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(shí)現(xiàn)探測線路區(qū)域溫度測量并輸出報(bào)警信號的裝置，具有靈敏度高、裝設(shè)方便的優(yōu)點(diǎn)。感溫光纖[1－2]是一種利用光時(shí)域反射原理和背向拉曼散射溫度效應(yīng)實(shí)現(xiàn)探測線路連續(xù)溫度測量并輸出報(bào)警信號的裝置，具有抗干擾能力強(qiáng)、報(bào)警溫度值任意可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)。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(bào)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(bào)警，是保護(hù)變電站設(shè)備安全運(yùn)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(bào)警溫度不同，常見的報(bào)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(yùn)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(bào)火警的情況，干擾運(yùn)維人員的正常工作[11－12]。目前，針對感溫電纜誤報(bào)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(yùn)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(yùn)行可靠性，但未從本質(zhì)上解決誤報(bào)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(bào)火警率，但該方法的性能評價(jià)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(yùn)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(diǎn)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(shí)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(shí)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(bào)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(shí)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(yàn)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(gè)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(shí)，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(shí)，U1＝0；

4)當(dāng)感溫電纜附近發(fā)生火災(zāi)時(shí)，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(diǎn)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(diǎn)溫度異常達(dá)到T，且其他區(qū)域處于常溫時(shí)，設(shè)感溫電纜內(nèi)兩根熱敏材料導(dǎo)線任意兩點(diǎn)間溫度達(dá)T時(shí)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(diǎn)左右兩側(cè)可各自等效成一個(gè)RZ0電阻，異常溫度點(diǎn)可等效成一個(gè)RZT電阻，此時(shí)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(shí)，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(bào)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(bào)警溫度為T0，對應(yīng)的絕緣電阻值為RT，當(dāng)U1滿足式(2)時(shí)，微機(jī)處理器將會(huì)發(fā)出報(bào)警信號。

2 感溫電纜溫度-電阻特性評估方法

感溫電纜在運(yùn)輸、安裝等過程中，往往會(huì)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(bào)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(gè)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)。基于上述分析，利用水作為導(dǎo)熱介質(zhì)，在一個(gè)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(shí)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(shí)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(shí)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(gè)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(diǎn)溫度間隔，R1i為第i個(gè)溫度測量點(diǎn)對應(yīng)的感溫電纜測量電阻值，R1(i＋1)為第i＋1個(gè)溫度測量點(diǎn)對應(yīng)的感溫電纜測量電阻值，Tt表示測量點(diǎn)所對應(yīng)的溫度值，則第i個(gè)溫度測量點(diǎn)到第i＋1個(gè)溫度測量點(diǎn)間感溫電纜溫度－電阻特性實(shí)際曲線F(Tt)可表示為:

根據(jù)感溫電纜溫度－電阻的實(shí)際特性曲線，與標(biāo)準(zhǔn)特性曲線進(jìn)行比對，即可實(shí)現(xiàn)感溫電纜特性評估。結(jié)合感溫電纜實(shí)際使用情況，將溫度－電阻特性分為三個(gè)等級，分別為優(yōu)、良、差，設(shè)感溫電纜達(dá)到火災(zāi)報(bào)警溫度時(shí)對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電阻為RT0，感溫電纜達(dá)到火災(zāi)報(bào)警溫度時(shí)對應(yīng)的實(shí)際電阻為RT1，最高環(huán)境溫度為T1，感溫電纜達(dá)到T1時(shí)對應(yīng)的實(shí)際電阻為R10，感溫電纜達(dá)到Tmin時(shí)對應(yīng)的實(shí)際電阻為RTmin，感溫電纜達(dá)到Tmax時(shí)對應(yīng)的實(shí)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(shí)，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(shí)，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(shí)，感溫電纜溫度－電阻特性等級為差，此時(shí)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(shí)，可結(jié)合感溫電纜的實(shí)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(huì)發(fā)生誤報(bào)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(bào)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(bào)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(yàn)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(gè)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(shí)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(bào)火警的情況，從而驗(yàn)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(shí)現(xiàn)火災(zāi)報(bào)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(gè)等級，其中感溫電纜溫度－電阻特性等級為優(yōu)或良時(shí)，可通過調(diào)整微機(jī)處理器兩端電壓報(bào)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(shí)，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(gè)方面驗(yàn)證感溫電纜溫度－電阻特性測量方法的可行性。