电力电缆及其接头运行温度监测技术研究

吴 畏，杨博麟，王轶群，汪

(1.湖南大学电气与信息工程学院，长沙410082;2.湖北省电力公司黄冈供电公司，湖北黄冈438000)

0 引言

随着我国城市电网的升级改造和电力电缆制造技术的不断提高，电力电缆在城市电网中得到广泛使用，特别是高电压等级电力电缆的使用数量在现有电网设备中已占据较大比重。然而统计数据显示，由电力电缆及其接头引发的各种故障和事故正呈增长趋势。文献［1］统计了长沙地区电缆近7年间的电缆故障次数，见表1。表1中数据显示电缆故障次数逐年升高。

由上述数据可见，对电力电缆及其接头的运行状况监测问题进行研究十分必要。对电力电缆及其接头的运行温度进行监测可以帮助运行人员了解和掌握电力电缆及其接头的绝缘状况，计算和调整电缆载流量等，做到提早发现隐患，避免类似图1所示的各类故障发生。

由于温度测量技术的多样性和电力设备的不同要求，电力设备运行温度监测的方式各有不同。本文描述并总结了几种应用于电力电缆及其接头的运行温度监测技术。

表1 长沙地区电缆故障统计 (单位:次)

图1 35 kV电缆终端被击穿［2］

1 电缆本体的运行温度监测

1.1 点式温度监测

点式温度监测是指将若干个温度传感器分散安置于电缆上重要的监测部位，然后将测得的温度数据传回，对其分析并得出结论，从而达到监测电缆运行温度的目的。因温度传感器呈点状分散分布，故称为点式温度监测。

点式温度监测法是一种传统的测温方法，早期主要是使用热电偶或热敏电阻作为感温装置。现在多采用更为先进的数字式温度传感器作为感温装置，结合微处理器以及控制用计算机等实现运行温度在线监测、温度超限自动报警和历史数据存储等功能。

文献［3］利用数字式温度传感器DS1820作为感温装置，以89C51单片机管理并控制温度传感器，使用RS-485总线完成单片机与主控计算机之间的控制连接，实现对电力电缆的运行温度的多点在线监测。文献［4］中同样采用点式温度监测方法，通过不同的元件实现了对电缆运行温度的在线监测。

点式温度监测方法的特点是对电缆本体的运行温度进行多点同时测量，其优点是成本较低、实用性强，但其缺点也显而易见，即无法对电缆本体进行整体测温;而且由于多采用的是接触式传感器进行表面测温，不能准确反映电缆本体内部的实际温度。

1.2 线型感温电缆式温度监测

线型感温电缆式温度监测是指以线型感温探测器(多为电缆式)作为温度传感器，将其按某种形式与待测的电力电缆敷设在一起，使用信号总线连接感温电缆与主控计算机，实现对电缆全线的运行温度连续监测和测量温度超限即断线报警的功能。

线型感温电缆的工作原理是，感温电缆中有两根按一定扭力绞合在一起的，外层包裹着特殊热敏绝缘材料的弹性钢丝，当感温电缆所接触的物质的某一部位温度上升，钢丝间的绝缘材料受其影响发生变化直至两钢丝间短路，进而向控制主机发出超温报警信号。线型感温电缆实物如图2所示。线型感温电缆的敷设方式一般采用正弦波接触式，如图3所示。

文献［5］中提到邯钢在煤气回收电缆隧道中使用线型感温电缆取得了良好的效果。

利用线型感温电缆对电缆进行温度监测的优点是:(1)测量覆盖范围大;(2)对工作环境要求低，适合在空间狭小、恶劣的环境下使用;(3)安装简单、成本低、维护量小;(4)安全性及可靠性较高。其缺点有:(1)无法准确定位具体发热点;(2)测量精度有限。

图2 线型感温电缆

图3 线型感温电缆的敷设方式

1.3 光纤式温度监测

光纤式温度监测由于其独特的优势受到研究人员重点关注和研究，是新兴的温度监测方式。光纤式温度监测与其他温度监测方式的不同之处在于特殊的温度传感器，光纤式温度监测是建立在分布式温度传感(DTS，即 Distributed Temperature Sensing)［6］技术之上的。

分布式光纤温度传感器的工作原理是光纤的光时域反射(OTDR)［7］以及光纤的后向拉曼散射温度效应［8］。拉曼背向散射光由称作反斯托克斯光和斯托克斯光的入射光组成。这两种光的波长不同，光强比例可以转换成温度读数，其公式为:

式中，Ias为斯托克斯光强度;Is为反斯托克斯光强度;h为普朗克常数;c为真空中的光速;Δv为波数;k为波尔兹曼常数;T为绝对温度。分布式光纤温度传感器的测量原理如图4所示。

图4 光纤测量温度原理图［9］

光纤温度传感器的安装方式、入射光强度、系统噪声、拉曼散射系数、叠加次数与温度分辨率等因素对测量精度都有直接影响。为保证测量精度，必须综合考虑上述各种因素。光纤温度传感器的安装方式通常有表贴式和内绞合式两种，如图5所示。

图5 测温光纤安装方式示意图［10］

由光纤特有的物理特性而决定的光纤式温度监测方式比其他温度监测方式有更多的优点:(1)可取代大量点式传感器，实现实时测量、故障监测和预报;(2)质量轻、柔性好、安装方便;(3)抗电磁干扰能力强、绝缘性能高，可以工作在高电压、大电流等恶劣环境中;(4)可测距定位、重复使用、报警温度可调。但光纤式温度监测方式也存在缺点:实现成本较高及实现技术难度较大。

光纤式温度监测方式已在高电压等级电缆运行温度在线监测领域得到了一定应用。文献［11］使用分布式光纤温度传感器(FODT sensor)［12］对地下电力电缆故障进行检测定位。最大可测距离为10 km，定位精度为1 m，定位时间不超过30 s，效果良好，具有一定的实用性。文献［13］应用光纤测温技术对装在超高压电缆实验室里的220 kV电力电缆进行了2个月的现场试验。试验表明，利用光纤测温技术可以进行长距离和精确的温度测量，为电力电缆最佳和最安全载流量的确定提供直接数据。试验布局如图6所示。文献［14］将光纤测温技术与GPRS网络结合在一起设计出可对220 kV电力电缆进行在线监测并采用无线方式传输数据的监测系统。文献［15］中设计的电力电缆分布式光纤在线监测温度装置已在杭州、北京和厦门等城市超过50条220 kV电力电缆线路上投入运行。

1.4 红外式温度监测

前述三种温度监测方式均为接触式，温度传感器需与待测物接触，而红外测温技术的优势在于不需与待测物接触。但红外测温传感器受工作环境的影响较大，不宜在灰尘多、强电磁场等环境下工作。因此尤其是地下电力电缆的运行温度在线监测中，使用红外测温技术的高电压等级电缆运行温度在线监测方式较为少见。

图6 试验布局

2 电缆接头的运行温度监测

电缆接头是电力电缆网络的重要组成部件之一。多年的运行经验显示90%以上的电缆运行故障是由接头故障引发的，而接头温度过高是造成电缆接头绝缘老化、易发故障的主要原因［16］。研究人员针对以上情况设计出电缆接头运行温度在线监测系统。这些系统的共同点是多采用点式温度监测方式，而区别在于系统各部分间的不同的连接方式。

2.1 有线连接方式

采用有线连接方式的电缆接头运行温度在线监测系统的结构大致相同，与应用于电缆本体的点式温度监测系统类似，由温度传感器、数据总线、单片机和主控计算机组成。有线连接方式是指在温度传感器和主控计算机间采用单片机和数据总线完成连接，实现数据传输和管理控制功能。

文献［17］设计的电缆接头运行温度监测系统采用点式温度监测方式，系统中各部分采用总线连接，属于典型的有线连接的电缆接头点式温度监测系统。然而这种温度监测系统存在不足:(1)有线连接方式限制此种系统只适合在范围小、待测量点密集的场合;(2)安装工作量大，实现较困难;(3)出现故障维护较困难。因此该系统适合在发电厂或变电站等待测设备相对集中的场所应用。

2.2 无线连接方式

为了更好地对在城市电网中使用的电缆接头进行温度在线监测，研究人员提出了采用无线连接的电缆接头运行温度在线监测系统。

文献［18］中设计的电缆接头温度监测系统的组成如图7所示。整个系统具有完整的数据采集、传输、处理、显示、打印及远距离通信能力，并配有强大的软件支持，不但能监测电缆的工作状态，也能为分析电缆故障隐患提供帮助。

图7 城市地下电缆接头温度监测系统的组成

无线连接方式较之有线连接方式有以下优势:(1)不受距离限制，可应用于大范围的温度监测;(2)不必进行数据传输线的布线接线等繁重复杂工作，减少了工作量;(3)适用性较广、经济性较好。

通过电缆外护套表面实测温度及电缆结构参数等数据就能够计算出电缆导体实际温度。上述几种电缆接头运行温度在线监测系统就是利用上述原理测量的。尽管可以利用电缆接头的表面温度与内部线芯温度存在的对应关系［19］对电缆接头进行状态监测，但由于电缆接头受到的特殊影响［20］如:(1)由强电场引起的介质损耗;(2)接触电阻;(3)密封等问题，导致现行电力电缆接头运行温度在线测量方法存在准确性差、易受外部环境影响等缺点。

3 结束语

对电力电缆本体运行温度进行在线监测的几种技术的发展已较成熟。根据这些技术设计出的温度监测系统已在实际应用中按电压等级的高低形成一个体系，且取得了成效。点式温度监测可用于较低电压等级的电缆运行温度在线监测，而正在迅速发展中的光纤式温度监测则可在高电压等级的电力电缆运行温度在线监测领域得到逐步地应用和推广。

电缆接头运行温度在线监测的方式显得较为单一，实际应用也不广泛。对电缆接头的运行温度在线监测的研究应得到更多投入，以期在电缆接头运行温度在线监测领域取得突破，提出有效的温度监测方式，设计可行的温度监测系统，预防电力电缆接头故障发生，保证电力电缆网络安全运行。

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