電力電纜接頭測溫系統的設計分析

胡超強

摘 要：電力工程是關乎國計民生的基礎性工程，電力設備和系統的安全運行對于穩定社會發展、保障群眾的生命財產安全至關重要。在輸電系統中，電纜接頭是電纜的關鍵性環節，同時也是薄弱環節，電纜接頭位置的溫度關系著整個電力設備系統的運行狀況，因此加強電纜接頭的溫度測量顯得尤為重要。文章以此為出發點設計了電纜接頭溫度的在線測量系統，首先分析了接頭位置的傳熱特點和形式，然后利用有限元分析方法求解接頭位置的溫度場分布，采用光纖光柵傳感器和精度較高的微型光譜儀設計溫度系統，并通過包圍方式安裝傳感器。

關鍵詞：電力系統；電纜接頭；溫度測量；設計

電力電纜作為電力系統中的重要組成部分其運行狀況關系著整個電力系統的整體運行狀況。但是基于電纜接頭的脆弱性導致其存在安全隱患的可能性極大，運行溫度一旦超過了電纜所能承受的臨界值就有可能引起火災，進而造成大面積的停電，在影響了正常的工業生產和群眾生活的同時還有可能給群眾的生命安全帶來極大威脅。目前常見的電纜溫度測量技術如感溫式電纜測溫、熱敏電阻式測溫、紅外傳感式測溫等均具有明顯的劣勢，因此，本文從創新性的角度出發設計分析了電纜接頭在線測溫技術。

1 電纜接頭溫度場分析

本文選取了市面上常見的10 kV交聯電纜熱縮附件JSY-10/1.2制作的電力電纜接頭為主要的研究對象系統地分析了電纜接頭的溫度控制情況。在運行的過程中隨著電纜負載的增大，接頭處的溫度逐漸升高，此之謂暫態過程。當電纜中的負載逐漸達到最大并穩定時，發熱和散熱達到平衡，因此對于長期處于工作中的電纜來說，可以認為其傳熱過程是穩定的。為了簡化對電纜接頭溫度的分析，我們特此做了如下幾點假設：（l）電力電纜接頭處的整體為圓柱體，其他附件層為圓環。（2）長期運行過程中其表面與空氣自然對流傳熱，當發熱和散熱達到平衡時，我們認為內部導體溫度和外部表面溫度的分布不變。（3）電纜接頭附近的附件層的基本物理參數不受溫度變化的影響。（4）電纜接頭各個橫截面處的基本情況均相同，可以看成一個平面場，即縱向方向上不存在溫度梯度。（5）電芯導體溫度為均勻的。（6）忽略線芯與接頭附件及各層附件之間的接觸熱阻。基于電纜接頭處的特殊結構，導致接頭處的傳熱方式有熱傳導方式、熱輻射方式，而對流傳熱則可以忽略不計。通過查閱相關文獻，得知穩定運行時電纜接頭處溫度為90℃左右，而故障運行時則為250℃左右，因此溫度場的分布可以看成是均勻的，各個介質的導熱系數均為常數。當通過有限元分析軟件ANSYS進行設計時，首先得到了單芯電纜接頭發生故障和三芯電纜接頭發生單芯故障時的電纜接頭溫度場[1]。

2 光纖光纜的傳熱原理

光纖光纜的傳熱基本原理如下：光纖布拉格光柵指的是單模摻鍺光纖經過紫外線光照射成柵技術而形成的全新光纖型布拉格光柵，成柵后的光纖纖芯的折射率呈現出周期性的分布條紋并產生布拉格光柵效應。根據經典的耦合模理論，當寬帶光從FBG中輸出時，滿足以下方程的光譜將被反射回來：λB=2n。ffA。其中λr、n和Λ分別為布拉格波長、光柵區的有效折射率和布拉格柵格周期。n和Λ對外界的溫度變化和應力作用非常敏感，當溫度發生變化或是存在拉伸或壓縮應力時，n和Λ的值隨之改變，從而可知布拉格發射波長^。也會隨之改變。在我們的設計模型中，應力作用不包含在我們考慮的范圍內，這樣，通過收集λR數據并對其進行分析則可分析出溫度變化情況[2]。

3 電力電纜接頭溫度測量系統結構設計

3.1測溫系統的結構設計

測溫系統的結構組成如圖l所示，由圖可知，該系統主要由寬帶光源、環形器、光纖光柵傳感器以及微型儀、上位機等組成。采用小型的ASE光源模塊提供寬帶光源，該光源模塊具有穩定性高、安全性好以及功率大等特點。環形器采用的是可重構光環形器，利用其高質量的隔離度和良好的方向性的屬性，提升系統運行的穩定性。采用可逆式l×4磁光開關，該開關具有響應速度快、使用壽命長等優點，可長期使用。

工作過程如下：寬帶光源發出的光譜直接進入到環形器中，然后通過四通道光開關，每一個通道光開關均可連接多個布拉格光纖，進而組成光纖陣列，每一條光纖均可鏈接多個光纖傳感器開關，相應的他們會將特定波長的窄帶光譜經過可逆開關回傳到環形器中，經過環形器的加工而傳輸到微型光譜儀解調系統。光譜儀解調系統再將調制信號傳輸到監控系統中，并在顯示器上進行限制。這樣技術人員通過查看相應的參數就可以實時了解接頭溫度參數。同時該系 統還可以實現溫度數據的自動存儲和檢測，通過設置溫度 上限來實現自動報警[3]。

3.2傳感器優化設計

在無增敏條件下光柵光纖傳感器的靈敏度不夠，無法 滿足實際工作需求，因此需要首先將其進行增敏封裝設計。 本文中采用的是熱膨脹系數較大的金屬鋁作為基底，首先 將布拉格光柵封裝在石英管中，兩頭用環氧樹脂進行封 裝，再將鋁板基底制作成凹槽狀，將封好的石英管放在凹 槽中進行固定。傳感器設計成了10 mmX40 mm的形狀，這

樣便于安裝且可以延長伸縮量。這樣經過封裝處理的光柵 光纖的熱敏感度是普通傳感器的3.5倍，可以直接利用在工 業應用中[4]。

3.3安裝方式的優化

傳統的傳感器安裝多采用膠帶粘接或是捆綁方式，在 .變化莫測的自然環境中容易出現較大的誤差而造成巨大的安全事故。本文中設計了一種全新的傳感器安裝方式，即利用絕緣高壓熱縮帶將傳感器安裝在電纜接頭處，這種熱縮帶的熱力學和機械性能較為穩定，具有較大的彈性，在高溫條件下其彈性不易發生改變，利用這種材料將傳感器“捆綁”在電纜接頭位置一方面可以增大傳感器與接頭的接觸面積和緊實度，另一方面還可以盡量地抵制外界應力對其性能造成的影響。同時要保證纏繞厚度大于等于4 mm。

4 結語

本文系統地分析了電力電纜接頭溫度測量的技術的重要性，并利用有限元分析方法設計了一套全新的接頭溫度測量系統，對工作原理和結構組成進行了重點分析，同時對結構優化設計、傳感器優化設計以及安裝方式的優化設計等進行了創新性分析，實踐證明取得了良好的溫度檢測效果，可以在工業生產中進行大面積推廣。

[參考文獻]

[1]郭銳.電力電纜故障監測及預警系統的設計[J].科技創新與應用，2017（ 22）：94-95.

[2]朱五洲，廖雁群，趙鵬勃，等.電纜接頭在線監測技術研究[J]自動化應用，2017 （5）：133-134

[3]韋亦龍，朱五洲，廖雁群，等.電纜接頭溫度監測技術探析[J].自動化應用，2017 （4）：72-73

[4]余濤.電纜接頭溫度在線監測系統[J].農村電氣化，2017 （3）：34-35