胡超强

摘 要：电力工程是关乎国计民生的基础性工程，电力设备和系统的安全运行对于稳定社会发展、保障群众的生命财产安全至关重要。在输电系统中，电缆接头是电缆的关键性环节，同时也是薄弱环节，电缆接头位置的温度关系着整个电力设备系统的运行状况，因此加强电缆接头的温度测量显得尤为重要。文章以此为出发点设计了电缆接头温度的在线测量系统，首先分析了接头位置的传热特点和形式，然后利用有限元分析方法求解接头位置的温度场分布，采用光纤光栅传感器和精度较高的微型光谱仪设计温度系统，并通过包围方式安装传感器。

关键词：电力系统；电缆接头；温度测量；设计

电力电缆作为电力系统中的重要组成部分其运行状况关系着整个电力系统的整体运行状况。但是基于电缆接头的脆弱性导致其存在安全隐患的可能性极大，运行温度一旦超过了电缆所能承受的临界值就有可能引起火灾，进而造成大面积的停电，在影响了正常的工业生产和群众生活的同时还有可能给群众的生命安全带来极大威胁。目前常见的电缆温度测量技术如感温式电缆测温、热敏电阻式测温、红外传感式测温等均具有明显的劣势，因此，本文从创新性的角度出发设计分析了电缆接头在线测温技术。

1 电缆接头温度场分析

本文选取了市面上常见的10 kV交联电缆热缩附件JSY-10/1.2制作的电力电缆接头为主要的研究对象系统地分析了电缆接头的温度控制情况。在运行的过程中随着电缆负载的增大，接头处的温度逐渐升高，此之谓暂态过程。当电缆中的负载逐渐达到最大并稳定时，发热和散热达到平衡，因此对于长期处于工作中的电缆来说，可以认为其传热过程是稳定的。为了简化对电缆接头温度的分析，我们特此做了如下几点假设：（l）电力电缆接头处的整体为圆柱体，其他附件层为圆环。（2）长期运行过程中其表面与空气自然对流传热，当发热和散热达到平衡时，我们认为内部导体温度和外部表面温度的分布不变。（3）电缆接头附近的附件层的基本物理参数不受温度变化的影响。（4）电缆接头各个横截面处的基本情况均相同，可以看成一个平面场，即纵向方向上不存在温度梯度。（5）电芯导体温度为均匀的。（6）忽略线芯与接头附件及各层附件之间的接触热阻。基于电缆接头处的特殊结构，导致接头处的传热方式有热传导方式、热辐射方式，而对流传热则可以忽略不计。通过查阅相关文献，得知稳定运行时电缆接头处温度为90℃左右，而故障运行时则为250℃左右，因此温度场的分布可以看成是均匀的，各个介质的导热系数均为常数。当通过有限元分析软件ANSYS进行设计时，首先得到了单芯电缆接头发生故障和三芯电缆接头发生单芯故障时的电缆接头温度场[1]。

2 光纤光缆的传热原理

光纤光缆的传热基本原理如下：光纤布拉格光栅指的是单模掺锗光纤经过紫外线光照射成栅技术而形成的全新光纤型布拉格光栅，成栅后的光纤纤芯的折射率呈现出周期性的分布条纹并产生布拉格光栅效应。根据经典的耦合模理论，当宽带光从FBG中输出时，满足以下方程的光谱将被反射回来：λB=2n。ffA。其中λr、n和Λ分别为布拉格波长、光栅区的有效折射率和布拉格栅格周期。n和Λ对外界的温度变化和应力作用非常敏感，当温度发生变化或是存在拉伸或压缩应力时，n和Λ的值随之改变，从而可知布拉格发射波长^。也会随之改变。在我们的设计模型中，应力作用不包含在我们考虑的范围内，这样，通过收集λR数据并对其进行分析则可分析出温度變化情况[2]。

3 电力电缆接头温度测量系统结构设计

3.1测温系统的结构设计

测温系统的结构组成如图l所示，由图可知，该系统主要由宽带光源、环形器、光纤光栅传感器以及微型仪、上位机等组成。采用小型的ASE光源模块提供宽带光源，该光源模块具有稳定性高、安全性好以及功率大等特点。环形器采用的是可重构光环形器，利用其高质量的隔离度和良好的方向性的属性，提升系统运行的稳定性。采用可逆式l×4磁光开关，该开关具有响应速度快、使用寿命长等优点，可长期使用。

工作过程如下：宽带光源发出的光谱直接进入到环形器中，然后通过四通道光开关，每一个通道光开关均可连接多个布拉格光纤，进而组成光纤阵列，每一条光纤均可链接多个光纤传感器开关，相应的他们会将特定波长的窄带光谱经过可逆开关回传到环形器中，经过环形器的加工而传输到微型光谱仪解调系统。光谱仪解调系统再将调制信号传输到监控系统中，并在显示器上进行限制。这样技术人员通过查看相应的参数就可以实时了解接头温度参数。同时该系 统还可以实现温度数据的自动存储和检测，通过设置温度 上限来实现自动报警[3]。

3.2传感器优化设计

在无增敏条件下光栅光纤传感器的灵敏度不够，无法 满足实际工作需求，因此需要首先将其进行增敏封装设计。 本文中采用的是热膨胀系数较大的金属铝作为基底，首先 将布拉格光栅封装在石英管中，两头用环氧树脂进行封 装，再将铝板基底制作成凹槽状，将封好的石英管放在凹 槽中进行固定。传感器设计成了10 mmX40 mm的形状，这

样便于安装且可以延长伸缩量。这样经过封装处理的光栅 光纤的热敏感度是普通传感器的3.5倍，可以直接利用在工 业应用中[4]。

3.3安装方式的优化

传统的传感器安装多采用胶带粘接或是捆绑方式，在 .变化莫测的自然环境中容易出现较大的误差而造成巨大的安全事故。本文中设计了一种全新的传感器安装方式，即利用绝缘高压热缩带将传感器安装在电缆接头处，这种热缩带的热力学和机械性能较为稳定，具有较大的弹性，在高温条件下其弹性不易发生改变，利用这种材料将传感器“捆绑”在电缆接头位置一方面可以增大传感器与接头的接触面积和紧实度，另一方面还可以尽量地抵制外界应力对其性能造成的影响。同时要保证缠绕厚度大于等于4 mm。

4 结语

本文系统地分析了电力电缆接头温度测量的技术的重要性，并利用有限元分析方法设计了一套全新的接头温度测量系统，对工作原理和结构组成进行了重点分析，同时对结构优化设计、传感器优化设计以及安装方式的优化设计等进行了创新性分析，实践证明取得了良好的温度检测效果，可以在工业生产中进行大面积推广。

[参考文献]

[1]郭锐.电力电缆故障监测及预警系统的设计[J].科技创新与应用，2017（ 22）：94-95.

[2]朱五洲，廖雁群，赵鹏勃，等.电缆接头在线监测技术研究[J]自动化应用，2017 （5）：133-134

[3]韦亦龙，朱五洲，廖雁群，等.电缆接头温度监测技术探析[J].自动化应用，2017 （4）：72-73

[4]余涛.电缆接头温度在线监测系统[J].农村电气化，2017 （3）：34-35