內(nèi)置測溫傳感器對高壓電纜中間接頭內(nèi)溫度場分布的影響

王激華，陳建武，王彬栩，管金勝，楊躍平，孔彬，劉可龍

(國網(wǎng)浙江省電力有限公司寧波供電公司，浙江 寧波 315012)

高壓電纜系統(tǒng)由電纜本體和附件所組成，附件包含了中間接頭和終端兩部分。多年的運行經(jīng)驗顯示，電纜中間接頭發(fā)生故障數(shù)量占到電纜系統(tǒng)總故障數(shù)量的一半以上。溫度是評估電纜中間接頭運行狀態(tài)的一項重要參數(shù)。目前，常見的電纜運行溫度監(jiān)測手段包括感溫電纜溫度監(jiān)測系統(tǒng)、熱敏電纜溫度監(jiān)測系統(tǒng)、紅外溫度監(jiān)測系統(tǒng)、光纖光柵測溫和分布式光纖溫度監(jiān)測系統(tǒng)等。但當前的應用情況反映出，上述技術手段也存在一定的弊端：感溫、熱敏、紅外電纜溫度監(jiān)測手段測量存在一定誤差，不能準確反映被測電纜線芯導體的實際溫度；光纖光柵測溫裝置成本高，且其因不夠接近待測的電纜線芯，故需要復雜的后續(xù)算法補償。

為克服上述現(xiàn)有電纜接頭測溫技術的弊端，本文提出了一種基于壓電薄膜的新型高壓電纜接頭內(nèi)置式測溫裝置，其具備無源、無線、長壽命（30年以上）等優(yōu)勢，可以滿足國家電網(wǎng)公司發(fā)布的《高壓電纜接頭內(nèi)置式導體測溫裝置技術規(guī)范》，不對電纜接頭的絕緣性能、密封性能及導電性能造成影響。該測溫裝置的整體結構包含內(nèi)置測溫薄膜、讀取天線、讀取器和取點互感器，其中內(nèi)置式測溫傳感器厚度僅約2mm，具備輕、薄、柔的外形特點，可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。

需要說明的是，上述內(nèi)置式測溫薄膜的存在是否會影響整體電纜中間接頭正常運行時的溫度場分布，仍需進一步深入地探究。因此，本文通過有限元仿真手段，對內(nèi)置上述測溫薄膜的電纜中間接頭進行電熱耦合仿真計算，研究不同工況下內(nèi)置測溫薄膜對電纜中間接頭溫度場分布的影響，以期為內(nèi)置式測溫傳感器的結構設計和性能改進提供指導。

1 建模仿真

高壓交聯(lián)聚乙烯電纜（XLPE）中間接頭主要為預制式。按照結構形式的不同，預制式電纜接頭可分為組裝預制式和整體預制式。整體預制式接頭因絕緣界面少、安裝方便，得到了較為廣泛的應用，其結構示意如圖1所示。

考慮到電纜本體和中間接頭主體的主要組成部分均為軸對稱結構，可以將電纜接頭等效并簡化為軸對稱結構。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研究對象，所參考電纜的型號為3M公司生產(chǎn)的SC123T。根據(jù)該型號電纜接頭的實際尺寸，在COMSOL Multiphysics?多物理場仿真軟件中建立包含內(nèi)置測溫裝置的110kV電纜中間接頭的仿真模型，如圖2所示。在模型設置中，分別建立電流和固體傳熱物理場，并采用電磁熱模塊將兩者耦合。單芯電纜的相電壓有效值約為63.5kV。考慮到軸對稱結構，在結果分析中，可以圖3中的下邊界為軸旋轉(zhuǎn)360°得到三維模型。電熱耦合仿真所需的電纜中間接頭部分結構的相關電氣和傳熱參數(shù)典型取值如表1所示。

圖1 整體預制式電纜中間接頭結構示意

2 仿真結果與討論

圖2 110kV電纜與整體預制式電纜中間接頭的仿真模型

2.1 整體穩(wěn)態(tài)溫度場分布

本文對不同電纜線芯溫度下內(nèi)置測溫傳感器的電纜中間接頭進行電熱耦合仿真計算，提取關鍵部位溫度數(shù)據(jù)，與未內(nèi)置測溫傳感器時的計算結果進行對比分析，以研究不同電纜線芯溫度下內(nèi)置測溫傳感器對接頭溫度場分布產(chǎn)生的影響。

在電纜線芯溫度為60℃、環(huán)境溫度為20℃的工況下，由COMSOL仿真得到的內(nèi)置測溫裝置的110kV電纜中間接頭內(nèi)的穩(wěn)態(tài)溫度分布和等溫線如圖3、4所示。整體而言，電纜中間接頭內(nèi)的溫度由軸心沿徑向逐漸降低。電纜本體的絕緣中溫度分布均勻且密集，而電纜接頭的絕緣（尤其是預制接頭主絕緣）中溫度分布則相對較為稀疏。該溫度場分布亦可表明，電纜接頭外護套附近的溫度與電纜線芯溫度之間的差異可達10℃以上，若將測溫傳感器安置于接頭主絕緣或護套外部，并不能準確測得電纜線芯的實際溫度。正如引言中所述，這是現(xiàn)有電纜溫度監(jiān)測技術的弊端之一。

表1 電纜中間接頭相關電氣和傳熱參數(shù)

圖3 110kV電纜中間接頭內(nèi)的穩(wěn)態(tài)溫度分布（電纜線芯60℃、環(huán)境溫度20℃）

圖4 110kV電纜中間接頭的等溫線分布（電纜線芯60℃、環(huán)境溫度20℃）

2.2 不同電纜線芯溫度下的穩(wěn)態(tài)溫度分布

進一步可改變電纜線芯溫度，對不同工況下的溫度場分布變化進行研究。在電纜線芯溫度為40℃、環(huán)境溫度為20℃的工況下，未內(nèi)置測溫傳感器時的溫度分布如圖5所示，其中，測溫傳感器安置處的溫度為39.64℃。內(nèi)置測溫傳感器后的溫度分布如圖6所示。觀察可得，置入測溫傳感器后，電纜中間接頭內(nèi)的溫度場分布幾乎未發(fā)生變化，其中，測溫傳感器安置處的溫度為39.85℃，與置入傳感器前的差異僅為0.21℃，幾乎可忽略不計。

在電纜線芯溫度為60℃、環(huán)境溫度為20℃的工況下，未內(nèi)置測溫傳感器時的溫度分布如圖7所示，其中，測溫傳感器安置處的溫度為59.28℃。內(nèi)置測溫傳感器后的溫度分布如圖8所示。觀察可得，置入測溫傳感器后，電纜中間接頭內(nèi)的溫度場分布亦幾乎未發(fā)生變化，其中，測溫傳感器安置處的溫度為59.69℃，與置入傳感器前的差異僅為0.41℃，幾乎可以忽略。

圖5 無內(nèi)置測溫傳感器的電纜接頭內(nèi)溫度分布（電纜線芯40℃、環(huán)境溫度20℃）

圖6 內(nèi)置測溫傳感器的電纜接頭內(nèi)溫度分布（電纜線芯40℃、環(huán)境溫度20℃）

在電纜線芯溫度為90℃、環(huán)境溫度為20℃的工況下，未內(nèi)置測溫傳感器時的溫度分布如圖9所示，其中，測溫傳感器安置處的溫度為88.92℃。內(nèi)置測溫傳感器后的溫度分布如圖10所示。觀察可得，置入測溫傳感器后，電纜中間接頭內(nèi)的溫度場分布亦幾乎未發(fā)生變化，其中，測溫傳感器安置處的溫度為89.54℃，與置入傳感器前的差異僅為0.62℃，幾乎可以忽略。

根據(jù)上述仿真計算結果，可以提取測溫傳感器安置處溫度數(shù)據(jù)，與未內(nèi)置測溫傳感器時的計算結果進行對比分析。由對比結果可得，在環(huán)境溫度恒定為20℃，電纜線芯溫度為40℃、60℃、90℃等多個不同工況下，內(nèi)置測溫傳感器對安置點處溫度分布的影響百分比分別為0.53%、0.69%、0.70%，均在工程允許誤差范圍內(nèi)。因此，可以認為內(nèi)置測溫傳感器對電纜中間接頭內(nèi)的溫度分布的影響均可忽略，測溫傳感器安置處溫度幾乎沒有顯著變化。

3 結語

圖7 無內(nèi)置測溫傳感器的電纜接頭內(nèi)溫度分布（電纜線芯60℃、環(huán)境溫度20℃）

圖8 內(nèi)置測溫傳感器的電纜接頭內(nèi)溫度分布（電纜線芯60℃、環(huán)境溫度20℃）

圖9 無內(nèi)置測溫傳感器的電纜接頭內(nèi)溫度分布（電纜線芯90℃、環(huán)境溫度20℃）

圖10 內(nèi)置測溫傳感器的電纜接頭內(nèi)溫度分布（電纜線芯90℃、環(huán)境溫度20℃）

為克服現(xiàn)有電纜接頭測溫技術中存在的無法直接準確測定電纜線芯溫度、成本高等問題，本文提出了一種基于壓電薄膜的新型高壓電纜接頭內(nèi)置式測溫裝置，利用COMSOL多物理場仿真軟件對內(nèi)置上述測溫薄膜的電纜中間接頭進行電熱耦合仿真計算，研究了不同線芯溫度工況下內(nèi)置測溫薄膜對電纜中間接頭溫度場分布的影響，以期為內(nèi)置式測溫傳感器的結構設計和性能改進提供指導。研究可得以下主要結論：

（1）內(nèi)置式測溫傳感器具有輕、薄、柔的外型和穩(wěn)定的材料特性，可緊密貼附在電纜線芯（或壓接管）的表面，直接測量電纜線芯的真實溫度。

（2）安置測溫傳感器前后，電纜中間接頭內(nèi)的溫度分布幾乎未發(fā)生變化，表面該內(nèi)置式測溫傳感器對電纜中間接頭的溫度分布幾乎無影響，傳感器安置處無溫度集中現(xiàn)象。

（3）在30℃、60℃、90℃等多個不同的電纜線芯溫度工況下，內(nèi)置測溫傳感器均對電纜中間接頭內(nèi)的溫度分布無影響。內(nèi)置測溫傳感器對安置點處溫度分布的影響百分比分別為0.53%、0.69%、0.70%，均在工程允許誤差范圍內(nèi)。