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摘要：电缆接头过热到事故发生，其发展速度缓慢、时间较长，而采用传统人工巡检方法可靠性低、实时性差，难以及时发现设备安全隐患，为了有效地进行电缆接头温度的自动监测，本文提出并设计了一种利用热敏电阻结合振荡电路的电缆中间接头温升实时在线监测装置，实现对电缆中间接头三点温升直接测量，经对比试验表明，本装置测量精度可达土1℃，性能稳定可靠，可以满足电缆接头温升在线监测的要求，对及时发现问题，提高检修效率，减少人力、物力具有非常重要的意义。
关键字：电缆接头；温升；在线监测；振荡电路
1 引言
电力设备由于生产品质、安装质量、运行时间、使用频度及工作环境等影响，造成安装处接触不可靠，温升超出国家规定的允许范围，使得电缆终端绝缘老化，甚至出现击穿损坏等严重后果。电力电缆中间接头的温度是反映其运行状态的重要参数。引起电缆接头温度升高直接原因是接头运行时间长、压接头不紧、接触电阻过大等。接头长期运行造成的过热、烧穿绝缘等现象容易引发火灾，从而造成重大安全事故和经济损失。
电缆接头过热到事故发生，其发展速度缓慢、时间较长，采用传统人工巡检的方法可靠性低、实时性差，难以及时发现设备安全隐患。因此，如何有效地进行电缆接头温度的自动监测和控制具有重要的现实意义。
在电力系统中，由于电缆接头接触电阻过大、过负荷等因素引起接头温度过高，使得接头处绝缘变差或烧崩突发事故引起火灾，给工业生产带来严重的安全隐患，甚至导致设备强迫停运、短时间无法恢复生产的严重事故，降低电网安全运行的可靠性，造成重大经济损失。
电缆接头是电力电缆最薄弱的环节，运行时间越长越容易发生过热烧穿事故。接头温度是衡量电缆接头运行中绝缘状态是否良好的重要指标，其温度变化在正常运行情况下是由于电流通过内部导体引起的。当电缆在正常负荷运行时，接头内部的温度大约为90℃；当电缆满负荷运行时，接头温度会达250℃左右；当温度再升高时，接头处的氧化膜加厚，接触电阻随之加大，在一定通电时间的作用下，接头的绝缘介质分解碳化为非绝缘物，导致故障发生。因此，准确了解电缆接头线芯的温度，对监测电缆接头是否正常运行具有重要意义。
2 电缆中间接头
对于电缆中间接头，由中间导体将两根电缆连接起来，在电缆中间接头连接管和两端电场应力集中的地方均为温升易发处，而中间导体由铠装在防水带、PVC带和编织带等材料内部，给电缆中间接头温升监测带来困难，如图1所示。
3 在线监测装置总体架构
电缆井电缆中间接头温升在线监测装置包括1号测温组件、2号测温组件、3号测温组件、集中测量模块、环境温度传感器、电源模块和无线通信模块；1号测温组件、2号测温组件、3号测温组件用防水胶带固定在电缆中间接头上，且1号测温组件和3号测温组件固定在电缆中间接头电场应力集中区域，2号测温组件固定在电缆中间接头电缆连接中间区域；1号测温组件、2号测温组件、3号测温组件和环境温度传感器的输出端分别与集中测量模块对应的输入端连接；电源模块的输出端与集中测量模块对应的电源端连接；无线通信模块的输入端与集中测量模块对应的通信接口连接。
3.1 测温组件设计
测温组件由保温毡垫、热敏电阻和橡胶带组成；热敏电阻包裹在保温毡垫内用橡胶带固定在电缆中间接头上。
3.2 集中测量模块设计
集中测量模块包括1号温度传感器接口、2号温度传感器接口、2号温度传感器接口、环境温度传感器接口、报警电路、微处理器电路、拨码开关、按键电路、时钟电路、显示电路、无线通信模块接口、电源模块接口，如图3所示。
3.3 温度传感器设计
温度采集模块如图4所示，主要由热敏电阻、电容和555定时器组成的一个多谐振荡器，其中C6、C7、C8为无极电容，由涤纶材料制成，具有耐高温的特点。
R5为NTC热敏电阻，随着温度的上升，阻值不断下降，且温度和阻值的曲线关系呈非线性。由于R5的阻值随着温度变化在改变，所以多谐振荡器输出的方波周期也在不断变化，如图5所示。
温度采样电路由热敏电阻和NE555组成一个多谐振荡器，热敏电阻的阻值随温度的变化而变化，因此多谐振荡器可以发出数据脉冲周期随温度变化的信号，如图5所示。根据公式1通过获取脉冲周期的大小可以推算出热敏电阻的阻值，根据热敏电阻阻值和温度之间的对应关系可以计算出当前采样的温度值。
式中，Rt为热敏电阻在T1温度下的阻值，R为热敏电阻在T2常温下的标称阻值，EXP代表en，T1和T2均是开尔文温度，K =273.15（绝对温度）+摄氏温度。热敏电阻器的芯片一般都是半导体陶瓷的材料，经过高温灼烧后，会形成具有一定电阻率的材料，式中的B值即为此环境下的材料常数，不同的配方和不同的烧结温度下的B值都是不一样的，它可以通过电阻型号得知。通过单片机捕获方波的周期，可以计算出R5的阻值，带入热敏电阻固定的计算公式，继而可以推算出此时的温度。
3.4电源模块设计
电源模块采用12V可充电铅酸电池和35W太阳能电池板，如图6所示。集中测量模块采用低功耗设计且各模块供电电压均为3.3V。为了得到这一等级的工作电压，采用电源转换模块实现，如图7所示。其中三端电源模块采用是WRN7803-500开关电压调节器，该调节器的输入电压范围为4.75V~28V，输出电压为3.3V，能够输出500mA的驱动电流，电压转换效率高达96%，同时具有较强的抗干扰能力，完全可以满足本系统的设计要求。在图7中，二极管D3用于防反接保护，TVS管W1用于防止瞬态浪涌电压。电容C12、C13主要起滤波、平滑电压波形的作用，D4为电压工作指示灯。同时为了防止信号串扰，模拟地与数字地分开，两者之间与电源地采用单点接入，从而增强电路板的电磁干扰性能。集中测量模块与电源模块之间用2线1.5平方硅橡胶绝缘线连接，电源模块固定在电缆井外杆塔上。
4 试验结果
为了验证电缆井电缆中间接头温升在线监测装置的应用效果，对某个电缆中间接头节点进行了实地安装和在线监测。实验时， 通电电流为AC630A，通电时间为5小时，分别记录在1、2、3、4、5小时的温度值，测量仪表与热电偶标定装置对比数据如表1所示。
由表1可知，传感器测试仪表温度与标准温度计测试温度相差约± 。可见，测量值与实际值相差较小，精度较高，满足测量现场的要求。
5 总结
随着我国输配电事业的快速发展，电缆用量在输配电领域不可缺少的部分，电缆接头过热性故障严重威胁着电网的安全与稳定运行，电缆接头过热到事故发生，其发展速度缓慢、时间较长，采用传统人工巡检的方法可靠性低、实时性差，难以及时发现设备安全隐患，本文所研制的电缆井电缆中间接头温升在线监测装置利用测温组件和环境温度传感器，通过测量电缆中间接头表面温度联合判断电缆中间接头内部温度，可实时了解电缆中间接头运行温升，并重点监测电缆中介接头薄弱点电场应力集中点和中间点，具有测温精度高、抗电磁干扰能力以及实时性强等特点，有效解决了电缆接头温度在线监测的问题，为及时掌握电缆接头发热状态提供了依据，有效地保证了电网的安全稳定运行。
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作者简介：
王志杰，男，1970年2月生，工程师，本科，目前在计量室任主任。
论文作者:王志杰1,王志鹏1,康国庆1,李贺1,张金波2
论文发表刊物:《电力设备》2017年第1期
论文发表时间:2017/3/9
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