感溫電纜溫度-電阻特性評估方法研究

譚風(fēng)雷，朱超，鄧凱，丁凱，陳昊

(國網(wǎng)江蘇省電力有限公司檢修分公司，江蘇 南京 211102)

0 引言

感溫電纜是一種利用導(dǎo)線間電阻隨溫度變化實現(xiàn)探測線路區(qū)域溫度測量并輸出報警信號的裝置，具有靈敏度高、裝設(shè)方便的優(yōu)點。感溫光纖[1－2]是一種利用光時域反射原理和背向拉曼散射溫度效應(yīng)實現(xiàn)探測線路連續(xù)溫度測量并輸出報警信號的裝置，具有抗干擾能力強(qiáng)、報警溫度值任意可調(diào)的優(yōu)點。相對感溫光纖，感溫電纜更加簡單，更加適用于分區(qū)域、短距離的火災(zāi)報警場合，廣泛應(yīng)用于變電站內(nèi)高壓變壓器、電抗器的火災(zāi)報警，是保護(hù)變電站設(shè)備安全運行的重要手段[3－6]。根據(jù)保護(hù)的設(shè)備不同，感溫電纜設(shè)置的報警溫度不同，常見的報警溫度有70℃、85℃、105℃、138℃和180℃五種。近年來，隨著電力系統(tǒng)的不斷升級，特高壓電網(wǎng)得到大規(guī)模建設(shè)，感溫電纜在特高壓變壓器、換流變壓器上得到廣泛應(yīng)用。為確保設(shè)備消防安全，加強(qiáng)變電站(換流站)消防水平建設(shè)，消除消防安全隱患，感溫電纜作為重要的消防設(shè)備，其重要性更是不言而喻[7－10]。

盡管感溫電纜應(yīng)用十分廣泛，但也存在一定缺陷。一方面，感溫電纜在安裝、運輸過程中易受外力作用發(fā)生短路、斷路等情況；另一方面，感溫電纜一般工作在室外，長期經(jīng)受高溫高濕，導(dǎo)致絕緣性能降低，使得溫度－電阻特性發(fā)生變化，不能滿足工作要求，易引發(fā)誤報火警的情況，干擾運維人員的正常工作[11－12]。目前，針對感溫電纜誤報火警的解決思路較少，部分專家提出了干擾抑制方法[13－15]，該方法通過改變運行環(huán)境、加裝抗干擾設(shè)備等方式來優(yōu)化工作環(huán)境，從而提高感溫電纜運行可靠性，但未從本質(zhì)上解決誤報火警的問題。文獻(xiàn)[16]提出一種感溫電纜性能檢測方法，該方法通過定量檢測感溫電纜性能，有效避免了性能較差的感溫電纜在現(xiàn)場應(yīng)用，從而減少了感溫電纜的誤報火警率，但該方法的性能評價標(biāo)準(zhǔn)過于主觀，缺乏一定的理論依據(jù)?？紤]到感溫電纜是熱敏元件，其電阻就是溫度的直接表現(xiàn)，即溫度－電阻特性是衡量感溫電纜是否可靠運行的關(guān)鍵，則感溫電纜狀態(tài)可間接由溫度－電阻特性來表征，難點是得到溫度－電阻特性，并根據(jù)溫度－電阻特性來評估感溫電纜狀態(tài)。

為解決上述難題，構(gòu)建一種溫度發(fā)生容器，通過模擬不同的溫度環(huán)境，實現(xiàn)感溫電纜溫度－電阻特性曲線的繪制，并提出一種感溫電纜溫度－電阻特性評估方法，實現(xiàn)感溫電纜狀態(tài)評估。因此首先研究感溫電纜等效測量電路、溫度－電阻特性曲線和火災(zāi)報警原理。然后基于感溫電纜溫度－電阻特性標(biāo)準(zhǔn)曲線與實際曲線的對比情況，將感溫電纜溫度－電阻特性進(jìn)行量化分級，并給出了各等級對應(yīng)的處理方法。最后通過研制溫度－電阻特性評估裝置驗證了方法的可行性。

1 感溫電纜工作機(jī)理

1.1 感溫電纜測量電路

感溫電纜是一種熱敏元件，用于測量某段探測區(qū)域的溫度變化，一般由兩根熱敏材料導(dǎo)線構(gòu)成，隨著環(huán)境溫度變化，兩根熱敏材料導(dǎo)線之間的絕緣電阻迅速變化，即可通過測量絕緣電阻值來衡量環(huán)境溫度。

感溫電纜測量電路一般包括微機(jī)處理器、感溫電纜和終端電阻三個部分[17－18]。設(shè)微機(jī)處理器內(nèi)部電源電壓為U0，電阻為R0；微機(jī)處理器兩端電壓為U1，感溫電纜等效電阻為R1，終端電阻為R2，則測量電路的等效結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 感溫電纜測量電路等效結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖1可知，感溫電纜的測量電路有四種工作狀態(tài):

1)當(dāng)感溫電纜溫度正常時，R1?R2，U1＝U0R2/(R0＋R2)；

2)當(dāng)感溫電纜兩根熱敏材料導(dǎo)線短路時，U1＝0；

4)當(dāng)感溫電纜附近發(fā)生火災(zāi)時，R1迅速降低，U1＝U0R1R2/{[R0＋R1R2/(R1＋R2)](R1＋R2)}。

根據(jù)微機(jī)處理器兩端電壓值，即可判斷感溫電纜的工作狀態(tài)。

設(shè)常溫下，感溫電纜內(nèi)兩根熱敏材料導(dǎo)線任意兩點間的絕緣電阻為RZ0，則感溫電纜等效電阻R1為RZ0；當(dāng)探測區(qū)域內(nèi)某點溫度異常達(dá)到T，且其他區(qū)域處于常溫時，設(shè)感溫電纜內(nèi)兩根熱敏材料導(dǎo)線任意兩點間溫度達(dá)T時的絕緣電阻為RZT(RZT?RZ0)，則感溫電纜等效電阻如圖2所示，即異常溫度點左右兩側(cè)可各自等效成一個RZ0電阻，異常溫度點可等效成一個RZT電阻，此時感溫電纜等效電阻R1可表示成:

圖2 感溫電纜等效電阻

1.2 感溫電纜溫度-電阻特性

感溫電纜內(nèi)兩根熱敏材料導(dǎo)線的絕緣電阻具有顯著的負(fù)溫度特性，即隨著溫度升高，絕緣電阻隨之降低，反之隨著溫度降低，絕緣電阻隨之增加，但當(dāng)溫度上升到一定程度后，絕緣電阻下降較慢，其典型的溫度－電阻特性如圖3所示。

圖3 感溫電纜溫度－電阻特性

顯然，圖3中當(dāng)溫度小于70℃時，感溫電纜的絕緣電阻下降較快；而當(dāng)溫度大于70℃后，感溫電纜的絕緣電阻下降越來越慢。這就是感溫電纜典型的溫度－電阻特性，當(dāng)然感溫電纜溫度－電阻特性略有不同，但變化趨勢基本一致。

1.3 感溫電纜報警原理

基于感溫電纜溫度－電阻特性，可以得到不同溫度下的電阻值，不同電阻值在感溫電纜的測量電路中對應(yīng)微機(jī)處理器兩端不同電壓，則通過測量微機(jī)處理器兩端電壓即可間接得到感溫電纜附近的溫度。設(shè)感溫電纜火災(zāi)報警溫度為T0，對應(yīng)的絕緣電阻值為RT，當(dāng)U1滿足式(2)時，微機(jī)處理器將會發(fā)出報警信號。

2 感溫電纜溫度-電阻特性評估方法

感溫電纜在運輸、安裝等過程中，往往會因外力等因素造成內(nèi)部熱敏材料導(dǎo)線彎折，發(fā)生短路、斷路，溫度－電阻特性不能滿足要求的情況，導(dǎo)致誤報火警。因此，在感溫電纜投入使用前，對其溫度－電阻特性進(jìn)行測試評估，特性較差的感溫電纜就不再投入使用。

感溫電纜的溫度－電阻特性是指一定范圍內(nèi)感溫電纜絕緣電阻隨溫度變化的曲線，溫度一般在幾十?dāng)z氏度到一百多攝氏度之間變化，而正常情況下，環(huán)境溫度是無法達(dá)到的，因此需要模擬一個溫度發(fā)生容器，可使感溫電纜均勻受熱且溫度線性可調(diào)?；谏鲜龇治?，利用水作為導(dǎo)熱介質(zhì)，在一個加熱容器中充滿水，把感溫電纜放入水中，通過加熱容器內(nèi)的水，使得感溫電纜溫度上升，這樣對水溫的控制，即可實現(xiàn)感溫電纜溫度的控制。然后搭建類似圖1的感溫電纜電阻測量電路，即可實現(xiàn)不同溫度下感溫電纜電阻的測量，擬合得到感溫電纜溫度－電阻的實際特性曲線。

感溫電纜溫度－電阻特性測量電路如圖4所示，主要包括裝置終端、加熱容器和加熱控制器3個部分，其中裝置終端用于測量并繪制感溫電纜溫度－電阻特性曲線，加熱容器用于為感溫電纜提供溫度環(huán)境，加熱控制器用于接收裝置終端的目標(biāo)溫度并將感溫電纜溫度加熱至目標(biāo)溫度。裝置終端與感溫電纜首端相連，加熱控制器與感溫電纜尾端相連，通過裝置終端、感溫電纜和加熱控制器構(gòu)建感溫電纜溫度－電阻特性測量電路，而裝置終端和加熱控制器可通過無線方式通信。

圖4 感溫電纜溫度－電阻特性測量電路示意圖

設(shè)感溫電纜測量的最低溫度為Tmin，測量的最高溫度為Tmax，TG為相鄰測量點溫度間隔，R1i為第i個溫度測量點對應(yīng)的感溫電纜測量電阻值，R1(i＋1)為第i＋1個溫度測量點對應(yīng)的感溫電纜測量電阻值，Tt表示測量點所對應(yīng)的溫度值，則第i個溫度測量點到第i＋1個溫度測量點間感溫電纜溫度－電阻特性實際曲線F(Tt)可表示為:

根據(jù)感溫電纜溫度－電阻的實際特性曲線，與標(biāo)準(zhǔn)特性曲線進(jìn)行比對，即可實現(xiàn)感溫電纜特性評估。結(jié)合感溫電纜實際使用情況，將溫度－電阻特性分為三個等級，分別為優(yōu)、良、差，設(shè)感溫電纜達(dá)到火災(zāi)報警溫度時對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電阻為RT0，感溫電纜達(dá)到火災(zāi)報警溫度時對應(yīng)的實際電阻為RT1，最高環(huán)境溫度為T1，感溫電纜達(dá)到T1時對應(yīng)的實際電阻為R10，感溫電纜達(dá)到Tmin時對應(yīng)的實際電阻為RTmin，感溫電纜達(dá)到Tmax時對應(yīng)的實際電阻為RTmax，電壓測量精度為E，則各等級區(qū)域劃分如圖5所示。

圖5 感溫電纜溫度－電阻特性區(qū)域劃分

根據(jù)圖5可得感溫電纜各等級區(qū)域的定義，具體如下:

1)當(dāng)R10＞RT0時，感溫電纜溫度－電阻特性等級為優(yōu)，則感溫電纜可直接使用或微調(diào)測量電路相關(guān)參數(shù)后使用；

2)當(dāng)R10≤RT0且溫度－電阻特性曲線滿足式(4)時，感溫電纜溫度－電阻特性等級為良，則調(diào)整感溫電纜測量電路相關(guān)參數(shù)后才能使用，且需定期關(guān)注感溫電纜溫度－電阻特性變化情況，一旦特性無法滿足要求，需要立即更換；

3)當(dāng)式(4)或式(5)不能滿足或感溫電纜發(fā)生短路、開路故障時，感溫電纜溫度－電阻特性等級為差，此時感溫電纜將無法使用，需要立即更換。

3 感溫電纜測量電路參數(shù)調(diào)整方法

當(dāng)感溫電纜溫度－電阻特性等級為優(yōu)或良時，可結(jié)合感溫電纜的實際特性調(diào)整測量電路相關(guān)參數(shù)，使得感溫電纜可繼續(xù)使用，不會發(fā)生誤報火警的情況。結(jié)合感溫電纜的測量電路，可通過調(diào)整微機(jī)處理器兩端電壓報警值或終端電阻值兩種方法來保證感溫電纜正常工作。

1)可將微機(jī)處理器兩端電壓的報警值調(diào)整為:

2)在感溫電纜測量電路中串聯(lián)電阻，使得終端電阻值增大，則串聯(lián)電阻R3為:

4 現(xiàn)場測試

為驗證方法的有效性，研制感溫電纜溫度－電阻特性測量的裝置終端，如圖6所示，主要包括曲線繪制模塊、溫度控制單元、電阻測量電路和顯示屏4個部分，其中曲線繪制模塊主要是用于繪制感溫電纜溫度－電阻特性曲線，溫度控制單元用于控制感溫電纜環(huán)境溫度，電阻測量電路用于測量感溫電纜在不同溫度下對應(yīng)的電阻值，顯示屏用于顯示溫度－電阻特性曲線。

圖6 感溫電纜溫度－電阻特性測試裝置

4.1 電阻測量精度

感溫電纜電阻測量精度是繪制溫度－電阻特性曲線的前提，對某廠家生產(chǎn)的感溫電纜的溫度－電阻特性進(jìn)行測試，結(jié)果如圖7所示。顯然標(biāo)準(zhǔn)曲線和測量曲線基本重合，且兩者的最大誤差被控制在±15%以內(nèi)，表明測量裝置具有較高的電阻測量精度，能夠滿足感溫電纜現(xiàn)場應(yīng)用要求。

圖7 感溫電纜溫度－電阻特性曲線對比

4.2 裝置可靠性

根據(jù)感溫電纜測量得到的溫度－電阻特性曲線，即可實現(xiàn)感溫電纜溫度－電阻特性評估。在某500 kV變電站進(jìn)行應(yīng)用，通過評估感溫電纜溫度－電阻特性后，對感溫電纜測量電路參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，調(diào)整后感溫電纜工作正常，未發(fā)生誤報火警的情況，從而驗證感溫電纜溫度－電阻特性評估方法和測量電路參數(shù)調(diào)整方法的有效性與可行性。

5 結(jié)語

1)在深入研究感溫電纜等效測量電路和溫度－電阻特性的基礎(chǔ)上，分析感溫電纜實現(xiàn)火災(zāi)報警的原理。

2)提出了一種感溫電纜溫度－電阻特性評估方法，將感溫電纜溫度－電阻特性分為優(yōu)、良、差三個等級，其中感溫電纜溫度－電阻特性等級為優(yōu)或良時，可通過調(diào)整微機(jī)處理器兩端電壓報警值或終端電阻值兩種方法來保證感溫電纜正常使用，而感溫電纜溫度－電阻特性等級為差時，感溫電纜將無法使用，需要立即更換。

3)研制了一種感溫電纜溫度－電阻特性測試裝置，從電阻測量精度和裝置可靠性兩個方面驗證感溫電纜溫度－電阻特性測量方法的可行性。