電纜接頭溫度反演及故障診斷研究

運(yùn)行中的電纜絕緣劣化狀況一直是電網(wǎng)運(yùn)行單位關(guān)注的重點(diǎn)[1-3]。由多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及事故分析可知，>90%的電纜運(yùn)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(dǎo)致電纜火災(zāi)的發(fā)生[6-9]。若能對(duì)電纜接頭進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)掌握其線芯的準(zhǔn)確溫度，便可及時(shí)發(fā)現(xiàn)接頭質(zhì)量的變化情況，消除可能存在的故障隱患[10-12]。受技術(shù)條件的限制，電纜溫度在線監(jiān)測(cè)技術(shù)很難直接檢測(cè)導(dǎo)體溫度，一般僅限于對(duì)電纜外表皮或金屬護(hù)套溫度的測(cè)量。參照IEC-60287 或IEC-60853 標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算方法[13-14]測(cè)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(dǎo)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(shè)環(huán)境等參數(shù)，其計(jì)算誤差難以滿足工程需要[15-16]。
文獻(xiàn)[17]利用連續(xù)6~24 h 內(nèi)監(jiān)測(cè)得到的電流和電纜表皮溫度等信息，根據(jù)計(jì)入電纜分布式熱容的暫態(tài)熱路模型，可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)電纜加載周期性負(fù)荷的導(dǎo)體溫度。該方案需要求解常微分方程組，計(jì)算量較大，在實(shí)際工程應(yīng)用中存在一定的困難。此外，電纜接頭與電纜本體不同，其結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜且采用現(xiàn)場(chǎng)手工制作，其尺寸和材料等物性參數(shù)波動(dòng)較大，若仍采用傳統(tǒng)的基于精確熱網(wǎng)絡(luò)模型的溫度反演算法，則實(shí)現(xiàn)難度較大、所得結(jié)果準(zhǔn)確度較低。
文獻(xiàn)[12]提出了一種基于穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)的電纜接頭質(zhì)量評(píng)判方法，其基本思想為：電纜接頭發(fā)熱主要由流經(jīng)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(jīng)線路的電流平方及接頭電阻值成正比。文獻(xiàn)[18]采用上述方法建立了溫

度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)電纜接頭接觸電阻進(jìn)行了監(jiān)測(cè)和預(yù)警，并增加了2 條緊急故障判據(jù)：持續(xù)時(shí)間超過一定時(shí)限的極限溫差和電纜附件護(hù)套極限溫度。文獻(xiàn)[19]根據(jù)電纜等效熱路與電路在數(shù)學(xué)形式上相同的特點(diǎn)，使用電路中的節(jié)點(diǎn)電壓法及數(shù)學(xué)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該方法只適用于環(huán)境溫度相對(duì)穩(wěn)定、電纜加載穩(wěn)定電流且持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間達(dá)到熱平衡之后的穩(wěn)態(tài)情況，使其應(yīng)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(yùn)算電路[20-21]，分析了其暫態(tài)熱路模型求解公式，并最終簡(jiǎn)化得到電纜接頭導(dǎo)體溫升的1 階線性辨識(shí)方程，提出了一種簡(jiǎn)單可行的電纜接頭導(dǎo)芯溫度反演算法。利用最小二乘法辨識(shí)出穩(wěn)態(tài)溫升系數(shù)和暫態(tài)過渡過程時(shí)間常數(shù)，可通過辨識(shí)參數(shù)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，獲得故障診斷結(jié)果。

1 電纜接頭暫態(tài)熱路模型

2 電纜接頭導(dǎo)體溫度實(shí)時(shí)反演算法

3 電纜接頭故障診斷分析

4 仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

1）本文針對(duì)目前電纜在線溫度監(jiān)測(cè)技術(shù)不能直接檢測(cè)導(dǎo)體溫度的問題，通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)對(duì)電纜接頭暫態(tài)熱路模型進(jìn)行逐步簡(jiǎn)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(duì)電纜接頭進(jìn)行了導(dǎo)芯溫度的反演計(jì)算，即利用監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫升預(yù)
測(cè)得到導(dǎo)體實(shí)時(shí)溫升。同時(shí)，通過參數(shù)辨識(shí)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)并獲知故障診斷結(jié)果。
2）研究結(jié)果表明，反演結(jié)果與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)測(cè)導(dǎo)體溫升結(jié)果相符。根據(jù)辨識(shí)參數(shù)相對(duì)正常運(yùn)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。