模型中難以全面準(zhǔn)確地考慮，從而影響模型的預(yù)測精度。六、案例分析6.1實際35kV電力電纜故障案例介紹在[具體年份]的[具體月份]，某工業(yè)園區(qū)的35kV電力電纜發(fā)生了一起嚴(yán)重的故障，該電纜主要負(fù)責(zé)為園區(qū)內(nèi)多家企業(yè)提供電力供應(yīng)。故障發(fā)生地點位于園區(qū)內(nèi)的地下電纜隧道中，該隧道內(nèi)有多條35kV電力電纜并行敷設(shè)，且周邊環(huán)境較為復(fù)雜，存在一定的工業(yè)腐蝕性氣體。故障發(fā)生時，電力系統(tǒng)監(jiān)控中心迅速收到報警信號，顯示該35kV電力線路出現(xiàn)接地故障。相關(guān)運維人員立即趕赴現(xiàn)場進行檢查。通過初步檢測，發(fā)現(xiàn)故障電纜所在線路的零序電流明顯增大，超過了正常運行范圍。同時，利用絕緣電阻測試儀對電纜進行測量，發(fā)現(xiàn)某相電纜的絕緣電阻值大幅下降，幾乎接近于零，初步判斷為該相電纜發(fā)生了接地故障。進一步對故障電纜進行外觀檢查時，發(fā)現(xiàn)電纜的外護套存在多處破損，部分絕緣層外露。在對電纜進行解剖分析后，發(fā)現(xiàn)電纜內(nèi)部的絕緣層出現(xiàn)了嚴(yán)重的老化和碳化現(xiàn)象，絕緣材料變得脆弱易碎，部分區(qū)域已經(jīng)完全失去了絕緣性能。在電纜的中間接頭處，發(fā)現(xiàn)了更為嚴(yán)重的問題，接頭處的導(dǎo)體連接部位松動，接觸電阻過大，導(dǎo)致接頭處嚴(yán)重發(fā)熱，周圍的絕緣材料被燒焦，這是引發(fā)此次故障的主要原因之一。此外，由于電纜長期處于含有腐蝕性氣體的環(huán)境中，電纜的金屬屏蔽層和鎧裝層也受到了不同程度的腐蝕，進一步削弱了電纜的防護性能，加速了故障的發(fā)生。6.2基于電熱耦合特性的故障分析過程針對上述某工業(yè)園區(qū)35kV電力電纜故障案例，運用前面章節(jié)所闡述的理論和方法，對故障進行深入分析。從電熱耦合特性角度來看，電纜中間接頭處導(dǎo)體連接部位松動，接觸電阻過大，這是導(dǎo)致故障發(fā)生的關(guān)鍵因素之一。根據(jù)焦耳定律Q=I^{2}Rt，當(dāng)接觸電阻R增大時，在相同的電流I和時間t條件下，接頭處產(chǎn)生的熱量Q會顯著增加。假設(shè)正常情況下接頭的接觸電阻為R_0，產(chǎn)生的熱量為Q_0，由于接頭松動，接觸電阻增大為5R_0（實際情況中接觸電阻的增大倍數(shù)可能因具體故障而異），則此時產(chǎn)生的熱量Q_1=I^{2}(5R_0)t=5I^{2}R_0t=5Q_0，即熱量變?yōu)樵瓉淼?倍。大量熱量的產(chǎn)生使得接頭處溫度急劇升高。利用前文建立的電熱耦合模型，對接頭處的溫度場進行模擬分析。在模型中，輸入電纜的各項參數(shù)，包括導(dǎo)體材料、截面積、絕緣材料的導(dǎo)熱系數(shù)等，以及故障時的運行參數(shù)，如負(fù)載電流、環(huán)境溫度等。模擬結(jié)果顯示，在故障發(fā)生前，電纜中間接頭處的正常溫度約為40℃，隨著接觸電阻增大，接頭處溫度迅速上升，在短時間內(nèi)達到150℃以上，遠遠超過了絕緣材料的耐受溫度。過高的溫度對電纜絕緣性能產(chǎn)生了嚴(yán)重影響。絕緣材料在高溫作用下，分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，化學(xué)鍵斷裂，導(dǎo)致絕緣性能下降。交聯(lián)聚乙烯絕緣材料在高溫下會發(fā)生熱降解和氧化反應(yīng)，使其絕緣電阻降低，介電常數(shù)增大，介質(zhì)損耗因數(shù)上升。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，當(dāng)絕緣材料溫度從正常的40℃升高到150℃時，絕緣電阻可能下降至原來的1/10，介質(zhì)損耗因數(shù)則可能增大5倍以上。這使得絕緣材料難以承受正常的工作電壓，最終發(fā)生絕緣擊穿，引發(fā)接地故障。電纜長期處于含有腐蝕性氣體的環(huán)境中，金屬屏蔽層和鎧裝層受到腐蝕，這也加速了故障的發(fā)展。金屬屏蔽層和鎧裝層的腐蝕導(dǎo)致其對電纜的保護作用減弱，進一步影響了電纜的電場分布和散熱性能。腐蝕產(chǎn)生的金屬氧化物等雜質(zhì)會在電纜內(nèi)部形成局部電場集中區(qū)域，引發(fā)局部放電現(xiàn)象，進一步破壞絕緣材料。由于金屬屏蔽層和鎧裝層的腐蝕，電纜的散熱能力下降，使得電纜內(nèi)部的熱量更難以散發(fā)出去，加劇了溫度的升高，形成惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致電纜故障的發(fā)生。綜上所述，通過對故障電纜的電熱耦合特性分析，確定了此次故障是由中間接頭處接觸電阻過大導(dǎo)致局部過熱，進而引發(fā)絕緣擊穿，同時環(huán)境中的腐蝕性氣體加速了電纜的損壞。這一分析過程充分體現(xiàn)了電熱耦合特性在電纜故障分析中的重要作用，為后續(xù)制定有效的故障預(yù)防和修復(fù)措施提供了有力依據(jù)。6.3故障處理措施及效果評估針對該工業(yè)園區(qū)35kV電力電纜故障，采取了一系列處理措施。首先，對故障電纜進行全面隔離，確保故障不會進一步擴大影響其他線路的正常運行。運維人員迅速斷開了與故障電纜相關(guān)的開關(guān)和刀閘，將故障電纜從電力系統(tǒng)中完全分離出來，避免了因故障引發(fā)的連鎖反應(yīng)，保障了電力系統(tǒng)其他部分的安全穩(wěn)定運行。對于中間接頭處的故障，決定更換整個中間接頭。選用了優(yōu)質(zhì)的中間接頭材料，嚴(yán)格按照施工工藝要求進行制作。在導(dǎo)體連接環(huán)節(jié)，采用了先進的壓接工藝，確保導(dǎo)體連接牢固，接觸電阻符合標(biāo)準(zhǔn)要求。對新的中間接頭進行了嚴(yán)格的絕緣處理，使用高質(zhì)量的絕緣材料，并按照規(guī)定的工藝進行繞包和密封，確保絕緣性能可靠。在絕緣處理過程中，對絕緣材料的厚度、繞包層數(shù)和密封效果都進行了嚴(yán)格把控，以防止水分和雜質(zhì)侵入，保證中間接頭的長期穩(wěn)定