電力電纜及其接頭運行溫度監測技術研究

吳 畏，楊博麟，王軼群，汪

(1.湖南大學電氣與信息工程學院，長沙410082;2.湖北省電力公司黃岡供電公司，湖北黃岡438000)

0 引言

隨著我國城市電網的升級改造和電力電纜制造技術的不斷提高，電力電纜在城市電網中得到廣泛使用，特別是高電壓等級電力電纜的使用數量在現有電網設備中已占據較大比重。然而統計數據顯示，由電力電纜及其接頭引發的各種故障和事故正呈增長趨勢。文獻［1］統計了長沙地區電纜近7年間的電纜故障次數，見表1。表1中數據顯示電纜故障次數逐年升高。

由上述數據可見，對電力電纜及其接頭的運行狀況監測問題進行研究十分必要。對電力電纜及其接頭的運行溫度進行監測可以幫助運行人員了解和掌握電力電纜及其接頭的絕緣狀況，計算和調整電纜載流量等，做到提早發現隱患，避免類似圖1所示的各類故障發生。

由于溫度測量技術的多樣性和電力設備的不同要求，電力設備運行溫度監測的方式各有不同。本文描述并總結了幾種應用于電力電纜及其接頭的運行溫度監測技術。

表1 長沙地區電纜故障統計 (單位:次)

圖1 35 kV電纜終端被擊穿［2］

1 電纜本體的運行溫度監測

1.1 點式溫度監測

點式溫度監測是指將若干個溫度傳感器分散安置于電纜上重要的監測部位，然后將測得的溫度數據傳回，對其分析并得出結論，從而達到監測電纜運行溫度的目的。因溫度傳感器呈點狀分散分布，故稱為點式溫度監測。

點式溫度監測法是一種傳統的測溫方法，早期主要是使用熱電偶或熱敏電阻作為感溫裝置。現在多采用更為先進的數字式溫度傳感器作為感溫裝置，結合微處理器以及控制用計算機等實現運行溫度在線監測、溫度超限自動報警和歷史數據存儲等功能。

文獻［3］利用數字式溫度傳感器DS1820作為感溫裝置，以89C51單片機管理并控制溫度傳感器，使用RS-485總線完成單片機與主控計算機之間的控制連接，實現對電力電纜的運行溫度的多點在線監測。文獻［4］中同樣采用點式溫度監測方法，通過不同的元件實現了對電纜運行溫度的在線監測。

點式溫度監測方法的特點是對電纜本體的運行溫度進行多點同時測量，其優點是成本較低、實用性強，但其缺點也顯而易見，即無法對電纜本體進行整體測溫;而且由于多采用的是接觸式傳感器進行表面測溫，不能準確反映電纜本體內部的實際溫度。

1.2 線型感溫電纜式溫度監測

線型感溫電纜式溫度監測是指以線型感溫探測器(多為電纜式)作為溫度傳感器，將其按某種形式與待測的電力電纜敷設在一起，使用信號總線連接感溫電纜與主控計算機，實現對電纜全線的運行溫度連續監測和測量溫度超限即斷線報警的功能。

線型感溫電纜的工作原理是，感溫電纜中有兩根按一定扭力絞合在一起的，外層包裹著特殊熱敏絕緣材料的彈性鋼絲，當感溫電纜所接觸的物質的某一部位溫度上升，鋼絲間的絕緣材料受其影響發生變化直至兩鋼絲間短路，進而向控制主機發出超溫報警信號。線型感溫電纜實物如圖2所示。線型感溫電纜的敷設方式一般采用正弦波接觸式，如圖3所示。

文獻［5］中提到邯鋼在煤氣回收電纜隧道中使用線型感溫電纜取得了良好的效果。

利用線型感溫電纜對電纜進行溫度監測的優點是:(1)測量覆蓋范圍大;(2)對工作環境要求低，適合在空間狹小、惡劣的環境下使用;(3)安裝簡單、成本低、維護量小;(4)安全性及可靠性較高。其缺點有:(1)無法準確定位具體發熱點;(2)測量精度有限。

圖2 線型感溫電纜

圖3 線型感溫電纜的敷設方式

1.3 光纖式溫度監測

光纖式溫度監測由于其獨特的優勢受到研究人員重點關注和研究，是新興的溫度監測方式。光纖式溫度監測與其他溫度監測方式的不同之處在于特殊的溫度傳感器，光纖式溫度監測是建立在分布式溫度傳感(DTS，即 Distributed Temperature Sensing)［6］技術之上的。

分布式光纖溫度傳感器的工作原理是光纖的光時域反射(OTDR)［7］以及光纖的后向拉曼散射溫度效應［8］。拉曼背向散射光由稱作反斯托克斯光和斯托克斯光的入射光組成。這兩種光的波長不同，光強比例可以轉換成溫度讀數，其公式為:

式中，Ias為斯托克斯光強度;Is為反斯托克斯光強度;h為普朗克常數;c為真空中的光速;Δv為波數;k為波爾茲曼常數;T為絕對溫度。分布式光纖溫度傳感器的測量原理如圖4所示。

圖4 光纖測量溫度原理圖［9］

光纖溫度傳感器的安裝方式、入射光強度、系統噪聲、拉曼散射系數、疊加次數與溫度分辨率等因素對測量精度都有直接影響。為保證測量精度，必須綜合考慮上述各種因素。光纖溫度傳感器的安裝方式通常有表貼式和內絞合式兩種，如圖5所示。

圖5 測溫光纖安裝方式示意圖［10］

由光纖特有的物理特性而決定的光纖式溫度監測方式比其他溫度監測方式有更多的優點:(1)可取代大量點式傳感器，實現實時測量、故障監測和預報;(2)質量輕、柔性好、安裝方便;(3)抗電磁干擾能力強、絕緣性能高，可以工作在高電壓、大電流等惡劣環境中;(4)可測距定位、重復使用、報警溫度可調。但光纖式溫度監測方式也存在缺點:實現成本較高及實現技術難度較大。

光纖式溫度監測方式已在高電壓等級電纜運行溫度在線監測領域得到了一定應用。文獻［11］使用分布式光纖溫度傳感器(FODT sensor)［12］對地下電力電纜故障進行檢測定位。最大可測距離為10 km，定位精度為1 m，定位時間不超過30 s，效果良好，具有一定的實用性。文獻［13］應用光纖測溫技術對裝在超高壓電纜實驗室里的220 kV電力電纜進行了2個月的現場試驗。試驗表明，利用光纖測溫技術可以進行長距離和精確的溫度測量，為電力電纜最佳和最安全載流量的確定提供直接數據。試驗布局如圖6所示。文獻［14］將光纖測溫技術與GPRS網絡結合在一起設計出可對220 kV電力電纜進行在線監測并采用無線方式傳輸數據的監測系統。文獻［15］中設計的電力電纜分布式光纖在線監測溫度裝置已在杭州、北京和廈門等城市超過50條220 kV電力電纜線路上投入運行。

1.4 紅外式溫度監測

前述三種溫度監測方式均為接觸式，溫度傳感器需與待測物接觸，而紅外測溫技術的優勢在于不需與待測物接觸。但紅外測溫傳感器受工作環境的影響較大，不宜在灰塵多、強電磁場等環境下工作。因此尤其是地下電力電纜的運行溫度在線監測中，使用紅外測溫技術的高電壓等級電纜運行溫度在線監測方式較為少見。

圖6 試驗布局

2 電纜接頭的運行溫度監測

電纜接頭是電力電纜網絡的重要組成部件之一。多年的運行經驗顯示90%以上的電纜運行故障是由接頭故障引發的，而接頭溫度過高是造成電纜接頭絕緣老化、易發故障的主要原因［16］。研究人員針對以上情況設計出電纜接頭運行溫度在線監測系統。這些系統的共同點是多采用點式溫度監測方式，而區別在于系統各部分間的不同的連接方式。

2.1 有線連接方式

采用有線連接方式的電纜接頭運行溫度在線監測系統的結構大致相同，與應用于電纜本體的點式溫度監測系統類似，由溫度傳感器、數據總線、單片機和主控計算機組成。有線連接方式是指在溫度傳感器和主控計算機間采用單片機和數據總線完成連接，實現數據傳輸和管理控制功能。

文獻［17］設計的電纜接頭運行溫度監測系統采用點式溫度監測方式，系統中各部分采用總線連接，屬于典型的有線連接的電纜接頭點式溫度監測系統。然而這種溫度監測系統存在不足:(1)有線連接方式限制此種系統只適合在范圍小、待測量點密集的場合;(2)安裝工作量大，實現較困難;(3)出現故障維護較困難。因此該系統適合在發電廠或變電站等待測設備相對集中的場所應用。

2.2 無線連接方式

為了更好地對在城市電網中使用的電纜接頭進行溫度在線監測，研究人員提出了采用無線連接的電纜接頭運行溫度在線監測系統。

文獻［18］中設計的電纜接頭溫度監測系統的組成如圖7所示。整個系統具有完整的數據采集、傳輸、處理、顯示、打印及遠距離通信能力，并配有強大的軟件支持，不但能監測電纜的工作狀態，也能為分析電纜故障隱患提供幫助。

圖7 城市地下電纜接頭溫度監測系統的組成

無線連接方式較之有線連接方式有以下優勢:(1)不受距離限制，可應用于大范圍的溫度監測;(2)不必進行數據傳輸線的布線接線等繁重復雜工作，減少了工作量;(3)適用性較廣、經濟性較好。

通過電纜外護套表面實測溫度及電纜結構參數等數據就能夠計算出電纜導體實際溫度。上述幾種電纜接頭運行溫度在線監測系統就是利用上述原理測量的。盡管可以利用電纜接頭的表面溫度與內部線芯溫度存在的對應關系［19］對電纜接頭進行狀態監測，但由于電纜接頭受到的特殊影響［20］如:(1)由強電場引起的介質損耗;(2)接觸電阻;(3)密封等問題，導致現行電力電纜接頭運行溫度在線測量方法存在準確性差、易受外部環境影響等缺點。

3 結束語

對電力電纜本體運行溫度進行在線監測的幾種技術的發展已較成熟。根據這些技術設計出的溫度監測系統已在實際應用中按電壓等級的高低形成一個體系，且取得了成效。點式溫度監測可用于較低電壓等級的電纜運行溫度在線監測，而正在迅速發展中的光纖式溫度監測則可在高電壓等級的電力電纜運行溫度在線監測領域得到逐步地應用和推廣。

電纜接頭運行溫度在線監測的方式顯得較為單一，實際應用也不廣泛。對電纜接頭的運行溫度在線監測的研究應得到更多投入，以期在電纜接頭運行溫度在線監測領域取得突破，提出有效的溫度監測方式，設計可行的溫度監測系統，預防電力電纜接頭故障發生，保證電力電纜網絡安全運行。

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