測溫型T接頭的研制和應(yīng)用

李培培，高曉寧，黃俊

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司揚州供電分公司，江蘇 揚州，225009）

關(guān)鍵字：T接頭；直接測量；無線無源傳感器；實時溫度；電場

0　引言

環(huán)網(wǎng)柜是配網(wǎng)中非常重要的電氣設(shè)備，T接頭作為柜內(nèi)電纜與環(huán)網(wǎng)柜的連接設(shè)備，其內(nèi)部過熱是當(dāng)前環(huán)網(wǎng)柜使用過程中最常見問題之一。引起T接頭溫度過高的直接原因是接頭運行時間長、壓接頭不緊、接觸電阻過大等。接頭的長期運行造成的過熱、燒穿絕緣等現(xiàn)象容易引發(fā)火災(zāi)，從而造成重大安全事故和經(jīng)濟損失。此外，接頭過熱問題是一個不斷發(fā)展的過程，如果不加以控制，過熱程度會不斷加劇，并對絕緣件的性能及設(shè)備壽命產(chǎn)生很大的影響[1-2]。

由于配網(wǎng)T接頭眾多且分散，難以依靠人工逐一巡視，因此在線監(jiān)測T接頭的運行溫度，可以及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備過熱現(xiàn)象，避免由于接頭故障造成線路跳閘，對于配網(wǎng)運行維護和設(shè)備健康運行具有重要意義。

1　T接頭測溫原理

1）利用輻射特性的紅外熱像儀，準(zhǔn)確度較高，但由于需要光學(xué)器件，在高壓環(huán)網(wǎng)柜等特定場合使用不太方便，而且價格較高，推廣應(yīng)用有一定困難。更重要的是需要人工進行巡查，在巡檢過程中巡檢人員的責(zé)任心、巡檢時間間隔、測量角度、測量部位都極難掌握，這樣就會造成很多設(shè)備測溫不準(zhǔn)，出現(xiàn)誤測、漏測以及誤差較大等情況。同時因為不能實時得到溫度數(shù)據(jù)，所得到的數(shù)據(jù)永遠(yuǎn)是滯后的，無法在第一時間判斷環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)T接頭有無發(fā)熱故障，起不到溫度實時報警功能，導(dǎo)致問題不能被及時發(fā)現(xiàn)和處理。

2） 光纖有線測溫，利用光纖傳導(dǎo)的方式進行溫度監(jiān)測，由于光纖要和感溫一起緊貼在被測物體表面，而被測物體的表面都是高壓部分[3-4]，這樣對光纖的本身和使用的環(huán)境要求很嚴(yán)格。同時光纖本身的絕緣會老化，另外光纖還不能受到環(huán)境的污染，光纖的彎曲度也是有限制的，最后安裝也不方便。

3）無線測溫系統(tǒng)，是將溫度傳感器安裝到環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)的T接頭上，在線測量該點溫度后，以無線方式將數(shù)據(jù)上傳集中顯示，并能實現(xiàn)超溫報警。還可與電力自動化系統(tǒng)連接，用戶在遠(yuǎn)端監(jiān)視設(shè)備溫度運行狀態(tài)，系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)設(shè)備溫度異常，自動遠(yuǎn)程報警，以便及時消除事故隱患。

綜上所述，幾種測溫方案的優(yōu)缺點對比如表1所示：

表1　測溫方案對比Table 1 Comparison of tempreture measurment

測溫方式及測溫產(chǎn)品優(yōu)勢分析對比如表2所示：

表2　測溫產(chǎn)品對比Table 2 Comparison of tempreture measurment products

最終我們決定在無線測溫系統(tǒng)的基礎(chǔ)上再進行深度研發(fā)，主要力爭在以下兩個問題上進行創(chuàng)新：

1）測溫傳感器直接測量端子溫度，突破了以往外置在T接頭表面的安裝方式，這樣可以實現(xiàn)對導(dǎo)體溫度的直接測量，而不是像以往測量表皮溫度然后通過外部軟件進行溫度模擬和修正這種傳統(tǒng)方式，從而保證溫度數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2）測溫傳感器的無源化，傳統(tǒng)有源溫度傳感器利用電容或者內(nèi)置電池支持其工作，存在能量耗盡的問題，同時具有電源模塊的傳感器內(nèi)置在T接頭內(nèi)部，對于T接頭本身的安全運行也是一個隱患。而我們無源傳感器采用無源設(shè)計，傳感器借助外部接收裝置的發(fā)射信號能量進行工作，傳感器自身不需要電源，在接收裝置每發(fā)一次信號時溫度傳感器就響應(yīng)一次，從而將數(shù)據(jù)傳輸出來。

其中核心溫度傳感器原理圖如下：

圖1　無線無源測溫傳感器原理圖Fig.1 Schematic diagram of wireless passive temperature sensor

基于電磁耦合原理的測溫回路需要兩個部分：即溫度傳感模塊和信號讀取模塊。溫度傳感模塊由電感L和電容C組成，構(gòu)成一個振蕩回路，設(shè)計中有一個物理量是保持不變的，而另外一個物理量將隨溫度變化而變化，這樣振蕩頻率f也將會隨溫度的變化而變化，溫度與頻率之間就有了對應(yīng)關(guān)系T∝f∝L（或者T∝f∝C）。信號讀取模塊則由純電感回路和外接控制器組成，控制器將發(fā)射頻率信號，通過純電感回路與溫度傳感模塊之間進行電磁耦合，信號傳遞出來后，將讀取的頻率信號轉(zhuǎn)換成溫度信號，就得到了真實的導(dǎo)體溫度[5-7]。

溫度傳感模塊和信號讀取模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計非常重要，由于在電纜生產(chǎn)過程中無法將兩個模塊事先預(yù)裝上去，因此這套測溫系統(tǒng)只能安裝于電纜T接頭內(nèi)部，由于T接頭內(nèi)部連接處空間有限，溫度傳感模塊的設(shè)計要以不影響內(nèi)部電場的均勻分布為考量，感溫部件亦需要盡量靠近導(dǎo)體。另外T接頭外部有金屬屏蔽和機械保護，因此信號讀取模塊的設(shè)計也需要考慮如何降低金屬屏蔽的存在而導(dǎo)致對電磁信號的干擾。

整體的T接頭設(shè)計方案如下圖所示：

圖2　測溫型T接頭設(shè)計方案圖Fig.2 Design scheme diagram of temperature measuring type T joint

2　實施技術(shù)方案

（1）T接頭整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

測溫型T接頭由一個硅橡膠材料的T型終端主體和高介電常數(shù)電應(yīng)力控制適配器組成。適配器是冷縮式結(jié)構(gòu)，被預(yù)先撐開在可抽取的芯繩上。T型終端主體由內(nèi)半導(dǎo)電層，外絕緣層和外屏蔽層三部分構(gòu)成；冷縮適配器由外絕緣層和內(nèi)部高介電常數(shù)電應(yīng)力控制層構(gòu)成。測溫傳感器放置在絕緣端蓋內(nèi)。

（2）測溫型T接頭電場分析

分析新型T接頭中增加線芯測溫元器件后的電場變化情況，根據(jù)分析結(jié)果判斷其是否會對接頭本體的安全運行造成影響[8-9]。

通過IES電場分析軟件對測溫型接頭產(chǎn)品進行對比分析。測溫型接頭和普通型接頭的電場為同一水平，由此可以認(rèn)為增加電纜線芯測溫元器件后對電纜附件的電場分布強度無影響。

圖3　測溫型T接頭結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of temperature measuring type T joint

圖4　測溫型T接頭電場分析圖Fig.4 Electric field analysis diagram of temperature measurement type T joint

從表格中普通型和測溫型接頭的場強對比數(shù)據(jù)我們可以確定，在增加電纜線芯測溫元器件后對電纜附件本地的電場分布強度無影響。

表3　電場強度測量Table 3 Electric field intensity measurement

3　傳感器性能測試

（1）抗老化性能測試

順利通過了130 ℃高溫條件下長達(dá)4個月的加速老化試驗，傳感器正常工作，無性能下降情況。根據(jù)運行壽命的模擬計算，在正常運行溫度條件下，傳感器預(yù)期運行壽命可達(dá)30年以上。

（2）電磁兼容性測試

按照IEC61000-6-2及IEC61000-6-4標(biāo)準(zhǔn)[10-11]，對溫度傳感器進行了以下項目檢測：輻射抗擾度、電瞬變脈沖群、浪涌、傳導(dǎo)抗擾度、工頻磁場，測試結(jié)果均滿足標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的相關(guān)技術(shù)要求。

（3）傳感器測溫精度測試

我們設(shè)計的系統(tǒng)精度為：±2℃ (10～95 ℃)。試驗測試證明新型測溫傳感器測試結(jié)果與恒溫箱溫度一致，誤差曲線如下圖。

圖5　誤差曲線圖Fig.5 Error graph

4　成果應(yīng)用

該項目成果已于2017年9月在開揚2#環(huán)網(wǎng)柜安裝并平穩(wěn)運行。截取的開揚2#環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)T接頭的部分溫度數(shù)據(jù)和曲線如圖所示，該圖是2017年2月中一段時間的溫度變化趨勢，溫度基本穩(wěn)定正常。正常情況下，運行電纜T接頭溫度和環(huán)境溫度相差不多，圖中可以清楚的看到T接頭表面溫度隨著環(huán)境溫度的變化趨勢，與實際相符。

圖6　運行溫度曲線Fig.6 Operating temperature curve

圖7　超溫報警信息Fig.7 Over temperature alarm information

開揚2#環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)測溫型T接頭在線監(jiān)測與超溫告警功能已完成調(diào)試，由于尚未經(jīng)歷夏日高溫天氣，現(xiàn)場負(fù)荷電流不大，且未發(fā)生設(shè)備接頭本體缺陷，因此在線監(jiān)測平臺還未實際產(chǎn)生過超溫信號。安裝調(diào)試時，現(xiàn)場實測T接頭運行溫度為25.5 ℃，我們?nèi)藶樵O(shè)定告警值為25 ℃，在線監(jiān)測平臺實時監(jiān)測到溫度越限，并及時發(fā)出告警。

5　結(jié)論

本文的研究與應(yīng)用，有效提高了配網(wǎng)運檢的智能化水平，提高了運維、巡視的效率，實現(xiàn)了揚州供電公司配網(wǎng)管理模式的新突破，真正實現(xiàn)了“智能監(jiān)控、狀態(tài)檢修”的運維目標(biāo)。項目的推廣應(yīng)用將會帶來巨大的社會和經(jīng)濟效益，有效提升公司的優(yōu)質(zhì)服務(wù)形象。

同時，結(jié)合試點和實際項目的大量運行監(jiān)測歷史數(shù)據(jù)，開展溫度與電纜載流量相關(guān)性和變化趨勢的研究和探索，可總結(jié)出規(guī)律或形成相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，作為電纜設(shè)計時截面經(jīng)濟選取和后續(xù)動態(tài)增容的重要參考依據(jù)。項目成果推廣后對于高壓電纜的安全、經(jīng)濟運行具有可觀的直接和間接效益，項目成果能實時、準(zhǔn)確地直接監(jiān)測電纜接頭導(dǎo)體溫度，保證電纜運行于安全狀態(tài)，防止可能的過負(fù)荷情況，保障電纜設(shè)備的安全穩(wěn)定運行，提高配網(wǎng)供電可靠性。