胡超強(qiáng)

摘 要：電力工程是關(guān)乎國(guó)計(jì)民生的基礎(chǔ)性工程，電力設(shè)備和系統(tǒng)的安全運(yùn)行對(duì)于穩(wěn)定社會(huì)發(fā)展、保障群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全至關(guān)重要。在輸電系統(tǒng)中，電纜接頭是電纜的關(guān)鍵性環(huán)節(jié)，同時(shí)也是薄弱環(huán)節(jié)，電纜接頭位置的溫度關(guān)系著整個(gè)電力設(shè)備系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，因此加強(qiáng)電纜接頭的溫度測(cè)量顯得尤為重要。文章以此為出發(fā)點(diǎn)設(shè)計(jì)了電纜接頭溫度的在線測(cè)量系統(tǒng)，首先分析了接頭位置的傳熱特點(diǎn)和形式，然后利用有限元分析方法求解接頭位置的溫度場(chǎng)分布，采用光纖光柵傳感器和精度較高的微型光譜儀設(shè)計(jì)溫度系統(tǒng)，并通過(guò)包圍方式安裝傳感器。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；電纜接頭；溫度測(cè)量；設(shè)計(jì)

電力電纜作為電力系統(tǒng)中的重要組成部分其運(yùn)行狀況關(guān)系著整個(gè)電力系統(tǒng)的整體運(yùn)行狀況。但是基于電纜接頭的脆弱性導(dǎo)致其存在安全隱患的可能性極大，運(yùn)行溫度一旦超過(guò)了電纜所能承受的臨界值就有可能引起火災(zāi)，進(jìn)而造成大面積的停電，在影響了正常的工業(yè)生產(chǎn)和群眾生活的同時(shí)還有可能給群眾的生命安全帶來(lái)極大威脅。目前常見的電纜溫度測(cè)量技術(shù)如感溫式電纜測(cè)溫、熱敏電阻式測(cè)溫、紅外傳感式測(cè)溫等均具有明顯的劣勢(shì)，因此，本文從創(chuàng)新性的角度出發(fā)設(shè)計(jì)分析了電纜接頭在線測(cè)溫技術(shù)。

1 電纜接頭溫度場(chǎng)分析

本文選取了市面上常見的10 kV交聯(lián)電纜熱縮附件JSY-10/1.2制作的電力電纜接頭為主要的研究對(duì)象系統(tǒng)地分析了電纜接頭的溫度控制情況。在運(yùn)行的過(guò)程中隨著電纜負(fù)載的增大，接頭處的溫度逐漸升高，此之謂暫態(tài)過(guò)程。當(dāng)電纜中的負(fù)載逐漸達(dá)到最大并穩(wěn)定時(shí)，發(fā)熱和散熱達(dá)到平衡，因此對(duì)于長(zhǎng)期處于工作中的電纜來(lái)說(shuō)，可以認(rèn)為其傳熱過(guò)程是穩(wěn)定的。為了簡(jiǎn)化對(duì)電纜接頭溫度的分析，我們特此做了如下幾點(diǎn)假設(shè)：（l）電力電纜接頭處的整體為圓柱體，其他附件層為圓環(huán)。（2）長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中其表面與空氣自然對(duì)流傳熱，當(dāng)發(fā)熱和散熱達(dá)到平衡時(shí)，我們認(rèn)為內(nèi)部導(dǎo)體溫度和外部表面溫度的分布不變。（3）電纜接頭附近的附件層的基本物理參數(shù)不受溫度變化的影響。（4）電纜接頭各個(gè)橫截面處的基本情況均相同，可以看成一個(gè)平面場(chǎng)，即縱向方向上不存在溫度梯度。（5）電芯導(dǎo)體溫度為均勻的。（6）忽略線芯與接頭附件及各層附件之間的接觸熱阻?；陔娎|接頭處的特殊結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致接頭處的傳熱方式有熱傳導(dǎo)方式、熱輻射方式，而對(duì)流傳熱則可以忽略不計(jì)。通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)，得知穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)電纜接頭處溫度為90℃左右，而故障運(yùn)行時(shí)則為250℃左右，因此溫度場(chǎng)的分布可以看成是均勻的，各個(gè)介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)均為常數(shù)。當(dāng)通過(guò)有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，首先得到了單芯電纜接頭發(fā)生故障和三芯電纜接頭發(fā)生單芯故障時(shí)的電纜接頭溫度場(chǎng)[1]。

2 光纖光纜的傳熱原理

光纖光纜的傳熱基本原理如下：光纖布拉格光柵指的是單模摻鍺光纖經(jīng)過(guò)紫外線光照射成柵技術(shù)而形成的全新光纖型布拉格光柵，成柵后的光纖纖芯的折射率呈現(xiàn)出周期性的分布條紋并產(chǎn)生布拉格光柵效應(yīng)。根據(jù)經(jīng)典的耦合模理論，當(dāng)寬帶光從FBG中輸出時(shí)，滿足以下方程的光譜將被反射回來(lái)：λB=2n。ffA。其中λr、n和Λ分別為布拉格波長(zhǎng)、光柵區(qū)的有效折射率和布拉格柵格周期。n和Λ對(duì)外界的溫度變化和應(yīng)力作用非常敏感，當(dāng)溫度發(fā)生變化或是存在拉伸或壓縮應(yīng)力時(shí)，n和Λ的值隨之改變，從而可知布拉格發(fā)射波長(zhǎng)^。也會(huì)隨之改變。在我們的設(shè)計(jì)模型中，應(yīng)力作用不包含在我們考慮的范圍內(nèi)，這樣，通過(guò)收集λR數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行分析則可分析出溫度變化情況[2]。

3 電力電纜接頭溫度測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1測(cè)溫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

測(cè)溫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖l所示，由圖可知，該系統(tǒng)主要由寬帶光源、環(huán)形器、光纖光柵傳感器以及微型儀、上位機(jī)等組成。采用小型的ASE光源模塊提供寬帶光源，該光源模塊具有穩(wěn)定性高、安全性好以及功率大等特點(diǎn)。環(huán)形器采用的是可重構(gòu)光環(huán)形器，利用其高質(zhì)量的隔離度和良好的方向性的屬性，提升系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。采用可逆式l×4磁光開關(guān)，該開關(guān)具有響應(yīng)速度快、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，可長(zhǎng)期使用。

工作過(guò)程如下：寬帶光源發(fā)出的光譜直接進(jìn)入到環(huán)形器中，然后通過(guò)四通道光開關(guān)，每一個(gè)通道光開關(guān)均可連接多個(gè)布拉格光纖，進(jìn)而組成光纖陣列，每一條光纖均可鏈接多個(gè)光纖傳感器開關(guān)，相應(yīng)的他們會(huì)將特定波長(zhǎng)的窄帶光譜經(jīng)過(guò)可逆開關(guān)回傳到環(huán)形器中，經(jīng)過(guò)環(huán)形器的加工而傳輸?shù)轿⑿凸庾V儀解調(diào)系統(tǒng)。光譜儀解調(diào)系統(tǒng)再將調(diào)制信號(hào)傳輸?shù)奖O(jiān)控系統(tǒng)中，并在顯示器上進(jìn)行限制。這樣技術(shù)人員通過(guò)查看相應(yīng)的參數(shù)就可以實(shí)時(shí)了解接頭溫度參數(shù)。同時(shí)該系 統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的自動(dòng)存儲(chǔ)和檢測(cè)，通過(guò)設(shè)置溫度 上限來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警[3]。

3.2傳感器優(yōu)化設(shè)計(jì)

在無(wú)增敏條件下光柵光纖傳感器的靈敏度不夠，無(wú)法 滿足實(shí)際工作需求，因此需要首先將其進(jìn)行增敏封裝設(shè)計(jì)。 本文中采用的是熱膨脹系數(shù)較大的金屬鋁作為基底，首先 將布拉格光柵封裝在石英管中，兩頭用環(huán)氧樹脂進(jìn)行封 裝，再將鋁板基底制作成凹槽狀，將封好的石英管放在凹 槽中進(jìn)行固定。傳感器設(shè)計(jì)成了10 mmX40 mm的形狀，這

樣便于安裝且可以延長(zhǎng)伸縮量。這樣經(jīng)過(guò)封裝處理的光柵 光纖的熱敏感度是普通傳感器的3.5倍，可以直接利用在工 業(yè)應(yīng)用中[4]。

3.3安裝方式的優(yōu)化

傳統(tǒng)的傳感器安裝多采用膠帶粘接或是捆綁方式，在 .變化莫測(cè)的自然環(huán)境中容易出現(xiàn)較大的誤差而造成巨大的安全事故。本文中設(shè)計(jì)了一種全新的傳感器安裝方式，即利用絕緣高壓熱縮帶將傳感器安裝在電纜接頭處，這種熱縮帶的熱力學(xué)和機(jī)械性能較為穩(wěn)定，具有較大的彈性，在高溫條件下其彈性不易發(fā)生改變，利用這種材料將傳感器“捆綁”在電纜接頭位置一方面可以增大傳感器與接頭的接觸面積和緊實(shí)度，另一方面還可以盡量地抵制外界應(yīng)力對(duì)其性能造成的影響。同時(shí)要保證纏繞厚度大于等于4 mm。

4 結(jié)語(yǔ)

本文系統(tǒng)地分析了電力電纜接頭溫度測(cè)量的技術(shù)的重要性，并利用有限元分析方法設(shè)計(jì)了一套全新的接頭溫度測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)工作原理和結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行了重點(diǎn)分析，同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、傳感器優(yōu)化設(shè)計(jì)以及安裝方式的優(yōu)化設(shè)計(jì)等進(jìn)行了創(chuàng)新性分析，實(shí)踐證明取得了良好的溫度檢測(cè)效果，可以在工業(yè)生產(chǎn)中進(jìn)行大面積推廣。

[參考文獻(xiàn)]

[1]郭銳.電力電纜故障監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2017（ 22）：94-95.

[2]朱五洲，廖雁群，趙鵬勃，等.電纜接頭在線監(jiān)測(cè)技術(shù)研究[J]自動(dòng)化應(yīng)用，2017 （5）：133-134

[3]韋亦龍，朱五洲，廖雁群，等.電纜接頭溫度監(jiān)測(cè)技術(shù)探析[J].自動(dòng)化應(yīng)用，2017 （4）：72-73

[4]余濤.電纜接頭溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].農(nóng)村電氣化，2017 （3）：34-35