王激華，王彬栩，楊躍平，管金勝，陳建武，劉可龍，施晶垚

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

溫度是評估電纜中間接頭運(yùn)行狀態(tài)的一項重要參數(shù)。運(yùn)行溫度過高時，加速絕緣老化，從而降低絕緣壽命；運(yùn)行溫度過低時，不能充分利用其負(fù)載能力，造成資源浪費(fèi)。近年來，電纜接頭溫度監(jiān)測技術(shù)逐漸成熟，相關(guān)較為有效的監(jiān)測手段得到了較廣泛的應(yīng)用。國內(nèi)主要的高壓與超高壓電纜線路均已經(jīng)廣泛應(yīng)用傳統(tǒng)的人工巡視或者分布式光纖測溫系統(tǒng)。

國家電網(wǎng)公司于2017年發(fā)布了《高壓電纜接頭內(nèi)置式導(dǎo)體測溫裝置技術(shù)規(guī)范》，其中明確規(guī)定：測溫裝置不應(yīng)影響電纜接頭的絕緣性能、密封性能及導(dǎo)電性能；當(dāng)裝置出現(xiàn)異常或損壞時，不應(yīng)對被監(jiān)測的電纜接頭造成損壞。

為了克服現(xiàn)有電纜接頭測溫技術(shù)存在的部分缺陷，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，可以滿足上述高壓電纜測溫的相應(yīng)技術(shù)規(guī)范。該測溫裝置的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中，內(nèi)置式測溫傳感器具備輕、薄、柔的外觀形態(tài)特點(diǎn)，可以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(dǎo)體溫度。通過無線傳輸，內(nèi)置式無源測溫薄膜可將溫度信號傳輸?shù)诫娎|接頭本體外部的讀取天線和讀取器等現(xiàn)場裝置。由于讀取器中的控制電路需要外部電源，方便起見，讀取器可由安裝在電纜本體外的取電互感器供電。

圖1 一種新型高壓電纜接頭內(nèi)置式導(dǎo)體測溫裝置

需要說明的是，雖然上述內(nèi)置式測溫薄膜厚度僅為2mm，且具有穩(wěn)定的材料特性，但其存在是否會影響整體電纜中間接頭的絕緣性能、導(dǎo)電性能等性能以及電纜中間接頭正常運(yùn)行時的電場分布，仍需進(jìn)一步深入的探究?？紤]到關(guān)于內(nèi)置式測溫裝置對電纜內(nèi)部電場分布影響的仿真研究極少，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(jìn)行電場仿真計算，研究不同工況下該內(nèi)置測溫薄膜對電纜中間接頭電場分布的影響。

1 仿真模型

盡管本文主要研究對象為電纜中間接頭，為避免端部效應(yīng)影響電場仿真結(jié)果，在仿真中仍需要將與中間接頭連接的部分電纜本體納入建?？紤]。為方便分析和計算，可對電纜中間接頭做一定程度的簡化，以部分電纜與整體預(yù)制式電纜中間接頭的四分之一結(jié)構(gòu)作為建模對象。本仿真以電壓等級為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例。按照與實際尺寸1：1比例，通過COMSOL Multiphysics?多物理場仿真軟件建立內(nèi)置測溫裝置的110kV電纜中間接頭的仿真模型，如圖2所示。仿真模型中所需的電纜與電纜中間接頭部分結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)典型取值如表1、2所示。

圖2 110kV電纜與整體預(yù)制式電纜中間接頭的四分之一結(jié)構(gòu)

表1 電纜本體相關(guān)參數(shù)

2 仿真結(jié)果與討論

2.1 電纜中間接頭的電場分布

未內(nèi)置測溫傳感器的電纜接頭的電場強(qiáng)度分布及其等值線如圖3、4所示。觀察可得，XLPE中的電場強(qiáng)度最大，而硅橡膠和預(yù)制接頭主絕緣中的電場強(qiáng)度則較小，該現(xiàn)象由不同絕緣材料的介電常數(shù)間的較大差異導(dǎo)致。電纜中間接頭內(nèi)的電場強(qiáng)度最大值約為3.28kV/mm，其出現(xiàn)在應(yīng)力錐的根部和壓接管的尖端。同時，上述兩處位置附近存在著較為明顯的電場畸變。

表2 電纜中間接頭相關(guān)參數(shù)

圖3 無內(nèi)置測溫傳感器的電纜接頭的電場強(qiáng)度分布

圖4 無內(nèi)置測溫傳感器的電纜接頭的電場強(qiáng)度等值線分布

電纜接頭內(nèi)置測溫傳感器后，其內(nèi)部電場強(qiáng)度分布及其等值線如圖5、6所示。觀察可得，安置測溫傳感器后，電纜接頭的電場強(qiáng)度分布整體幾乎未發(fā)生變化，僅在傳感器尖端與主絕緣交界處存在極其微小的畸變，但幾乎可以忽略。換言之，內(nèi)置測溫傳感器對電纜接頭內(nèi)的電場強(qiáng)度分布幾乎無影響，且傳感器植入部位無場強(qiáng)集中現(xiàn)象。

圖5 內(nèi)置測溫傳感器的電纜接頭的電場強(qiáng)度分布

圖6 內(nèi)置測溫傳感器的電纜接頭的電場強(qiáng)度等值線分布

2.2 電纜中間接頭中部截面上的電場分布

進(jìn)一步，可以在電纜接頭正中間垂直軸向截取二維截面，對該截面上的電場分布進(jìn)行研究。未內(nèi)置測溫傳感器時的電場強(qiáng)度分布及其等值線如圖7所示，其中，紅色箭頭表示截面上的徑向電場方向。觀察可得，電纜接頭電場強(qiáng)度由軸心沿徑向逐漸減小；截面上的電場強(qiáng)度最大值出現(xiàn)在壓接管與硅橡膠主絕緣的交界面上，其值約為1.45kV/mm。

圖7 無內(nèi)置測溫傳感器的電纜接頭中部截面上的電場強(qiáng)度分布

圖8 內(nèi)置測溫傳感器的電纜接頭中部截面上的電場強(qiáng)度分布

內(nèi)置測溫傳感器后，電纜接頭中部截面上的電場強(qiáng)度分布如圖8所示。觀察可得，該截面上的電場強(qiáng)度分布整體幾乎未發(fā)生變化，僅在測溫傳感器與主絕緣交界處存在極其微小的畸變，但幾乎可以忽略。上述結(jié)果可進(jìn)一步說明內(nèi)置測溫傳感器對電纜接頭內(nèi)的電場強(qiáng)度分布幾乎無影響。

2.3 徑向電場分布

進(jìn)一步，可以在電纜接頭正中間沿徑向畫出一條截線，對該截線上的徑向電場分布進(jìn)行研究。未內(nèi)置測溫傳感器時的電纜接頭中部徑向電場強(qiáng)度分布如圖9所示，截線上的最大值出現(xiàn)在壓接管與硅橡膠主絕緣的交界處，其值約為1.45 kV/mm。內(nèi)置測溫傳感器后，電纜接頭中部徑向電場強(qiáng)度分布如圖10所示。觀察可得，該截線上的電場強(qiáng)度分布整體幾乎未發(fā)生變化，僅在測溫傳感器與主絕緣交界處存在微小程度的畸變，但幾乎可以忽略；截線上的最大值仍出現(xiàn)在壓接管與硅橡膠主絕緣的交界面上，其值約為1.43kV/mm。上述結(jié)果可以進(jìn)一步說明內(nèi)置測溫傳感器對電纜接頭內(nèi)的徑向電場強(qiáng)度分布影響極小。

圖9 無內(nèi)置測溫傳感器的電纜接頭中部徑向電場強(qiáng)度分布

3 結(jié)語

圖10 內(nèi)置測溫傳感器的電纜接頭中部徑向電場強(qiáng)度分布

本文提出了一種基于壓電薄膜的柔性內(nèi)置式測溫傳感器，通過COMSOL Multiphysics?多物理場仿真軟件建立了內(nèi)置測溫裝置的110kV電纜中間接頭的仿真模型，對其進(jìn)行了電場仿真計算，研究了內(nèi)置測溫薄膜對電纜中間接頭電場分布的影響。通過研究可得以下主要結(jié)論：

（1）內(nèi)置式測溫傳感器因輕、薄、柔的外觀形態(tài)特點(diǎn)，可以緊密地貼附于電纜線芯的表面，真實反映電纜線芯導(dǎo)體的實時溫度。傳感器與讀取天線之間采用無線數(shù)據(jù)傳輸，信號可穿透電纜接頭本體，不改變電纜接頭的結(jié)構(gòu)。

（2）通過仿真可得，該內(nèi)置式無線測溫裝置對高壓電纜中間接頭內(nèi)部電場分布的影響極小。相比未內(nèi)置測溫傳感器時的情況，電勢和電場強(qiáng)度分布僅在測溫傳感器與硅橡膠主絕緣交界處存在極其微小的畸變，但幾乎可以忽略，且傳感器植入部位并未呈現(xiàn)電勢和場強(qiáng)集中現(xiàn)象。因此，可以認(rèn)為增加電纜線芯測溫傳感器對電纜中間接頭的電場分布無影響。