電纜接頭溫度反演及故障診斷研究

運行中的電纜絕緣劣化狀況一直是電網運行單位關注的重點[1-3]。由多年的運行經驗及事故分析可知，>90%的電纜運行故障發(fā)生在電纜接頭的位置[4-5]。溫度升高可能加速接頭處絕緣老化，甚至可能導致電纜火災的發(fā)生[6-9]。若能對電纜接頭進行在線監(jiān)測，實時掌握其線芯的準確溫度，便可及時發(fā)現(xiàn)接頭質量的變化情況，消除可能存在的故障隱患[10-12]。受技術條件的限制，電纜溫度在線監(jiān)測技術很難直接檢測導體溫度，一般僅限于對電纜外表皮或金屬護套溫度的測量。參照IEC-60287 或IEC-60853 標準計算方法[13-14]測量電纜本體溫度，通過外部環(huán)境溫度和電纜電流反推求得導體溫度， 該方法僅限于電纜本體而未涉及電纜接頭，且需要非常精確的電纜外部敷設環(huán)境等參數(shù)，其計算誤差難以滿足工程需要[15-16]。
文獻[17]利用連續(xù)6~24 h 內監(jiān)測得到的電流和電纜表皮溫度等信息，根據(jù)計入電纜分布式熱容的暫態(tài)熱路模型，可準確預測電纜加載周期性負荷的導體溫度。該方案需要求解常微分方程組，計算量較大，在實際工程應用中存在一定的困難。此外，電纜接頭與電纜本體不同，其結構相對復雜且采用現(xiàn)場手工制作，其尺寸和材料等物性參數(shù)波動較大，若仍采用傳統(tǒng)的基于精確熱網絡模型的溫度反演算法，則實現(xiàn)難度較大、所得結果準確度較低。
文獻[12]提出了一種基于穩(wěn)態(tài)溫度場的電纜接頭質量評判方法，其基本思想為：電纜接頭發(fā)熱主要由流經線路的電流在接頭電阻處的損耗所釋放出來的熱能引起，該熱能與流經線路的電流平方及接頭電阻值成正比。文獻[18]采用上述方法建立了溫

度監(jiān)測系統(tǒng)，對電纜接頭接觸電阻進行了監(jiān)測和預警，并增加了2 條緊急故障判據(jù)：持續(xù)時間超過一定時限的極限溫差和電纜附件護套極限溫度。文獻[19]根據(jù)電纜等效熱路與電路在數(shù)學形式上相同的特點，使用電路中的節(jié)點電壓法及數(shù)學方法求解電纜熱路問題。上述方法均未考慮電纜的分布式熱容，且缺乏足夠的實驗驗證，該方法只適用于環(huán)境溫度相對穩(wěn)定、電纜加載穩(wěn)定電流且持續(xù)較長時間達到熱平衡之后的穩(wěn)態(tài)情況，使其應用范圍受到限制。為此，本文建立了基于熱阻和熱容參數(shù)的電纜接頭2 階和1 階暫態(tài)熱路模型和運算電路[20-21]，分析了其暫態(tài)熱路模型求解公式，并最終簡化得到電纜接頭導體溫升的1 階線性辨識方程，提出了一種簡單可行的電纜接頭導芯溫度反演算法。利用最小二乘法辨識出穩(wěn)態(tài)溫升系數(shù)和暫態(tài)過渡過程時間常數(shù)，可通過辨識參數(shù)進行在線監(jiān)測，獲得故障診斷結果。

1 電纜接頭暫態(tài)熱路模型

2 電纜接頭導體溫度實時反演算法

3 電纜接頭故障診斷分析

4 仿真及實驗結果分析

1）本文針對目前電纜在線溫度監(jiān)測技術不能直接檢測導體溫度的問題，通過數(shù)學推導對電纜接頭暫態(tài)熱路模型進行逐步簡化，得到1 階暫態(tài)熱路模型；并基于此得到溫度反演系數(shù)，對電纜接頭進行了導芯溫度的反演計算，即利用監(jiān)測點的溫升預
測得到導體實時溫升。同時，通過參數(shù)辨識進行在線監(jiān)測并獲知故障診斷結果。
2）研究結果表明，反演結果與實驗平臺實測導體溫升結果相符。根據(jù)辨識參數(shù)相對正常運行狀態(tài)的變化，可判斷出電纜接頭是否存在故障隱患以及是何種故障。