電力電纜的熱穩(wěn)定性分析
電纜的介質損耗一般隨溫度上升而增加。電纜設計應保證在正常情 況下電纜工作在允許溫度范圍內，還應保證在短路故障、過電壓條件下電 纜的熱穩(wěn)定。
電纜內部產(chǎn)生熱量與其表面溫度的關系曲線如圖 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 只有一個交點，而 且在高于交點溫度、散熱量恒大于電纜內產(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。因為當溫度低于 8s1 時， 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，散 發(fā)熱量大于電纜發(fā)生的熱量，于是溫度仍回到 8s1，不會發(fā)生熱擊穿現(xiàn)象。
當電纜發(fā)熱曲線與散熱曲線相切或永遠大于散熱曲線如圖 23 - 20 所 示，則稱這一電纜具有完全熱不穩(wěn)定。因為加上負載溫度會不斷上升，直 至發(fā)生熱擊穿。
實際電纜具有圖 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。電纜由于某種原因溫度過熱
到 81，當過熱熱源移開時，由于電纜表面的散熱量大于電纜本身所產(chǎn)生的 熱量，電纜溫度仍會回到 A 點，因此電纜在 A 點附近是穩(wěn)定的。但是如電 纜絕緣溫度過熱到 82，過熱熱源移開，此時電纜內發(fā)生熱量大于表面散發(fā) 的熱量，于是電纜溫度會繼續(xù)上升，直至發(fā)生熱擊穿。所以在 B 點及以上 溫度電纜是不穩(wěn)定的。只有在一定溫度范圍內具有熱穩(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)到周圍媒質熱量隨溫度 的變化率(比較圖 23 - 21 中 A 點和B點) 。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 ———護套溫度(℃)；
8a ———周圍媒質溫度(℃)；
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 8i求導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 )
當滿足公式的條件時，電纜是熱穩(wěn)定的。
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