王激華，陳建武，王彬栩，管金勝，楊躍平，孔彬，劉可龍

(國(guó)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(yùn)行經(jīng)驗(yàn)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(píng)估電纜中間接頭運(yùn)行狀態(tài)的一項(xiàng)重要參數(shù)。目前，常見(jiàn)的電纜運(yùn)行溫度監(jiān)測(cè)手段包括感溫電纜溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、熱敏電纜溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、紅外溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、光纖光柵測(cè)溫和分布式光纖溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。但當(dāng)前的應(yīng)用情況反映出，上述技術(shù)手段也存在一定的弊端：感溫、熱敏、紅外電纜溫度監(jiān)測(cè)手段測(cè)量存在一定誤差，不能準(zhǔn)確反映被測(cè)電纜線芯導(dǎo)體的實(shí)際溫度；光纖光柵測(cè)溫裝置成本高，且其因不夠接近待測(cè)的電纜線芯，故需要復(fù)雜的后續(xù)算法補(bǔ)償。

為克服上述現(xiàn)有電纜接頭測(cè)溫技術(shù)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(cè)溫裝置，其具備無(wú)源、無(wú)線、長(zhǎng)壽命（30年以上）等優(yōu)勢(shì)，可以滿足國(guó)家電網(wǎng)公司發(fā)布的《高壓電纜接頭內(nèi)置式導(dǎo)體測(cè)溫裝置技術(shù)規(guī)范》，不對(duì)電纜接頭的絕緣性能、密封性能及導(dǎo)電性能造成影響。該測(cè)溫裝置的整體結(jié)構(gòu)包含內(nèi)置測(cè)溫薄膜、讀取天線、讀取器和取點(diǎn)互感器，其中內(nèi)置式測(cè)溫傳感器厚度僅約2mm，具備輕、薄、柔的外形特點(diǎn)，可緊密地貼附于圓柱形電纜線芯的表面，直接測(cè)量電纜線芯導(dǎo)體溫度。

需要說(shuō)明的是，上述內(nèi)置式測(cè)溫薄膜的存在是否會(huì)影響整體電纜中間接頭正常運(yùn)行時(shí)的溫度場(chǎng)分布，仍需進(jìn)一步深入地探究。因此，本文通過(guò)有限元仿真手段，對(duì)內(nèi)置上述測(cè)溫薄膜的電纜中間接頭進(jìn)行電熱耦合仿真計(jì)算，研究不同工況下內(nèi)置測(cè)溫薄膜對(duì)電纜中間接頭溫度場(chǎng)分布的影響，以期為內(nèi)置式測(cè)溫傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能改進(jìn)提供指導(dǎo)。

1 建模仿真

高壓交聯(lián)聚乙烯電纜（XLPE）中間接頭主要為預(yù)制式。按照結(jié)構(gòu)形式的不同，預(yù)制式電纜接頭可分為組裝預(yù)制式和整體預(yù)制式。整體預(yù)制式接頭因絕緣界面少、安裝方便，得到了較為廣泛的應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)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(duì)稱結(jié)構(gòu)，可以將電纜接頭等效并簡(jiǎn)化為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)。本仿真以電壓等級(jí)為110kV、電纜導(dǎo)體橫截面積為900mm2的整體預(yù)制式電纜中間接頭為研究對(duì)象，所參考電纜的型號(hào)為3M公司生產(chǎn)的SC123T。根據(jù)該型號(hào)電纜接頭的實(shí)際尺寸，在COMSOL Multiphysics?多物理場(chǎng)仿真軟件中建立包含內(nèi)置測(cè)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(shè)置中，分別建立電流和固體傳熱物理場(chǎng)，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?？紤]到軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，在結(jié)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(jié)構(gòu)的相關(guān)電氣和傳熱參數(shù)典型取值如表1所示。

圖1 整體預(yù)制式電纜中間接頭結(jié)構(gòu)示意

2 仿真結(jié)果與討論

圖2 110kV電纜與整體預(yù)制式電纜中間接頭的仿真模型

2.1 整體穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分布

本文對(duì)不同電纜線芯溫度下內(nèi)置測(cè)溫傳感器的電纜中間接頭進(jìn)行電熱耦合仿真計(jì)算，提取關(guān)鍵部位溫度數(shù)據(jù)，與未內(nèi)置測(cè)溫傳感器時(shí)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，以研究不同電纜線芯溫度下內(nèi)置測(cè)溫傳感器對(duì)接頭溫度場(chǎng)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(cè)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(yù)制接頭主絕緣）中溫度分布則相對(duì)較為稀疏。該溫度場(chǎng)分布亦可表明，電纜接頭外護(hù)套附近的溫度與電纜線芯溫度之間的差異可達(dá)10℃以上，若將測(cè)溫傳感器安置于接頭主絕緣或護(hù)套外部，并不能準(zhǔn)確測(cè)得電纜線芯的實(shí)際溫度。正如引言中所述，這是現(xiàn)有電纜溫度監(jiān)測(cè)技術(shù)的弊端之一。

表1 電纜中間接頭相關(guān)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(jìn)一步可改變電纜線芯溫度，對(duì)不同工況下的溫度場(chǎng)分布變化進(jìn)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(cè)溫傳感器時(shí)的溫度分布如圖5所示，其中，測(cè)溫傳感器安置處的溫度為39.64℃。內(nèi)置測(cè)溫傳感器后的溫度分布如圖6所示。觀察可得，置入測(cè)溫傳感器后，電纜中間接頭內(nèi)的溫度場(chǎng)分布幾乎未發(fā)生變化，其中，測(cè)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(jì)。

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(cè)溫傳感器時(shí)的溫度分布如圖7所示，其中，測(cè)溫傳感器安置處的溫度為59.28℃。內(nèi)置測(cè)溫傳感器后的溫度分布如圖8所示。觀察可得，置入測(cè)溫傳感器后，電纜中間接頭內(nèi)的溫度場(chǎng)分布亦幾乎未發(fā)生變化，其中，測(cè)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(wú)內(nèi)置測(cè)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(cè)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(cè)溫傳感器時(shí)的溫度分布如圖9所示，其中，測(cè)溫傳感器安置處的溫度為88.92℃。內(nèi)置測(cè)溫傳感器后的溫度分布如圖10所示。觀察可得，置入測(cè)溫傳感器后，電纜中間接頭內(nèi)的溫度場(chǎng)分布亦幾乎未發(fā)生變化，其中，測(cè)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(jì)算結(jié)果，可以提取測(cè)溫傳感器安置處溫度數(shù)據(jù)，與未內(nèi)置測(cè)溫傳感器時(shí)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。由對(duì)比結(jié)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(gè)不同工況下，內(nèi)置測(cè)溫傳感器對(duì)安置點(diǎn)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(rèn)為內(nèi)置測(cè)溫傳感器對(duì)電纜中間接頭內(nèi)的溫度分布的影響均可忽略，測(cè)溫傳感器安置處溫度幾乎沒(méi)有顯著變化。

3 結(jié)語(yǔ)

圖7 無(wú)內(nèi)置測(cè)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(cè)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(wú)內(nèi)置測(cè)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(cè)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(cè)溫技術(shù)中存在的無(wú)法直接準(zhǔn)確測(cè)定電纜線芯溫度、成本高等問(wèn)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(cè)溫裝置，利用COMSOL多物理場(chǎng)仿真軟件對(duì)內(nèi)置上述測(cè)溫薄膜的電纜中間接頭進(jìn)行電熱耦合仿真計(jì)算，研究了不同線芯溫度工況下內(nèi)置測(cè)溫薄膜對(duì)電纜中間接頭溫度場(chǎng)分布的影響，以期為內(nèi)置式測(cè)溫傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能改進(jìn)提供指導(dǎo)。研究可得以下主要結(jié)論：

（1）內(nèi)置式測(cè)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(cè)量電纜線芯的真實(shí)溫度。

（2）安置測(cè)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(cè)溫傳感器對(duì)電纜中間接頭的溫度分布幾乎無(wú)影響，傳感器安置處無(wú)溫度集中現(xiàn)象。

（3）在30℃、60℃、90℃等多個(gè)不同的電纜線芯溫度工況下，內(nèi)置測(cè)溫傳感器均對(duì)電纜中間接頭內(nèi)的溫度分布無(wú)影響。內(nèi)置測(cè)溫傳感器對(duì)安置點(diǎn)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)。