内置无线测温装置的高压电缆中间接头的电场仿真

王激华，王彬栩，杨跃平，管金胜，陈建武，刘可龙，施晶垚

（国网浙江省电力有限公司宁波供电公司，浙江 宁波 315012）

温度是评估电缆中间接头运行状态的一项重要参数。运行温度过高时，加速绝缘老化，从而降低绝缘寿命；运行温度过低时，不能充分利用其负载能力，造成资源浪费。近年来，电缆接头温度监测技术逐渐成熟，相关较为有效的监测手段得到了较广泛的应用。国内主要的高压与超高压电缆线路均已经广泛应用传统的人工巡视或者分布式光纤测温系统。

国家电网公司于2017年发布了《高压电缆接头内置式导体测温装置技术规范》，其中明确规定：测温装置不应影响电缆接头的绝缘性能、密封性能及导电性能；当装置出现异常或损坏时，不应对被监测的电缆接头造成损坏。

为了克服现有电缆接头测温技术存在的部分缺陷，本文提出了一种基于压电薄膜的新型高压电缆接头内置式测温装置，其具备无源、无线、长寿命（30年以上）等优势，可以满足上述高压电缆测温的相应技术规范。该测温装置的整体结构如图1所示，其中，内置式测温传感器具备轻、薄、柔的外观形态特点，可以紧密地贴附于圆柱形电缆线芯的表面，直接测量电缆线芯导体温度。通过无线传输，内置式无源测温薄膜可将温度信号传输到电缆接头本体外部的读取天线和读取器等现场装置。由于读取器中的控制电路需要外部电源，方便起见，读取器可由安装在电缆本体外的取电互感器供电。

图1 一种新型高压电缆接头内置式导体测温装置

需要说明的是，虽然上述内置式测温薄膜厚度仅为2mm，且具有稳定的材料特性，但其存在是否会影响整体电缆中间接头的绝缘性能、导电性能等性能以及电缆中间接头正常运行时的电场分布，仍需进一步深入的探究。考虑到关于内置式测温装置对电缆内部电场分布影响的仿真研究极少，本文通过有限元仿真手段，对内置上述测温薄膜的电缆中间接头进行电场仿真计算，研究不同工况下该内置测温薄膜对电缆中间接头电场分布的影响。

1 仿真模型

尽管本文主要研究对象为电缆中间接头，为避免端部效应影响电场仿真结果，在仿真中仍需要将与中间接头连接的部分电缆本体纳入建模考虑。为方便分析和计算，可对电缆中间接头做一定程度的简化，以部分电缆与整体预制式电缆中间接头的四分之一结构作为建模对象。本仿真以电压等级为110kV、电缆导体横截面积为900mm2的整体预制式电缆中间接头为例。按照与实际尺寸1：1比例，通过COMSOL Multiphysics®多物理场仿真软件建立内置测温装置的110kV电缆中间接头的仿真模型，如图2所示。仿真模型中所需的电缆与电缆中间接头部分结构的相关参数典型取值如表1、2所示。

图2 110kV电缆与整体预制式电缆中间接头的四分之一结构

表1 电缆本体相关参数

2 仿真结果与讨论

2.1 电缆中间接头的电场分布

未内置测温传感器的电缆接头的电场强度分布及其等值线如图3、4所示。观察可得，XLPE中的电场强度最大，而硅橡胶和预制接头主绝缘中的电场强度则较小，该现象由不同绝缘材料的介电常数间的较大差异导致。电缆中间接头内的电场强度最大值约为3.28kV/mm，其出现在应力锥的根部和压接管的尖端。同时，上述两处位置附近存在着较为明显的电场畸变。

表2 电缆中间接头相关参数

图3 无内置测温传感器的电缆接头的电场强度分布

图4 无内置测温传感器的电缆接头的电场强度等值线分布

电缆接头内置测温传感器后，其内部电场强度分布及其等值线如图5、6所示。观察可得，安置测温传感器后，电缆接头的电场强度分布整体几乎未发生变化，仅在传感器尖端与主绝缘交界处存在极其微小的畸变，但几乎可以忽略。换言之，内置测温传感器对电缆接头内的电场强度分布几乎无影响，且传感器植入部位无场强集中现象。

图5 内置测温传感器的电缆接头的电场强度分布

图6 内置测温传感器的电缆接头的电场强度等值线分布

2.2 电缆中间接头中部截面上的电场分布

进一步，可以在电缆接头正中间垂直轴向截取二维截面，对该截面上的电场分布进行研究。未内置测温传感器时的电场强度分布及其等值线如图7所示，其中，红色箭头表示截面上的径向电场方向。观察可得，电缆接头电场强度由轴心沿径向逐渐减小；截面上的电场强度最大值出现在压接管与硅橡胶主绝缘的交界面上，其值约为1.45kV/mm。

图7 无内置测温传感器的电缆接头中部截面上的电场强度分布

图8 内置测温传感器的电缆接头中部截面上的电场强度分布

内置测温传感器后，电缆接头中部截面上的电场强度分布如图8所示。观察可得，该截面上的电场强度分布整体几乎未发生变化，仅在测温传感器与主绝缘交界处存在极其微小的畸变，但几乎可以忽略。上述结果可进一步说明内置测温传感器对电缆接头内的电场强度分布几乎无影响。

2.3 径向电场分布

进一步，可以在电缆接头正中间沿径向画出一条截线，对该截线上的径向电场分布进行研究。未内置测温传感器时的电缆接头中部径向电场强度分布如图9所示，截线上的最大值出现在压接管与硅橡胶主绝缘的交界处，其值约为1.45 kV/mm。内置测温传感器后，电缆接头中部径向电场强度分布如图10所示。观察可得，该截线上的电场强度分布整体几乎未发生变化，仅在测温传感器与主绝缘交界处存在微小程度的畸变，但几乎可以忽略；截线上的最大值仍出现在压接管与硅橡胶主绝缘的交界面上，其值约为1.43kV/mm。上述结果可以进一步说明内置测温传感器对电缆接头内的径向电场强度分布影响极小。

图9 无内置测温传感器的电缆接头中部径向电场强度分布

3 结语

图10 内置测温传感器的电缆接头中部径向电场强度分布

本文提出了一种基于压电薄膜的柔性内置式测温传感器，通过COMSOL Multiphysics®多物理场仿真软件建立了内置测温装置的110kV电缆中间接头的仿真模型，对其进行了电场仿真计算，研究了内置测温薄膜对电缆中间接头电场分布的影响。通过研究可得以下主要结论：

（1）内置式测温传感器因轻、薄、柔的外观形态特点，可以紧密地贴附于电缆线芯的表面，真实反映电缆线芯导体的实时温度。传感器与读取天线之间采用无线数据传输，信号可穿透电缆接头本体，不改变电缆接头的结构。

（2）通过仿真可得，该内置式无线测温装置对高压电缆中间接头内部电场分布的影响极小。相比未内置测温传感器时的情况，电势和电场强度分布仅在测温传感器与硅橡胶主绝缘交界处存在极其微小的畸变，但几乎可以忽略，且传感器植入部位并未呈现电势和场强集中现象。因此，可以认为增加电缆线芯测温传感器对电缆中间接头的电场分布无影响。