摘    要：為了準確分析礦用負荷供電線纜的溫度變化情況，基于電纜熱路分析法建立了礦用電纜仿真模型。分別模擬了電纜在正常狀態、老化以及絕緣層損傷時溫度場與電場的分布情況。分析結果表明：電纜在正常狀態運行時，內部場強最大，線芯溫度最高；隨著絕緣介電常數的下降，電纜內部場強增大、溫度升高。通過分析不同情景的電纜場強與溫度場分布，其結果可為煤礦負荷電纜的溫度監測以及電纜壽命預測等提供一定的理論依據。

關鍵詞：礦用電纜;溫度場;電場強度;電纜老化;電纜受損;

0 引言

礦用電纜的運行狀態關乎礦井供電系統的穩定性與安全生產。由于煤礦井下環境惡劣，老化、高溫、受潮、破損等原因加速了電纜絕緣老化、性能降低，進而引發事故。電纜引起的火災具有發生迅速、傳播快、且產生大量有毒有害氣體的特點。溫度是影響電纜絕緣性能的因素之一，電纜導體溫度決定其傳輸能力，當交聯聚乙烯電纜線芯達到一定溫度時就有發生火災的危險。因此，研究人員開展了對電纜溫度監測的研究，但大多是針對電纜溫度進行在線監測，并未深入研究溫度對線纜狀態的影響規律，而電纜運行狀態及壽命與其長期運行的溫度密切相關。

因此，本文從正常狀態、老化以及絕緣層受損3種場景進行電纜溫度場與電場分布規律研究，研究結果可以更好地進行電纜溫度監測，以保障煤礦井下穩定供電。

1 礦井線纜仿真

(1）模型建立

由于電纜負荷電流變化引起的溫升只與電纜自身參數有關，因此，與穩態熱路模型不同，分析電纜暫態熱路模型時需要考慮電纜不同結構的熱容量，根據MYJV22-8.7/10 k V 3×50 mm2電纜的結構以及相關參數，基于電纜熱路分析法在COMSOL軟件中建立仿真模型。其參數如表1所示。

(2）正常狀態仿真結果

  表1 電纜參數

礦井下的電纜基本處于空氣中，符合第一類邊界條件和第三類邊界條件，并取環境溫度為20℃，設置電流值為300 A。經過網格劃分、有限元分析后輸出電纜電場與溫度場分布，并將得到的溫度值按照溫度高低建立電場與溫度場分布圖如圖1所示。

圖1 正常狀態下電纜電場與溫度場分布

由圖1可知，電纜最大場強為3.52 MV/m；溫度越高顯示位置越往上，越往下表示溫度越低。電纜的溫度主要來自于內部的線芯，熱量經過電纜各層結構逐漸向外傳遞。溫度最高的是電纜銅導體，溫度值為80.5℃；溫度最低的是電纜外護套，溫度值為58.7℃。

2 不同因素對電纜溫度場的影響

(1）電纜老化對溫度場的影響分析

隨著電纜使用時間的增長，特別是長時間超負荷運行條件下，電纜絕緣層介電常數會逐漸下降，并且在電流熱效應作用下，負載電流通過電纜時必然導致導體發熱。因此，通過改變電纜絕緣介電常數的方法模擬老化后的電纜進行電場與溫度場模擬。分別設定絕緣介電常數為正常狀態下的90%、75%、60%，仿真結果如圖2所示。

圖2 絕緣介電常數下降后電纜電場與溫度場分布 

由圖2可知，當絕緣介電常數分別為正常狀態的90%、75%、60%時，電場，電纜內部最大場強分別為3.68 MV/m、3.87 MV/m、4.31 MV/m；線芯溫度最大值分別為81.2℃、83.4℃、98.4℃。由此可見，老化后的電纜由于絕緣介電常數的下降，電場強度和溫度都明顯增大。由于場強和溫度的增大，且隨著老化程度增加，電纜線芯溫度升高，若電纜溫度超過規定溫度并長時間運行，會加速了電纜的老化，嚴重影響電纜壽命。

(2）電纜損傷對溫度場的影響分析

電纜在井下搬運、安裝以及使用過程中，由于受到不確定因素的影響造成電纜結構層損傷，因此，采用切割電纜的形式模擬受損后的電纜，且絕緣層以外的結構層同時被切割，對電纜某一相分別切割1 mm、2 mm、3 mm進行溫度場與電場模擬如圖3所示。

由圖3可知，當電纜受損后溫度場和電場都會發生變化，當分別切割絕緣層1 mm、2 mm、3 mm時，電纜內部場強變化不大，絕緣層受損邊緣對應的電場強度分別為0.71 MV/m、0.85 MV/m、1.13 MV/m，有明顯增大的趨勢；受損線芯最高溫度分別為71.2℃、68.3℃、65.6℃。由此可知，當絕緣層以及絕緣層以外的結構損傷后，隨著受損程度的增加，靠近受損位置的電纜線芯溫度下降明顯，其原因是電纜線芯受損后直接暴露在空氣環境中，電纜的散熱性能大幅度提升；但受損的絕緣層邊緣電場強度增大，加速了電纜的老化，并存在擊穿電纜的可能性。

圖3 電纜損傷后的溫度場與電場 

3 結語

(1）通過建立電纜分析模型，模擬礦用三芯電纜在正常運行時的電場與溫度場分布，其結果表明，電纜最大場強為3.52 MV/m，電纜的線芯導體溫度為80.5℃，并逐漸向外傳遞，電纜外護套溫度最低；

(2）當電纜絕緣介電常數分別下降為正常狀態下的90%、75%、60%時，電纜內部最大場強分別為3.68 MV/m、3.87 MV/m、4.31 MV/m；溫度最大值分別為81.2℃、83.4℃、98.4℃，電纜電場強度和溫度都明顯增大，加速了電纜的老化；

(3）當電纜絕緣層分別受損1 mm、2 mm、3 mm時，絕緣層邊緣電場強度分別為0.71 MV/m、0.85 MV/m、1.13 MV/m，最高溫度分別為71.2℃、68.3℃、65.6℃。電纜受損后由于接觸空氣，雖然散熱性能提升，但同時場強也增大，且受損程度越大，邊緣場強越大，加速了電纜的老化。

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文章來源煤礦機械. 2023,44(10)