電纜導體溫度監測技術方法研究

張世元

摘要：電纜線芯溫度是電纜安全運行的重要指標。為了測量電纜線芯實時溫度，本文介紹了高壓電纜線芯溫度直接檢測的方法，通過在電纜中間接頭內部植入測溫傳感器，直接檢測電纜線芯的運行溫度。本文還介紹了所設計的傳感器測溫模塊的安裝方法，并進行階躍電流下的單芯110kV電纜模擬現場溫升試驗。試驗結果表明，所植入的傳感器模塊不影響電纜接頭的電氣性能，所測溫度與模擬回路直接測量的溫度曲線在形狀及響應趨勢上完全一致，從而驗證了該方法的有效性。

關鍵詞：電纜溫度，電纜接頭，在線監測，溫度傳感器，無線能量傳輸

0 引言

隨著城市電網電纜化程度迅速提高，高壓電纜已成為城市電網的重要組成部分。電纜線芯溫度是電纜運行的重要參數。當電纜超負荷運行時，電纜線芯可能超過額定溫度，容易引發局部放電（局放），加速電纜絕緣老化，從而引發事故[1-4]。而電纜的低負荷工作，又會造成資源的大量浪費。通過合理設計電纜回路，以及針對特殊工況，都可以適當提高電纜的載流量，而準確測量電纜的線芯溫度，成為電纜載流量合理調度的關鍵依據。

目前市場普遍的電纜線芯溫度測量方法主要有2種，第一種是間接測量法，即通過溫度傳感器測量電纜表面溫度，再根據熱力學方法推算芯線內部溫度;電纜線芯溫度測量的另一種方法是直接測量法，目前研究較多的是基于Raman散射的分布式光纖方法和光纖Bragg光柵測量方法。由于光纖具有良好的絕緣性，因此可以直接接觸電纜線芯或接頭發熱部位。

本文采用的是電磁感應原理的檢測溫度方式，將測溫傳感器與溫度采集電路不接觸的方法進行數據通信測溫，二者通過電磁耦合方式傳遞信息和能量。

1 新型電磁感應技術的測溫原理

1.1電纜附件結構及安裝位置

電纜中間接頭是電纜安全運行中最薄弱的環節。由于接頭部位存在接觸電阻，在高用電負荷情況下，電纜接頭溫度比電纜線芯的溫度更高，更容易超過所能承受的臨界溫度，影響絕緣材料的壽命，甚至引起電纜接頭擊穿。此外，電纜接頭的安裝缺陷也會造成局放現象，引起接頭部位發熱。

接頭兩端的線芯通過銅壓接管連接在一起，由于銅壓接管與線芯間存在接觸電阻，因此該位置為電纜接頭的主要發熱源。而該發熱源位于高壓電纜的芯線高電位處，傳統的電子測量方法無法解決傳感器的供電和信號傳輸問題，因而無法直接測量接頭溫度。

1.2新型技術的測溫原理

為了測量電纜接頭的溫度，溫度傳感器應安裝在電纜附件壓接點處。由于該位置處于電纜線芯高電位，為了不破壞主絕緣層，必須通過無線傳輸的方式將溫度信號透過絕緣層，傳遞到外部位于零電位的接收裝置。同時，溫度傳感器位于絕緣層內部而無法采用外部電源供電;而為了保證電纜接頭的安全和使用壽命，溫度傳感器不允許內置電池，因此本文采用電磁感應的無線電能傳輸技術解決供電問題

1.3 無源溫度傳感器的電路結構

基于電磁感應的無源溫度傳感技術是一種新型的溫度測量技術]，其特點是傳感器模塊電路僅由電感L1、電容C1、熱敏電阻Rs等3個無源元件組成，而不需要其它有源集成電路進行控制。無源溫度傳感技術的基本原理是：讀取器通過電磁耦合的方式將能量耦合至傳感器電路，并使傳感器的RLC電路工作于諧振狀態;當傳感器諧振電路達到穩態后，讀取器快速切斷功率輸出，并轉換至信號接收狀態。讀取器接收到傳感器的信號后，通過濾波、放大、AD采樣和數字信號處理等步驟，計算得到當前電纜接頭的溫度。

其中Uin為輸入電源，Q1、D1、D2、Q2構成單向半橋電路;L2和L1分別是讀取器電感和傳感器諧振電感;C2與L2、C1與L1構成諧振腔;Rb為關斷阻尼電阻，RS為熱敏電阻，Ul2為電感上的電壓。

其工作過程分2個階段：第1階段（t < t0）為供電階段，半橋電路輸出方波，其開關頻率接近于L2、C2和L1、C1的諧振頻率，此時讀取器向傳感器模塊供電;第2階段（t > t0）為信號接收階段，在t0時刻Q1和Q2管同時關斷，此時L2、C2上的能量快速釋放到Rb，延時一段時間后從L2上測得的波形就是L1、C1、RS阻尼振蕩的波形。

2溫度傳感器模塊的結構與安裝

根據上述原理設計了一個有源測溫模塊，并植入到110 kV交聯電纜的中間接頭，在安裝電纜接頭附件的過程同步完成測溫模塊的安裝。測溫模塊放置部位為電纜接頭主絕緣層內部，溫度傳感器采用K型熱電偶，測溫點直接固定在線芯銅壓接管上，上述設計和安裝方法不改變原電纜接頭的常規結構。

3實驗內容與結果分析

在1條110 kV回路中加入3個接頭，使用不同廠家的接頭附件進行測試。

測試現場在主回路的中間接頭內部安裝植入式測溫模塊，并通過數據采集器接收和保存測得的溫度值。同時，在測試現場另外安裝了1套相同型號規格電纜對比測溫裝置，即采用與主回路相同規格的電纜模擬回路，并在模擬回路中施加與主回路相同的電流，通過測量模擬回路的溫度值以獲取主回路的溫度變化。

通過試驗系統測量并比較3個溫度值：主回路中植入式測溫模塊測得的電纜接頭導芯溫度、采用熱電偶直接測得的主回路絕緣表面溫度、以及采用熱電偶以鉆孔植入方式直接測得的輔助回路線芯溫度。實驗過程24 h不間斷運行，每隔30 s記錄1次溫度值。不同部位測得的溫度值。可以看出，加載相同電流情況下，主回路中電纜接頭線芯溫度與模擬回路線芯溫度的變化趨勢基本一致，但由于接頭制作后，存在接觸電阻以及散熱性變差，與電纜本體相比，在相同時間點接頭部位所測得溫度值明顯高于電纜本體溫度值。

4 結論

市場普遍的電纜線芯溫度檢測主要采用間接測量方法，精度和實時性較差。本文提出了在電纜接頭附件上安裝測溫模塊的方法，利用電磁耦合原理實現了對電纜接頭線芯的非接觸式直接測溫。該方法具有以下優點：

1）溫度測量準確，實時性好;

2）安裝方便，隨電纜附件同時安裝;

3）安全性好。測溫模塊置于絕緣管半導電層內部，不會破壞絕緣層的電場分布;

4）新型溫度技術為直接測量方法，測溫精度高，動態響應好，為電纜實時監測提供了一種新的方法和思路，具有很大的推廣應用價值。

參 考 文 獻

[1]陳向榮，徐 陽，王 猛，等.高溫下110kV交聯聚乙烯電纜電樹枝生長及局部放電特性[J].高電壓技術，2012，38（3）：645-654.

[2]魯志偉，葛麗婷，張桂蘭，等.地下電纜集群的優化運行[J].高電壓技術，2009，35（10）：2557-2561.

[3]劉 剛，雷成華.提高單芯電纜短時負荷載流量的試驗分析[J].高電壓技術，2011，37（5）：1288-1293.

[4]梁永春，李彥明，柴進愛，等.地下電纜群穩態溫度場和載流量計算新方法