基于COMSOL的矿用负荷电缆热路模型仿真分析

摘    要：为了准确分析矿用负荷供电线缆的温度变化情况，基于电缆热路分析法建立了矿用电缆仿真模型。分别模拟了电缆在正常状态、老化以及绝缘层损伤时温度场与电场的分布情况。分析结果表明：电缆在正常状态运行时，内部场强最大，线芯温度最高；随着绝缘介电常数的下降，电缆内部场强增大、温度升高。通过分析不同情景的电缆场强与温度场分布，其结果可为煤矿负荷电缆的温度监测以及电缆寿命预测等提供一定的理论依据。

关键词：矿用电缆;温度场;电场强度;电缆老化;电缆受损;

0 引言

矿用电缆的运行状态关乎矿井供电系统的稳定性与安全生产。由于煤矿井下环境恶劣，老化、高温、受潮、破损等原因加速了电缆绝缘老化、性能降低，进而引发事故。电缆引起的火灾具有发生迅速、传播快、且产生大量有毒有害气体的特点。温度是影响电缆绝缘性能的因素之一，电缆导体温度决定其传输能力，当交联聚乙烯电缆线芯达到一定温度时就有发生火灾的危险。因此，研究人员开展了对电缆温度监测的研究，但大多是针对电缆温度进行在线监测，并未深入研究温度对线缆状态的影响规律，而电缆运行状态及寿命与其长期运行的温度密切相关。

因此，本文从正常状态、老化以及绝缘层受损3种场景进行电缆温度场与电场分布规律研究，研究结果可以更好地进行电缆温度监测，以保障煤矿井下稳定供电。

1 矿井线缆仿真

(1）模型建立

由于电缆负荷电流变化引起的温升只与电缆自身参数有关，因此，与稳态热路模型不同，分析电缆暂态热路模型时需要考虑电缆不同结构的热容量，根据MYJV22-8.7/10 k V 3×50 mm2电缆的结构以及相关参数，基于电缆热路分析法在COMSOL软件中建立仿真模型。其参数如表1所示。

(2）正常状态仿真结果

  表1 电缆参数

矿井下的电缆基本处于空气中，符合第一类边界条件和第三类边界条件，并取环境温度为20℃，设置电流值为300 A。经过网格划分、有限元分析后输出电缆电场与温度场分布，并将得到的温度值按照温度高低建立电场与温度场分布图如图1所示。

图1 正常状态下电缆电场与温度场分布

由图1可知，电缆最大场强为3.52 MV/m；温度越高显示位置越往上，越往下表示温度越低。电缆的温度主要来自于内部的线芯，热量经过电缆各层结构逐渐向外传递。温度最高的是电缆铜导体，温度值为80.5℃；温度最低的是电缆外护套，温度值为58.7℃。

2 不同因素对电缆温度场的影响

(1）电缆老化对温度场的影响分析

随着电缆使用时间的增长，特别是长时间超负荷运行条件下，电缆绝缘层介电常数会逐渐下降，并且在电流热效应作用下，负载电流通过电缆时必然导致导体发热。因此，通过改变电缆绝缘介电常数的方法模拟老化后的电缆进行电场与温度场模拟。分别设定绝缘介电常数为正常状态下的90%、75%、60%，仿真结果如图2所示。

图2 绝缘介电常数下降后电缆电场与温度场分布 

由图2可知，当绝缘介电常数分别为正常状态的90%、75%、60%时，电场，电缆内部最大场强分别为3.68 MV/m、3.87 MV/m、4.31 MV/m；线芯温度最大值分别为81.2℃、83.4℃、98.4℃。由此可见，老化后的电缆由于绝缘介电常数的下降，电场强度和温度都明显增大。由于场强和温度的增大，且随着老化程度增加，电缆线芯温度升高，若电缆温度超过规定温度并长时间运行，会加速了电缆的老化，严重影响电缆寿命。

(2）电缆损伤对温度场的影响分析

电缆在井下搬运、安装以及使用过程中，由于受到不确定因素的影响造成电缆结构层损伤，因此，采用切割电缆的形式模拟受损后的电缆，且绝缘层以外的结构层同时被切割，对电缆某一相分别切割1 mm、2 mm、3 mm进行温度场与电场模拟如图3所示。

由图3可知，当电缆受损后温度场和电场都会发生变化，当分别切割绝缘层1 mm、2 mm、3 mm时，电缆内部场强变化不大，绝缘层受损边缘对应的电场强度分别为0.71 MV/m、0.85 MV/m、1.13 MV/m，有明显增大的趋势；受损线芯最高温度分别为71.2℃、68.3℃、65.6℃。由此可知，当绝缘层以及绝缘层以外的结构损伤后，随着受损程度的增加，靠近受损位置的电缆线芯温度下降明显，其原因是电缆线芯受损后直接暴露在空气环境中，电缆的散热性能大幅度提升；但受损的绝缘层边缘电场强度增大，加速了电缆的老化，并存在击穿电缆的可能性。

图3 电缆损伤后的温度场与电场 

3 结语

(1）通过建立电缆分析模型，模拟矿用三芯电缆在正常运行时的电场与温度场分布，其结果表明，电缆最大场强为3.52 MV/m，电缆的线芯导体温度为80.5℃，并逐渐向外传递，电缆外护套温度最低；

(2）当电缆绝缘介电常数分别下降为正常状态下的90%、75%、60%时，电缆内部最大场强分别为3.68 MV/m、3.87 MV/m、4.31 MV/m；温度最大值分别为81.2℃、83.4℃、98.4℃，电缆电场强度和温度都明显增大，加速了电缆的老化；

(3）当电缆绝缘层分别受损1 mm、2 mm、3 mm时，绝缘层边缘电场强度分别为0.71 MV/m、0.85 MV/m、1.13 MV/m，最高温度分别为71.2℃、68.3℃、65.6℃。电缆受损后由于接触空气，虽然散热性能提升，但同时场强也增大，且受损程度越大，边缘场强越大，加速了电缆的老化。

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文章来源煤矿机械. 2023,44(10)