论文部分内容阅读
摘要：电缆线芯温度是电缆安全运行的重要指标。为了测量电缆线芯实时温度，本文介绍了高压电缆线芯温度直接检测的方法，通过在电缆中间接头内部植入测温传感器，直接检测电缆线芯的运行温度。本文还介绍了所设计的传感器测温模块的安装方法，并进行阶跃电流下的单芯110kV电缆模拟现场温升试验。试验结果表明，所植入的传感器模块不影响电缆接头的电气性能，所测温度与模拟回路直接测量的温度曲线在形状及响应趋势上完全一致，从而验证了该方法的有效性。
关键词：电缆温度，电缆接头，在线监测，温度传感器，无线能量传输
0 引言
随着城市电网电缆化程度迅速提高，高压电缆已成为城市电网的重要组成部分。电缆线芯温度是电缆运行的重要参数。当电缆超负荷运行时，电缆线芯可能超过额定温度，容易引发局部放电（局放），加速电缆绝缘老化，从而引发事故[1-4]。而电缆的低负荷工作，又会造成资源的大量浪费。通过合理设计电缆回路，以及针对特殊工况，都可以适当提高电缆的载流量，而准确测量电缆的线芯温度，成为电缆载流量合理调度的关键依据。
目前市场普遍的电缆线芯温度测量方法主要有2种，第一种是间接测量法，即通过温度传感器测量电缆表面温度，再根据热力学方法推算芯线内部温度;电缆线芯温度测量的另一种方法是直接测量法，目前研究较多的是基于Raman散射的分布式光纤方法和光纤Bragg光栅测量方法。由于光纤具有良好的绝缘性，因此可以直接接触电缆线芯或接头发热部位。
本文采用的是电磁感应原理的检测温度方式，将测温传感器与温度采集电路不接触的方法进行数据通信测温，二者通过电磁耦合方式传递信息和能量。
1 新型电磁感应技术的测温原理
1.1电缆附件结构及安装位置
电缆中间接头是电缆安全运行中最薄弱的环节。由于接头部位存在接触电阻，在高用电负荷情况下，电缆接头温度比电缆线芯的温度更高，更容易超过所能承受的临界温度，影响绝缘材料的寿命，甚至引起电缆接头击穿。此外，电缆接头的安装缺陷也会造成局放现象，引起接头部位发热。
接头两端的线芯通过铜压接管连接在一起，由于铜压接管与线芯间存在接触电阻，因此该位置为电缆接头的主要发热源。而该发热源位于高压电缆的芯线高电位处，传统的电子测量方法无法解决传感器的供电和信号传输问题，因而无法直接测量接头温度。
1.2新型技术的测温原理
为了测量电缆接头的温度，温度传感器应安装在电缆附件压接点处。由于该位置处于电缆线芯高电位，为了不破坏主绝缘层，必须通过无线传输的方式将温度信号透过绝缘层，传递到外部位于零电位的接收装置。同时，温度传感器位于绝缘层内部而无法采用外部电源供电;而为了保证电缆接头的安全和使用寿命，温度传感器不允许内置电池，因此本文采用电磁感应的无线电能传输技术解决供电问题
1.3 无源温度传感器的电路结构
基于电磁感应的无源温度传感技术是一种新型的温度测量技术]，其特点是传感器模块电路仅由电感L1、电容C1、热敏电阻Rs等3个无源元件组成，而不需要其它有源集成电路进行控制。无源温度传感技术的基本原理是：读取器通过电磁耦合的方式将能量耦合至传感器电路，并使传感器的RLC电路工作于谐振状态;当传感器谐振电路达到稳态后，读取器快速切断功率输出，并转换至信号接收状态。读取器接收到传感器的信号后，通过滤波、放大、AD采样和数字信号处理等步骤，计算得到当前电缆接頭的温度。
其中Uin为输入电源，Q1、D1、D2、Q2构成单向半桥电路;L2和L1分别是读取器电感和传感器谐振电感;C2与L2、C1与L1构成谐振腔;Rb为关断阻尼电阻，RS为热敏电阻，Ul2为电感上的电压。
其工作过程分2个阶段：第1阶段（t < t0）为供电阶段，半桥电路输出方波，其开关频率接近于L2、C2和L1、C1的谐振频率，此时读取器向传感器模块供电;第2阶段（t > t0）为信号接收阶段，在t0时刻Q1和Q2管同时关断，此时L2、C2上的能量快速释放到Rb，延时一段时间后从L2上测得的波形就是L1、C1、RS阻尼振荡的波形。
2温度传感器模块的结构与安装
根据上述原理设计了一个有源测温模块，并植入到110 kV交联电缆的中间接头，在安装电缆接头附件的过程同步完成测温模块的安装。测温模块放置部位为电缆接头主绝缘层内部，温度传感器采用K型热电偶，测温点直接固定在线芯铜压接管上，上述设计和安装方法不改变原电缆接头的常规结构。
3实验内容与结果分析
在1条110 kV回路中加入3个接头，使用不同厂家的接头附件进行测试。
测试现场在主回路的中间接头内部安装植入式测温模块，并通过数据采集器接收和保存测得的温度值。同时，在测试现场另外安装了1套相同型号规格电缆对比测温装置，即采用与主回路相同规格的电缆模拟回路，并在模拟回路中施加与主回路相同的电流，通过测量模拟回路的温度值以获取主回路的温度变化。
通过试验系统测量并比较3个温度值：主回路中植入式测温模块测得的电缆接头导芯温度、采用热电偶直接测得的主回路绝缘表面温度、以及采用热电偶以钻孔植入方式直接测得的辅助回路线芯温度。实验过程24 h不间断运行，每隔30 s记录1次温度值。不同部位测得的温度值。可以看出，加载相同电流情况下，主回路中电缆接头线芯温度与模拟回路线芯温度的变化趋势基本一致，但由于接头制作后，存在接触电阻以及散热性变差，与电缆本体相比，在相同时间点接头部位所测得温度值明显高于电缆本体温度值。
4 结论
市场普遍的电缆线芯温度检测主要采用间接测量方法，精度和实时性较差。本文提出了在电缆接头附件上安装测温模块的方法，利用电磁耦合原理实现了对电缆接头线芯的非接触式直接测温。该方法具有以下优点：
1）温度测量准确，实时性好;
2）安装方便，随电缆附件同时安装;
3）安全性好。测温模块置于绝缘管半导电层内部，不会破坏绝缘层的电场分布;
4）新型温度技术为直接测量方法，测温精度高，动态响应好，为电缆实时监测提供了一种新的方法和思路，具有很大的推广应用价值。
参 考 文 献
[1]陈向荣，徐 阳，王 猛，等.高温下110kV交联聚乙烯电缆电树枝生长及局部放电特性[J].高电压技术，2012，38（3）：645-654.
[2]鲁志伟，葛丽婷，张桂兰，等.地下电缆集群的优化运行[J].高电压技术，2009，35（10）：2557-2561.
[3]刘 刚，雷成华.提高单芯电缆短时负荷载流量的试验分析[J].高电压技术，2011，37（5）：1288-1293.
[4]梁永春，李彦明，柴进爱，等.地下电缆群稳态温度场和载流量计算新方法
关键词：电缆温度，电缆接头，在线监测，温度传感器，无线能量传输
0 引言
随着城市电网电缆化程度迅速提高，高压电缆已成为城市电网的重要组成部分。电缆线芯温度是电缆运行的重要参数。当电缆超负荷运行时，电缆线芯可能超过额定温度，容易引发局部放电（局放），加速电缆绝缘老化，从而引发事故[1-4]。而电缆的低负荷工作，又会造成资源的大量浪费。通过合理设计电缆回路，以及针对特殊工况，都可以适当提高电缆的载流量，而准确测量电缆的线芯温度，成为电缆载流量合理调度的关键依据。
目前市场普遍的电缆线芯温度测量方法主要有2种，第一种是间接测量法，即通过温度传感器测量电缆表面温度，再根据热力学方法推算芯线内部温度;电缆线芯温度测量的另一种方法是直接测量法，目前研究较多的是基于Raman散射的分布式光纤方法和光纤Bragg光栅测量方法。由于光纤具有良好的绝缘性，因此可以直接接触电缆线芯或接头发热部位。
本文采用的是电磁感应原理的检测温度方式，将测温传感器与温度采集电路不接触的方法进行数据通信测温，二者通过电磁耦合方式传递信息和能量。
1 新型电磁感应技术的测温原理
1.1电缆附件结构及安装位置
电缆中间接头是电缆安全运行中最薄弱的环节。由于接头部位存在接触电阻，在高用电负荷情况下，电缆接头温度比电缆线芯的温度更高，更容易超过所能承受的临界温度，影响绝缘材料的寿命，甚至引起电缆接头击穿。此外，电缆接头的安装缺陷也会造成局放现象，引起接头部位发热。
接头两端的线芯通过铜压接管连接在一起，由于铜压接管与线芯间存在接触电阻，因此该位置为电缆接头的主要发热源。而该发热源位于高压电缆的芯线高电位处，传统的电子测量方法无法解决传感器的供电和信号传输问题，因而无法直接测量接头温度。
1.2新型技术的测温原理
为了测量电缆接头的温度，温度传感器应安装在电缆附件压接点处。由于该位置处于电缆线芯高电位，为了不破坏主绝缘层，必须通过无线传输的方式将温度信号透过绝缘层，传递到外部位于零电位的接收装置。同时，温度传感器位于绝缘层内部而无法采用外部电源供电;而为了保证电缆接头的安全和使用寿命，温度传感器不允许内置电池，因此本文采用电磁感应的无线电能传输技术解决供电问题
1.3 无源温度传感器的电路结构
基于电磁感应的无源温度传感技术是一种新型的温度测量技术]，其特点是传感器模块电路仅由电感L1、电容C1、热敏电阻Rs等3个无源元件组成，而不需要其它有源集成电路进行控制。无源温度传感技术的基本原理是：读取器通过电磁耦合的方式将能量耦合至传感器电路，并使传感器的RLC电路工作于谐振状态;当传感器谐振电路达到稳态后，读取器快速切断功率输出，并转换至信号接收状态。读取器接收到传感器的信号后，通过滤波、放大、AD采样和数字信号处理等步骤，计算得到当前电缆接頭的温度。
其中Uin为输入电源，Q1、D1、D2、Q2构成单向半桥电路;L2和L1分别是读取器电感和传感器谐振电感;C2与L2、C1与L1构成谐振腔;Rb为关断阻尼电阻，RS为热敏电阻，Ul2为电感上的电压。
其工作过程分2个阶段：第1阶段（t < t0）为供电阶段，半桥电路输出方波，其开关频率接近于L2、C2和L1、C1的谐振频率，此时读取器向传感器模块供电;第2阶段（t > t0）为信号接收阶段，在t0时刻Q1和Q2管同时关断，此时L2、C2上的能量快速释放到Rb，延时一段时间后从L2上测得的波形就是L1、C1、RS阻尼振荡的波形。
2温度传感器模块的结构与安装
根据上述原理设计了一个有源测温模块，并植入到110 kV交联电缆的中间接头，在安装电缆接头附件的过程同步完成测温模块的安装。测温模块放置部位为电缆接头主绝缘层内部，温度传感器采用K型热电偶，测温点直接固定在线芯铜压接管上，上述设计和安装方法不改变原电缆接头的常规结构。
3实验内容与结果分析
在1条110 kV回路中加入3个接头，使用不同厂家的接头附件进行测试。
测试现场在主回路的中间接头内部安装植入式测温模块，并通过数据采集器接收和保存测得的温度值。同时，在测试现场另外安装了1套相同型号规格电缆对比测温装置，即采用与主回路相同规格的电缆模拟回路，并在模拟回路中施加与主回路相同的电流，通过测量模拟回路的温度值以获取主回路的温度变化。
通过试验系统测量并比较3个温度值：主回路中植入式测温模块测得的电缆接头导芯温度、采用热电偶直接测得的主回路绝缘表面温度、以及采用热电偶以钻孔植入方式直接测得的辅助回路线芯温度。实验过程24 h不间断运行，每隔30 s记录1次温度值。不同部位测得的温度值。可以看出，加载相同电流情况下，主回路中电缆接头线芯温度与模拟回路线芯温度的变化趋势基本一致，但由于接头制作后，存在接触电阻以及散热性变差，与电缆本体相比，在相同时间点接头部位所测得温度值明显高于电缆本体温度值。
4 结论
市场普遍的电缆线芯温度检测主要采用间接测量方法，精度和实时性较差。本文提出了在电缆接头附件上安装测温模块的方法，利用电磁耦合原理实现了对电缆接头线芯的非接触式直接测温。该方法具有以下优点：
1）温度测量准确，实时性好;
2）安装方便，随电缆附件同时安装;
3）安全性好。测温模块置于绝缘管半导电层内部，不会破坏绝缘层的电场分布;
4）新型温度技术为直接测量方法，测温精度高，动态响应好，为电缆实时监测提供了一种新的方法和思路，具有很大的推广应用价值。
参 考 文 献
[1]陈向荣，徐 阳，王 猛，等.高温下110kV交联聚乙烯电缆电树枝生长及局部放电特性[J].高电压技术，2012，38（3）：645-654.
[2]鲁志伟，葛丽婷，张桂兰，等.地下电缆集群的优化运行[J].高电压技术，2009，35（10）：2557-2561.
[3]刘 刚，雷成华.提高单芯电缆短时负荷载流量的试验分析[J].高电压技术，2011，37（5）：1288-1293.
[4]梁永春，李彦明，柴进爱，等.地下电缆群稳态温度场和载流量计算新方法