內置無線測溫裝置的高壓電纜中間接頭的電場仿真

王激華，王彬栩，楊躍平，管金勝，陳建武，劉可龍，施晶垚

（國網浙江省電力有限公司寧波供電公司，浙江 寧波 315012）

溫度是評估電纜中間接頭運行狀態的一項重要參數。運行溫度過高時，加速絕緣老化，從而降低絕緣壽命；運行溫度過低時，不能充分利用其負載能力，造成資源浪費。近年來，電纜接頭溫度監測技術逐漸成熟，相關較為有效的監測手段得到了較廣泛的應用。國內主要的高壓與超高壓電纜線路均已經廣泛應用傳統的人工巡視或者分布式光纖測溫系統。

國家電網公司于2017年發布了《高壓電纜接頭內置式導體測溫裝置技術規范》，其中明確規定：測溫裝置不應影響電纜接頭的絕緣性能、密封性能及導電性能；當裝置出現異常或損壞時，不應對被監測的電纜接頭造成損壞。

為了克服現有電纜接頭測溫技術存在的部分缺陷，本文提出了一種基于壓電薄膜的新型高壓電纜接頭內置式測溫裝置，其具備無源、無線、長壽命（30年以上）等優勢，可以滿足上述高壓電纜測溫的相應技術規范。該測溫裝置的整體結構如圖1所示，其中，內置式測溫傳感器具備輕、薄、柔的外觀形態特點，可以緊密地貼附于圓柱形電纜線芯的表面，直接測量電纜線芯導體溫度。通過無線傳輸，內置式無源測溫薄膜可將溫度信號傳輸到電纜接頭本體外部的讀取天線和讀取器等現場裝置。由于讀取器中的控制電路需要外部電源，方便起見，讀取器可由安裝在電纜本體外的取電互感器供電。

圖1 一種新型高壓電纜接頭內置式導體測溫裝置

需要說明的是，雖然上述內置式測溫薄膜厚度僅為2mm，且具有穩定的材料特性，但其存在是否會影響整體電纜中間接頭的絕緣性能、導電性能等性能以及電纜中間接頭正常運行時的電場分布，仍需進一步深入的探究。考慮到關于內置式測溫裝置對電纜內部電場分布影響的仿真研究極少，本文通過有限元仿真手段，對內置上述測溫薄膜的電纜中間接頭進行電場仿真計算，研究不同工況下該內置測溫薄膜對電纜中間接頭電場分布的影響。

1 仿真模型

盡管本文主要研究對象為電纜中間接頭，為避免端部效應影響電場仿真結果，在仿真中仍需要將與中間接頭連接的部分電纜本體納入建模考慮。為方便分析和計算，可對電纜中間接頭做一定程度的簡化，以部分電纜與整體預制式電纜中間接頭的四分之一結構作為建模對象。本仿真以電壓等級為110kV、電纜導體橫截面積為900mm2的整體預制式電纜中間接頭為例。按照與實際尺寸1：1比例，通過COMSOL Multiphysics?多物理場仿真軟件建立內置測溫裝置的110kV電纜中間接頭的仿真模型，如圖2所示。仿真模型中所需的電纜與電纜中間接頭部分結構的相關參數典型取值如表1、2所示。

圖2 110kV電纜與整體預制式電纜中間接頭的四分之一結構

表1 電纜本體相關參數

2 仿真結果與討論

2.1 電纜中間接頭的電場分布

未內置測溫傳感器的電纜接頭的電場強度分布及其等值線如圖3、4所示。觀察可得，XLPE中的電場強度最大，而硅橡膠和預制接頭主絕緣中的電場強度則較小，該現象由不同絕緣材料的介電常數間的較大差異導致。電纜中間接頭內的電場強度最大值約為3.28kV/mm，其出現在應力錐的根部和壓接管的尖端。同時，上述兩處位置附近存在著較為明顯的電場畸變。

表2 電纜中間接頭相關參數

圖3 無內置測溫傳感器的電纜接頭的電場強度分布

圖4 無內置測溫傳感器的電纜接頭的電場強度等值線分布

電纜接頭內置測溫傳感器后，其內部電場強度分布及其等值線如圖5、6所示。觀察可得，安置測溫傳感器后，電纜接頭的電場強度分布整體幾乎未發生變化，僅在傳感器尖端與主絕緣交界處存在極其微小的畸變，但幾乎可以忽略。換言之，內置測溫傳感器對電纜接頭內的電場強度分布幾乎無影響，且傳感器植入部位無場強集中現象。

圖5 內置測溫傳感器的電纜接頭的電場強度分布

圖6 內置測溫傳感器的電纜接頭的電場強度等值線分布

2.2 電纜中間接頭中部截面上的電場分布

進一步，可以在電纜接頭正中間垂直軸向截取二維截面，對該截面上的電場分布進行研究。未內置測溫傳感器時的電場強度分布及其等值線如圖7所示，其中，紅色箭頭表示截面上的徑向電場方向。觀察可得，電纜接頭電場強度由軸心沿徑向逐漸減小；截面上的電場強度最大值出現在壓接管與硅橡膠主絕緣的交界面上，其值約為1.45kV/mm。

圖7 無內置測溫傳感器的電纜接頭中部截面上的電場強度分布

圖8 內置測溫傳感器的電纜接頭中部截面上的電場強度分布

內置測溫傳感器后，電纜接頭中部截面上的電場強度分布如圖8所示。觀察可得，該截面上的電場強度分布整體幾乎未發生變化，僅在測溫傳感器與主絕緣交界處存在極其微小的畸變，但幾乎可以忽略。上述結果可進一步說明內置測溫傳感器對電纜接頭內的電場強度分布幾乎無影響。

2.3 徑向電場分布

進一步，可以在電纜接頭正中間沿徑向畫出一條截線，對該截線上的徑向電場分布進行研究。未內置測溫傳感器時的電纜接頭中部徑向電場強度分布如圖9所示，截線上的最大值出現在壓接管與硅橡膠主絕緣的交界處，其值約為1.45 kV/mm。內置測溫傳感器后，電纜接頭中部徑向電場強度分布如圖10所示。觀察可得，該截線上的電場強度分布整體幾乎未發生變化，僅在測溫傳感器與主絕緣交界處存在微小程度的畸變，但幾乎可以忽略；截線上的最大值仍出現在壓接管與硅橡膠主絕緣的交界面上，其值約為1.43kV/mm。上述結果可以進一步說明內置測溫傳感器對電纜接頭內的徑向電場強度分布影響極小。

圖9 無內置測溫傳感器的電纜接頭中部徑向電場強度分布

3 結語

圖10 內置測溫傳感器的電纜接頭中部徑向電場強度分布

本文提出了一種基于壓電薄膜的柔性內置式測溫傳感器，通過COMSOL Multiphysics?多物理場仿真軟件建立了內置測溫裝置的110kV電纜中間接頭的仿真模型，對其進行了電場仿真計算，研究了內置測溫薄膜對電纜中間接頭電場分布的影響。通過研究可得以下主要結論：

（1）內置式測溫傳感器因輕、薄、柔的外觀形態特點，可以緊密地貼附于電纜線芯的表面，真實反映電纜線芯導體的實時溫度。傳感器與讀取天線之間采用無線數據傳輸，信號可穿透電纜接頭本體，不改變電纜接頭的結構。

（2）通過仿真可得，該內置式無線測溫裝置對高壓電纜中間接頭內部電場分布的影響極小。相比未內置測溫傳感器時的情況，電勢和電場強度分布僅在測溫傳感器與硅橡膠主絕緣交界處存在極其微小的畸變，但幾乎可以忽略，且傳感器植入部位并未呈現電勢和場強集中現象。因此，可以認為增加電纜線芯測溫傳感器對電纜中間接頭的電場分布無影響。