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电缆接头温度在线监测方法研究综述

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福州大学电气工程与自动化学院的研究人员林晨炯、林珍、吴雅琳,在2019年第5期《电气技术》杂志上撰文指出,由于电力电缆接头绝缘材料不好、接触电阻过大或制作工艺不达标等原

  福州大学电气工程与自动化学院的研究人员林晨炯、林珍、吴雅琳,在2019年第5期《电气技术》杂志上撰文指出,由于电力电缆接头绝缘材料不好、接触电阻过大或制作工艺不达标等原因,会引起电缆接头温度过高,造成电缆接头处绝缘老化甚至击穿,因此,以温度为尺度去监测电力电缆接头的运行状态,对有效预防事故发生具有重要意义。

  本文总结了几种现有的电缆接头测温方法,并对每种测温方法的原理及其优缺点进行综述。最后,展望了电缆接头温度监测的发展方向。

  随着城市生活用电和生产用电的需求越来越大,电网发展势头日渐迅猛,对配电线路的稳定性也提出了更高的要求。电力电缆作为城市内传输电能的主要通道,平均每年以35%的增量快速发展。电缆故障往往是由接头引起,而6~10kV的配电电缆每隔300~500m中就有一个接头。因此,电缆接头在庞杂的配电网络中不计其数,存在的安全隐患不可小觑。绝缘水平下降往往是电力电缆接头出现故障的主因。

  绝缘水平下降,泄露电流增大,损耗随之增加,最终导致温度升高;温度升高又会加速绝缘老化,泄露电流增大,温度再升高,最终导致绝缘击穿。因此,可将电缆接头温度作为电缆运行状态的一个参量,对电力电缆的运行状态进行监测。

  电缆接头温度监测在国内外已有不少的研究成果。以信号采集方式划分,主要有电信号测温和光信号测温两类;以有无电源来划分,主要有有源无线测温和无源无线测温两类。

  电信号测温法主要有热电偶测温和集成传感器测温两类。光信号测温法主要包括红外测温、光纤光栅测温和基于拉曼散射的分布式光纤测温。有源无线的测温法主要包括数字温度传感器、热电阻及热敏电阻等。采用无源无线的测温方法是一种新兴的测温途径,主要代表是声表面波测温。

  热电偶是自发电型传感器,无需外加电源即可测量温度。热电偶传感器的测温原理是基于热电效应。热电偶测温示意图如图1所示。将A、B两根不同材质的导体(或半导体)焊接起来形成一个闭合回路。当接点1和接点2之间的温度不同时,便在回路中产生热电动势,这种现象就是热电效应。

  在测温时,将接点1焊接起来作为测量端,放置于被测温度所在地;同时分开接点2,接入显示仪表或者变送器,称为参比端,参比端要保持温度恒定。

  热电偶具有结构简单、制造方便、测温范围宽、准确度较高、稳定性好以及热惯性小等优点,但同时也存在两个缺点:①安装时,当电缆接头较多的情况下,布线繁杂,现场难以维护;②参比端的温度需要保持恒定。而电缆运行环境不同,温度也会不同,此时参比端的温度会随之改变且极难修正。因此,热电偶常用于钢铁工业中钢水温度的连续测量和反应堆测温,监测电缆接头温度时不常采用此方法。

  集成传感器由硅半导体制成,也称其为硅传感器。它的基本原理是将补偿电路、放大电路和敏感元件集成封装在一个壳体中,通过测量PN结的电流和电压数值来确定待测物体温度的大小。

  集成传感器测温具有反应快、性价比高、体积小以及线性好的特点,适合电缆接头温度在线监测,不足之处在于要预防电缆的电磁干扰对测温精度的影响。

  红外测温理论是由普朗克黑体分布定律发展而来。红外测温法是通过红外线辐射波长与被测温度之间的函数关系来确定物体的温度。所有温度高于绝对零度的物体一直向外辐射红外能量。物体的表面温度与红外能量的大小和红外波长的分布有着密切联系。因此,只要测得红外波长及其能量大小,就可计算出被测物体的表面温度。

  红外测温系统的构成如图2所示。红外测温仪接收到由大气传输过来的被测设备的红外线辐射,被测设备辐射的能量汇聚于红外测温仪探测器上,探测器将辐射信息转换成电信号,经信号处理之后显示输出。

  红外测温仪使用灵活,不需要与被测物体直接接触,但需要工作人员手持设备对电缆接头、刀闸等部位进行测温,适合人工巡检测温,无法实现在线监测。除此之外,还存在价格昂贵、体积大,测量精度受测试距离影响大等缺点。

  光纤光栅测温法是将测温和信息传输分开,温度测量用光栅探头,信息传输用光纤,光栅探头和相连的光纤合起来称为光纤光栅测温。

  光纤主要由3部分组成:心层、包层和保护层。光栅是在心层折射率受到周期性调制后形成。测温时由光源将一束宽带光射入光纤。这一光束在到达光栅探头时,被光栅反射回一个满足Bragg条件的入射光波长,称其为Bragg波长。

  光纤光栅工作原理如图3所示。Bragg波长与光栅条纹周期成线性关系,而基于热胀冷缩原理,光栅条纹周期又会随着温度变化。故而,通过测量Bragg波长大小,就可测得光栅处的温度。

  光纤光栅传感器不适用于配电柜内及户外高压配电装置等场合,但因其体积小、抗电磁干扰能力强、安全性高和安装简便等优势多用于电缆接头温度在线监测。在实际应用中,入射光波长会受温度和应力的双重影响,测温精度会有所影响。此外,还有诸如造价昂贵、安装复杂等劣势。

  分布式光纤测温技术于20世纪70年代末提出,并由专业人员研究出分布式光纤瑞利散射测温、分布式光纤布里渊散射测温以及分布式光纤拉曼散射测温3种测温技术。

  其中,瑞利散射测温技术在使用常规材料的光纤时温度变化不大,所以实际应用不多;布里渊散射测温技术的研究起步较晚,虽然传感距离、空间分辨率和测量精度等性能都最好,但制造昂贵而复杂,还未大量投入商业使用。拉曼散射测温技术已趋于成熟并实用化,各项性能都较好,因此得到普遍应用。

  拉曼散射的分布式光纤测温技术具有只对温度敏感、抗电磁干扰强、绝缘性能好以及可实现大范围分布式测量等优点。同时也存在空间分辨率不足、无法定位具体测温点、光纤易折以及易断导致光损耗等缺点。分布式光纤具有精准测量光纤沿线上任一点温度的显著优点,除了常将其用于电缆接头测温外,还用于高压开关柜温度监测中。

  

  有源无线测温法是指将温度传感器与无线通信技术结合,温度传感器对发热点进行测量,将测得的温度信号通过无线芯片传输到终端监测设备,终端监测设备接收温度信号转换成温度信息显示出来。常见的温度传感器有数字温度传感器、热电阻、热敏电阻等。有源无线测温法可直接监测电缆接头温度变化,具有成本低、无需布线、稳定性好以及实现温度信号的无线传输等优点,但温度传感器需要电池或者小CT取能供电才能工作。

  电池供电的缺点就在于需定时更换电池且电池抗高温能力差。而小CT取能深受电缆电流影响,若电流过小,则供电不够;若电流过大,则易烧坏小CT甚至传感头。可见,小CT供电缺乏普遍性。除电缆接头温度测量外,有源无线测温法还常用于开关柜温度监测中。

  无源无线测温技术采用声表面波传感技术(surface acoustic wave, SAW)。声表面波传感器原理:当被测对象温度变化时,元器件谐振频率随之发生变化,通过对谐振频率的测量得出被测对象的温度。声表面波温度传感器的核心部件是声表面波谐振器,其结构如图4所示,分延迟线型和谐振型两类。

  声表面谐振器采用法布里一珀罗谐振腔。测温时,压电基片沿面产生声表面波,温度一旦变化,声阻抗便无法连续,进而产生声波反射,如此便在叉指换能器和反射栅的腔体内形成谐振。受温度影响,谐振的频率会发生改变。因此,只需测得变化的谐振频率,就可通过算式算出被测对象的温度。

  通过合理选择叉指换能器的尺寸、压电基片材料与切向,可使温度系数的高阶项接近于零,则温度与谐振频率呈近似线性关系。

  声表面波传感器具有无源、免维护、体积小、成本低等优点,常用于高压开关柜温度监测和高压输电电缆接头温度监测。声表面波测温技术仍在发展阶段,还存在传输距离短(一般只有0.5m)和稳定性不足的问题亟待解决。

  本文主要介绍了电信号传感系统测温、光信号传感系统测温以及无线类国内外常见的电缆接头测温方法,并阐述了各种测温方法的优缺点。在实际工程中,由于设备运行环境不同,资金投入不同,应综合评价各类测温方法,选取经济效益最优化的测温方式,以达到最好的电缆接头温度监测效果。在可以预见的将来,声表面波测温具有极大的应用前景,只要逐步攻克传输距离短和不够稳定的难题,声表面波传感器在电力系统中的运用就会越来越广泛。

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