基于热路法的环网柜T型电缆接头导体温度检测研究

仝子靖， 周年荣， 段泉圣， 何 程， 王亚臣， 晋雪婷

(1.云南电网有限责任公司 电力科学研究院，云南 昆明 650217； 2.华北电力大学 控制与计算机工程学院， 北京 102206; 3.华北电力设计院有限公司， 北京 100120； 4.西安交通利物浦大学 电气与电子工程系，江苏 苏州 215123)

基于热路法的环网柜T型电缆接头导体温度检测研究

仝子靖1,2， 周年荣1， 段泉圣2， 何 程1， 王亚臣3， 晋雪婷4

(1.云南电网有限责任公司电力科学研究院，云南昆明650217；2.华北电力大学控制与计算机工程学院，北京102206;3.华北电力设计院有限公司，北京100120；4.西安交通利物浦大学电气与电子工程系，江苏苏州215123)

针对目前环网柜电缆温度监测方法的不足之处，基于改进的热路模型，提出了一种环网柜T型电缆接头温度在线监测方法。该方法仅需检测出T型绝缘护套和环境温度即可反演出内部导体温度，搭建了模拟环网柜内T型连接头真实运行状况的实验平台，进行了电缆温升实验，利用实测值与计算值对比，验证了热路模型的正确性。实验数据表明：稳态时计算结果的相对误差小于5.4 %；暂态时计算结果的相对误差小于9.0 %。利用热路模型可以实时监测电缆接头温度状况，保障了环网柜和电缆线路的安全运行。

T型电缆接头； 温度场； 热路法； 温度监测

0 引 言

T型电缆接头是环网柜的重要组成部件，其温度状态是衡量环网柜是否正常运行的关键指标。电气设备在工作中存在损耗，使电气设备温度升高[1～4]。温度过高也会使绝缘材料碳化，降低护套的绝缘性，导致线路损坏等事故[5～7]。因此，有必要对环网柜T型连接头导体温度进行监测，对保证环网柜正常运行具有重要意义。

目前,实际工程中检测电缆接头导体温度主要根据IEC 60287标准建立电缆接头的热路模型，利用接头表面温度反演出内部导体温度[8]。但是仍见该方法应用于环网柜T型接头的温度检测中，同时该方法对于暂态温度场的计算不够精确，因为各层材料的热阻、热容均为温度函数，会随温度变化，导致导体暂态温度难以准确计算[9]。

本文在IEC 60287标准建立的热路模型基础上，根据传热学知识，采用改进的热路法对环网柜T型连接头的温度场进行了数学建模，建立测点温度与导体温度之间的数学关系，从而可以利用绝缘护套表面温度计算出T型接头内部导体温度。改进的热路模型可实时更新T型接头的热物性参数值，利用迭代法提升温度场的计算精度，从而可以更准确测量出内部导体温度。同时搭建了实验平台，进行了电缆温升实验，验证了模型的正确性。

1 T型电缆接头的热路模型

1.1 T型电缆接头结构

环网柜T型连接头结构如图1所示。T型绝缘护套主要分为半导电内芯管、中间绝缘层和半导电外蒙层三部分，电缆线芯由应力锥固定，通过接线端子与导电杆连接。

图1 T型连接头结构

根据环网柜T型接头故障统计可知，接线端子与电缆连接处由于存在虚接或应力锥安装不到位等原因，最容易出现过热现象[10]，导致故障的发生。接线端子与电缆连接处的截面如图2所示。

图2 T型连接头截面

利用ANSYS对环网柜T型接头的温度场模型进行传热分析，如图3所示，可以看出：接线端子处的温度最高，与故障统计中的结果相符，因此,有必要对该部位的温度进行监测，当温度过高时发出预警，避免内部导体过热而损坏T型连接头。

图3 ANSYS温度仿真

1.2 热路模型原理

电场与热场的对应关系如表1所示。

表1 电场与热场对应关系

根据电场与热场的对应关系，便可建立相应的热路模型计算内部导体温度[11～13]。当温度场处于稳态时，可将特定温度下的热物性参数代入计算，其计算结果也能达到预定精度。但是当温度变化时，温度场处于暂态，由于热阻、损耗、热容均为温度的函数，温度变化时热物性参数也随之变化，如果仍将特定温度下的热物性参数代入计算，会对计算精度产生较大影响。要提升热路模型的准确度，首先需要考虑到各层材料的热容变化的影响，并且实时计算出各部件的其他热物性参数，再代入模型中求解当前的导体温度。基于稳态热路法，提出了改进的T型连接头热路模型，其等效热路如图4所示。

图4 T型电缆接头改进热路模型

利用节点电压法对等效热路列出节点方程

(1)

由温度传感器检测得到环境温度T5与绝缘护套表面温度T6，再实时计算出各层的热物性参数，采用迭代法进行运算，便可由式(1)反推出内部导体温度T0。

1.3 热路模型的参数计算

1.3.1 损耗计算

1)导体损耗

根据焦耳定律可知，单位时间内导体产生的热量为

Q0=I2R

(2)

单位长度的导体交流电阻值为

R=R′(1+YS+YP)

(3)

式中R′为导体直流电阻；YS为集肤效应因数；YP为临近效应因数，取YP=0；直流电阻值为

(4)

式中ρ20为20 ℃时导体的电阻率；A为导体横截面积；α为电阻温度系数；T0为导体温度。

集肤效应因数为

(5)

(6)

式中f为电源频率；kS为经验值，对于干燥的铜导线取1。

2)绝缘损耗

绝缘材料在交变电场的作用下，在介质内部引起的能量损耗，称为绝缘损耗。单位长度电缆的绝缘损耗Wd的计算公式为

(7)

式中 频率f=50 Hz；额定电压U0=10 kV；Φ为功率因数角;tanδ为介质损耗因素，δ称为介质损耗角，为Φ的余角；C为单位长度电缆电容，F/m。

对于圆形导体电容

(8)

式中ε为绝缘材料的介电系数；Di为绝缘层直径；dc为导体直径。

可利用此公式推导出电缆主绝缘层，应力锥，等效硅脂层，中间绝缘层，绝缘护套外蒙皮等各个部分的损耗。

1.3.2 热阻计算

1)绝缘层热阻

(9)

式中ρT为绝缘材料的热阻系数；G为几何因数。

对于单芯电缆，绝缘电阻R1可表示为

(10)

式中t1为绝缘层厚度。

可利用此公式分别推导出电缆各个部分的热阻。

2)空气热阻

自由空气的热阻R6为

(11)

式中DE为电缆外径；ΔθS为电缆表面温度与环境温度的差值；h为对流换热系数。

1.3.3 热容计算

1)导体热容

(12)

式中δ铜为导体体积热容。

2)绝缘层热容

(13)

式中Di为绝缘外径；δ绝缘层为绝缘层体积热容。

1.4 改进热路法的计算流程

为了更精确地计算出内部导体温度，需要实时更新T型连接头的热物性参数，可采用迭代的方法进行导体的暂态温度计算，其计算流程如图5所示。在利用热路法计算导体温度的初始阶段，假设导体温度为一个特定值T0，再进行各个部件热物性参数的计算，反演出导体温度T，得到△T=|T-T0|,当△T大于预设精度ε时，需要重新计算当前的热物性参数，直到计算结果满足精度为止；当△T小于预设精度ε时，计算结果达到精度要求，T即为当前内部导体温度。

图5 改进热路模型计算导体温度流程

2 实验装置与实验方法

为了验证T型连接头改进热路模型的正确性，搭建了实验平台以模拟环网柜的真实运行状态，平台结构如图6所示。在电缆温升实验中采用温度传感器监测T型连接头表皮温度、导体温度和环境温度，全程进行温度监测与数据存储，每隔1 min进行一次数据采集。利用该实验平台进行了不同负载的电缆温升实验，先后将电流加载至630，800，680，520A，总时长为650 min。每加载到某一特定电流时保持一段时间至其温度场达到稳态。

图6 实验平台搭建示意

3 实验结果与分析

根据T型连接头的结构尺寸及热物性参数，得到导体温度计算值，导体温度的计算值与测量值如表2所示。可以看出：改进热路模型的计算值与T型连接头内部导体实测温度值的变化趋势呈一致性，验证了改进热路模型反演内部导体温度的正确性。

表2 改进热路模型计算值与实测值对比数据

将改进热路模型的结果与稳态热路模型的计算结果相对比，其温度曲线如图7所示。

图7 改进热路模型与稳态热路模型结果对比

再分别计算出改进热路模型和稳态热路模型的相对误差，如图8所示。从图中可以看出，整体上改进热路模型的计算误差更小，计算值更加接近真实温度。当电流稳定，T型接头的温度场达到稳态时，改进热路模型的相对误差小于5.4 %，稳态热路模型的相对误差小于7.1 %，二者的计算误差相差不大；当电流发生变化，T型接头的温度场处于暂态时，改进热路模型的相对误差小于9.0 %，而稳态热路模型的相对误差小于13.5 %，此时改进热路模型计算内部导体温度的效果更好。

图8 2种模型计算导体温度误差曲线

分析改进热路模型计算误差产生的原因，可能分为以下几点：1)测温系统所采用温度传感器DS18B20的精度为±0.5 ℃，导致最终计算结果存在一定的误差；2)T型连接头绝缘护套的热物性参数采用形状因子法求得，存在一定误差，影响了参数计算的准确性；3)固体之间相互接触时，固体表面仅在一些离散的面积元上实际接触，在未接触的间隙存在一定量的空气，增大了传热的阻力，即接触热阻，导致计算值与测量值存在一定的偏差。

4 结 论

针对环网柜T型连接头容易出现过热的现象，建立了T型接头的改进热路模型，将环境温度和绝缘护套表面温度代入模型中，根据迭代法计算得到各部件的热物性参数，反演出内部导体温度。搭建了实验平台，通过电缆温升实验，验证了改进热路模型的正确性，并与稳态热路法的计算结果进行对比。实验表明：当电流恒定，温度场处于稳态时，改进热路模型与稳态热路模型计算内部导体温度的误差较为接近；当电流发生变化，温度场处于暂态时，改进热路模型相较于稳态热路模型反演导体温度的效果更好，误差更小，并且分析了误差产生的原因。利用改进热路模型计算导体温度，虽然存在一定误差，但是在可接受范围内，并且准确度高于目前常用的稳态热路模型，对实际工程中监测环网柜内导体温度具有参考意义。

[1] 刘 刚,阮班义,林 杰,等.架空导线动态增容的热路法稳态模型[J].高电压技术,2013(5):1107-1113.

[2] 文 溢,赵振刚,宋维彬,等.地下电缆通道的无线温湿度传感网与BP评估[J].传感器与微系统,2016,35(10):63-66.

[3] 应展烽,徐 捷,张旭东,等.基于脉动参数热路模型的架空线路动态增容风险评估[J].电力系统自动化,2015(23):89-95.

[4] 王 恩,曹 敏,李 博,等.基于Matlab热路模型的变压器绕组温度研究[J].传感器与微系统,2016,35(7):51-54.

[5] 梁永春.高压电力电缆温度场和载流量评估研究动态[J].高电压技术,2016,42(4):1142-1150.

[6] 许松枝,汪 沨,谭阳红,等.高压开关柜温度远程在线监测系统设计[J].传感器与微系统,2015,34(12):104-107.

[7] He Fei,He Dongfeng,Xu Anjun,et al.Hybrid model of molten steel temperature prediction based on ladle heat status and artificial neural network[J].Journal of Iron and Steel Research,2014,21(2):181-190.

[8] 田 雷,徐树振,陈炎峰,等.FBG传感器检测电缆中间接头局部放电的温升研究[J].传感器与微系统,2013,32(12):64-66.

[9] 李英娜,肖元强,李 川,等.环状FBG温度传感器检测电缆接头温度变化研究[J].传感器与微系统,2013,32(6):30-32.

[10] 孙一勇.基于CT电源的电力环网终端节点温度监测探究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学,2013.

[11] 吴 畏,汪 沨,黄智伟,等.110 kV高压电力电缆中间接头电场—温度场的仿真分析[J].传感器与微系统,2011,30(8):15-17，21.

[12] 雷成华,刘 刚,李钦豪.BP神经网络模型用于单芯电缆导体温度的动态计算[J].高电压技术,2011(1):184-189.

[13] Feng Liang.Optimal design of high power LED lamp heat dissipation based on equivalent thermal circuit method[C]∥Proceedings of 2015 5th International Conference on Computer Sciences and Automation Engineering,International Informatization and Engineering Associations,Atlantis Press,2015:7.

ResearchontemperaturedetectionofTtypecablejointconductorofringnetworkcabinetbasedonthermalcircuitmethod

TONG Zi-jing1,2, ZHOU Nian-rong1, DUAN Quan-sheng2， HE Cheng1, WANG Ya-chen3, JIN Xue-ting4

(1.YunnanElectricPowerResearchInstitute,Kunming650217,China;2.SchoolofControlandComputerEngineering,NorthChinaElectricPowerUniversity,Beijing102206,China;3.NorthChinaElectricPowerDesignInstituteCoLtd,Beijing100120,China;4.DepartmentofElectricalandElectronicEngineering,Xi’anJiaotongLiverpoolUniversity,Suzhou215123,China)

An on-line temperature monitoring method for T type cable joint of ring network cabinet based on improved thermal circuit model is proposed.The method can calculate the temperature of internal conductor by measuring the T type insulation sheath and the ambient temperature.A test platform is built for simulating the real running condition of T type connector in the ring network cabinet.The correctness of the thermal circuit model is verified by comparing the measured values with the calculated values.The results show that when the temperature field is in the steady state,the temperature relative error stays within 5.4 %.When the temperature field is in the transient state,the temperature relative error stays within 9.0 %.The thermal circuit model can monitor the temperature of cable joints in real-time,the safe operation of the ring network cabinet and cable line can be ensured.

T type cable joint; temperature field; thermal circuit method; temperature monitoring

10.13873/J.1000—9787(2017)11—0131—04

TM 726

A

1000—9787(2017)11—0131—04

2017—09—29

仝子靖(1993-)，男，硕士研究生，主要研究方向为电网自动化检测及测试技术，E—mail:380941806@qq.com。

周年荣(1974-)，男，博士研究生，高级工程师，研究方向为高压绝缘技术、智能电网技术等。

段泉圣(1962-)，男，博士，教授，主要从事检测新技术、气固两相流检测等相关研究工作。