电缆接头温度反演及故障诊断研究

运行中的电缆绝缘劣化状况一直是电网运行单位关注的重点[1-3]。由多年的运行经验及事故分析可知，>90%的电缆运行故障发生在电缆接头的位置[4-5]。温度升高可能加速接头处绝缘老化，甚至可能导致电缆火灾的发生[6-9]。若能对电缆接头进行在线监测，实时掌握其线芯的准确温度，便可及时发现接头质量的变化情况，消除可能存在的故障隐患[10-12]。受技术条件的限制，电缆温度在线监测技术很难直接检测导体温度，一般仅限于对电缆外表皮或金属护套温度的测量。参照IEC-60287 或IEC-60853 标准计算方法[13-14]测量电缆本体温度，通过外部环境温度和电缆电流反推求得导体温度， 该方法仅限于电缆本体而未涉及电缆接头，且需要非常精确的电缆外部敷设环境等参数，其计算误差难以满足工程需要[15-16]。
文献[17]利用连续6~24 h 内监测得到的电流和电缆表皮温度等信息，根据计入电缆分布式热容的暂态热路模型，可准确预测电缆加载周期性负荷的导体温度。该方案需要求解常微分方程组，计算量较大，在实际工程应用中存在一定的困难。此外，电缆接头与电缆本体不同，其结构相对复杂且采用现场手工制作，其尺寸和材料等物性参数波动较大，若仍采用传统的基于精确热网络模型的温度反演算法，则实现难度较大、所得结果准确度较低。
文献[12]提出了一种基于稳态温度场的电缆接头质量评判方法，其基本思想为：电缆接头发热主要由流经线路的电流在接头电阻处的损耗所释放出来的热能引起，该热能与流经线路的电流平方及接头电阻值成正比。文献[18]采用上述方法建立了温

度监测系统，对电缆接头接触电阻进行了监测和预警，并增加了2 条紧急故障判据：持续时间超过一定时限的极限温差和电缆附件护套极限温度。文献[19]根据电缆等效热路与电路在数学形式上相同的特点，使用电路中的节点电压法及数学方法求解电缆热路问题。上述方法均未考虑电缆的分布式热容，且缺乏足够的实验验证，该方法只适用于环境温度相对稳定、电缆加载稳定电流且持续较长时间达到热平衡之后的稳态情况，使其应用范围受到限制。为此，本文建立了基于热阻和热容参数的电缆接头2 阶和1 阶暂态热路模型和运算电路[20-21]，分析了其暂态热路模型求解公式，并最终简化得到电缆接头导体温升的1 阶线性辨识方程，提出了一种简单可行的电缆接头导芯温度反演算法。利用最小二乘法辨识出稳态温升系数和暂态过渡过程时间常数，可通过辨识参数进行在线监测，获得故障诊断结果。

1 电缆接头暂态热路模型

2 电缆接头导体温度实时反演算法

3 电缆接头故障诊断分析

4 仿真及实验结果分析

1）本文针对目前电缆在线温度监测技术不能直接检测导体温度的问题，通过数学推导对电缆接头暂态热路模型进行逐步简化，得到1 阶暂态热路模型；并基于此得到温度反演系数，对电缆接头进行了导芯温度的反演计算，即利用监测点的温升预
测得到导体实时温升。同时，通过参数辨识进行在线监测并获知故障诊断结果。
2）研究结果表明，反演结果与实验平台实测导体温升结果相符。根据辨识参数相对正常运行状态的变化，可判断出电缆接头是否存在故障隐患以及是何种故障。