电缆接头温度在线实时监测实验

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综上所述，无论是电缆本身产品制造质量缺陷还是安装质量缺陷或过负荷运行状态， 这些故障都能够通过电缆温度的变化体现出来。因此迫切需要一套可靠的高性能的自动化 系统来对电缆的运行状况进行实施监控分析，以便及时发现电缆的潜在隐患并进行有效处 理，减少有电缆故障造成的直接损失，提高供电可靠性。 2 、研究现状： 目前中高压电缆在线监测研究主要集中在电缆绝缘老化及缺陷探测等方面，其主要手 段有局部放电检测和在线温度监测两种。其中，要实施局部放电检测的关键技术难点在于 如何在现场存在较大电磁场的情况下提高局部放电检测设备的灵敏度。一般而言，为了满 足实际工程需要，需要采用高精度的高频局放和甚高频局放检测仪，其核心技术国内尚未 攻破，因此相应的检测设备都需要从国外进口，设备购买费和未来的维护费用都相当高。 除了局部放电检测外，温度检测是目前国内外在电缆监测中最被认可的一项重要手段。常 用的传统电缆温度监测方法包括：感温电缆式测温系统和热敏电阻式测温系统，此外，还 有近年来出现的光纤分布式温度监测系统。 (1)感温电缆式测温系统： 将感温电缆与电缆平行安放， 当电缆温度超过固定温度值时， 发出报警信号。普通型感温电缆的缺点是：破坏性报警、报警温度固定、故障信号不全， 系统安装及维护工作不够方便，设备易损坏；模拟式线型感温电缆只能以某一局部线段作 为报警单位，因此它无法精确定位出是某一点产生的报警信号。以上两种方法均无温度趋 势分析。 (2)热敏电阻式测温系统：可以显示温度值，但由于每个热敏电阻都需要独立的接线、 布线复杂且热敏电阻易损坏、维护量大；传感器不具备自检功能，需要经常校验。 (3)光纤分布式测温系统： 是较先进的一种系统。 利用一根光纤充当分布式温度传感器， 能测量数千个温度监独立的测量点的温度。通过光纤传输的激光脉冲产生后向喇曼散射滴 梯度效应来完成对温度的测量。最新的光纤分布式温度监测系统性能对于多模光纤，能够 允许光纤回路长度达到 12 公里，测量精度达到±1℃。同时，温度监测系统需要智能化的 数据分析软件，并结合系统负载数据，最终使用户能够建立并预测沿整个线路电缆的运行 状况。采用光纤分布式温度监测系统的好处是可以对电缆沿线上的热点位臵进行高精度定 位，能够显示并记录下温度变化曲线轨迹，能显示出线路上热点的位臵。但它的缺点也是 十分明显的，设备成本是这种系统的最大的问题。 总之，目前国内外电缆温度的监测方法大多以有线传输为前提，但面对城市供电电网 这样大规模的地下电缆网络，各种有线传输方式都存在着铺设难、成本高、难以维护等问 题。
武汉大学 2013 年度大学生创新创业训练计划申报书
填表时间：2013 年 03 月 13 日
项目名称
电缆接头温度在线实时监测实验 基于目前国内外电缆温度检测方法普遍存在的铺设难、 成本高、 维
项目创新特色概 述
百度文库
护困难等问题，本项目通过建立电缆表面温度和线芯温度间的数值关 系，实现电缆接头温度的在线实时监测。具有成本低，精度高，方便快 捷等特点。
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3 、研究趋势： 基于目前国内外电缆温度检测方法普遍存在的铺设难、成本高、维护困难的问题；以 及对于分布式传感器则多采用蓄电池供电，影响了使用寿命；同时大都只是监测了易过热 点温度，并未监测很大程度影响温度变化的电流值、环境温度，不利于准确判断发热原因、 评估电缆接头运行状况；其次有些方法需要运行人员到现场巡检，不能实现远程监测，不 能实现电力系统监测自动化、信息网络化等一系列要求。研制一套基于无线通讯技术的电 缆接头温度远程在线实时监测与故障分析系统，是电力系统高压设备发热监测的必然发展 趋势，对于提高城市供电电缆运行安全性与城市供电水平有着重要的现实意义。 4 、参考文献： (1) 樊会丛 .新型电缆接头温度监测系统——系统电源设计与实现[D]. 北京：华北电力大 学，2006. (2) 陈慧斌.新型电缆接头温度监测系统——客户端软件设计与实现[D].北京：华北电力大 学，2006. (3) 虢红霞 . 基 于光纤 光栅 的电 力电 缆温度 在线 监测 系统研 究 [D]. 武汉 ：武 汉理工大 学,2010. (4) 樊冰.电缆接头温度监测系统终端装臵的设计与实现[D].北京：华北电力大学，2006. (5) 姜芸，闵虹，夏荣，等．高压交联电缆接头局部放电的电容耦合法检测机分析[J]．高 电压技术，2010,36(8)：2005~2011. (6) 牛海清，周鑫，王晓兵,等 .外皮温度监测的单芯电缆暂态温度计算与试验[J].高电压 技术,2009,35(9)：2138-2143. (7) 常炜.新型电缆接头温度监测系统——服务器端软件设计与实现[D].北京：华北电力大 学，2006. (8) 徐元哲，王乐天，刘雪冬，李波 . 电力电缆接头测温系统的设计 [J]. 高电压技术， 2009,35(12):2977~2982. (9) 周鑫.单芯电力电缆导体温度计算及试验研究[D].广州：华南理工大学，2010. (10) 刘 毅 刚 , 罗 俊 华 . 电 缆 导 体 温 度 实 时 计 算 的 数 学 方 法 [J]. 高 电 压 技
工学
2013 年 4 月至 2014 年 3 月
联系电话 13163293850 13886027675 13212747032 13163295158 13163297703
E-mail 657608051@qq.com 1144920309@qq.com 476306186@qq.com 465267203@qq.com 905317065@qq.com
项目总流程图
1. 软件工具选用 本项目中选用 Ansys 作为有限元分析软件，采用 matlab 进行数据分析。 Ansys 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软 件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国 ANSYS 开发，它能与多数 CAD 软件接 口，实现数据的共享和交换，如 Pro/Engineer, NASTRAN，Alogor, I－DEAS, AutoCAD 等， 是现代产品设计中的高级 CAE 工具之一。 MATLAB 是美国 MathWorks 公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数 据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，为科学研究、工程设计以及必须 进行有效数值计算，众多科学领域提供了一种全面的解决方案。 有限元法的基本思想是将连续的求解区域离散为有限个按照一定方式相互连接的单元
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二、立项背景（研究现状、趋势、研究意义等，参考文献和其他有关背景材料） 1 、研究背景： 电力工业是国家经济建设的基础工业，在国民经济建设中有举足轻重的地位。电力系 统的根本任务是“安全、可靠、优质”地供应电能。 随着电力电缆的广泛使用，在城市 供电系统中存在着大量的电缆接头。在运行过程中，由于受到电、热、机械、环境等各种 因素作用，极易引发故障。特别是电缆接头，在用电过负荷，天气炎热，老化或接触电阻 过大而发热，引起温度过高，导致接头处绝缘劣化，甚至击穿而造成事故。
申 请 人 或 申 请 团 队 信 息
杨文 涛 蔡磊 陶文 栋 易先 坤 王纾 淇
注：项目负责学生的信息填写在本栏目的第一行，成员共计不超过 5 人。
导 师 信 息
姓名 阮江 军
院（系） 电气工程学院
职称 教授
联系电话 13807134399
E-mail ruan308@126.com
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一、申请理由（包括自身具备的知识条件：特长、兴趣等） 指导老师——阮江军： 博士，教授，博士生指导教师，中国共产党党员，武汉大学电气工程学院实验中心主 任，IEEE 会员，中国电机工程学会电能质量及电磁兼容专委会委员，湖北省电机工程学会 直流输电专委会委员。 杨文涛： 学习成绩十分优异，名列年级前茅，并曾获得甲等奖学金，专业知识掌握比较扎实， 擅长美术绘画，在班里担任宣传委员。善于思考，勇于探索，思维敏锐，做事认真负责， 一丝不苟。并在院学生会宣传部和青年志愿者协会工作，参与过各种学生活动，组织能力 和实践能力强。 蔡磊 做事踏实，办事严谨，学习认真，喜欢钻研自己感兴趣的事物。有极强的集体荣誉感 和责任感，喜欢体育运动，爱好桌游，在大学积极参加社会活动和学生会工作。在大一曾 获得新生丙等奖学金和院乙等奖学金。 陶文栋 认真好学，成绩优异，勤奋努力，思维活跃，爱好钻研，热情细心。在班级中担任团 支书一职，踏实扎实务实，工作做到一丝不苟，尽职尽责，积极帮助有困难的同学。在院 学生会工作，并且参加多个学生活动，交际能力与实践能力强。 易先坤 学习成绩一直名列班级前茅，曾获武汉大学甲等奖学金、王星拱校长专项奖学金，对 于软件有着浓厚的兴趣。积极参加学术、学术活动和社团活动，热心帮助需要帮助的同学。 对待学习一丝不苟，发扬艰苦奋斗的精神，动手能力强。 王纾淇 擅长查找资料及书面写作工作，在班中担任生活委员一职，工作一丝不苟，尽职尽责， 并在学生会任职，有很强的组织能力和交际能力，并具有较强的实践能力，曾多次帮助老 师分担工作，是老师的得力助手，并善于团结同学，与老师关系融洽。
术,2005,31(5):52-54. (11) 张尧,周鑫，牛海清，等.单芯电缆热时间常数的理论计算与试验研究[J].高电压技
术，2009,35(11)：2801-2806.
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三、项目方案 本项目研究的目的在于通过对电缆接头进行温度场仿真和实验测量，建立电缆表面温 度和线芯温度之间的数值关系，从而实现对电缆线芯温度非接触式、实时在线诊断。项目 方案主要分为三大部分：模型仿真、物理实验和数据分析。通过综合利用仿真和物理实验 分析结果，可以构建和完善电缆接头温度反演计算的模型，它们将用来对实时监测获得的 存在数据库中的数据进行初步处理。
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据有关资料统计，我国在 1975-1985 年间，因电缆着火造成的重大事故发生 60 起，造 成直接或间接损失达 50 亿。在 1986-1992 年 7 年间，仅我国火电厂发生电缆火灾 75 次， 其中有 24 个电厂发生过两次及以上电缆火灾事故，个别电厂达 4-6 次，70%以上的电缆火 灾所造成的损失非常严重。近十年间，由电气引起的火灾事故在总数中一直占有最大的比 重， 造成的人亡和损失也最大。 国外， 美国在 1965-1975 年统计的 3258 次电气火灾事故中， 电线电缆火灾事故就占 30.5%，直接损失约 4000 万美元。日本曾对电力、钢铁、石油化学、 造纸等工程企业调查，有 78%的单位发生过电缆着火，其中危害程度较大的事故占 40%。由 此可见，因电力电缆故障带来的损失是不可忽视的，严重时直接影响到城市居民的生活和 人生财产安全。
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通过对电缆故障数据分析，发现在电力电缆线路中，电缆附件和弯曲敷设的部位是电力系 统安全运行中的最薄弱环节。由于电缆本身特性，附件(终端、接头)需要在敷设完成后现 场安装，制作时受现场环境不利因素的影响以及制作工艺的限制，而电缆中间接头的压接 质量，只能在运行中得以检验。运行时间越长附件越容易发生过热烧穿事故。同时，经过 一段时间的大电流（过负荷）运行后，往往在压接点处产生过热、氧化，使接触电阻逐渐 增大，接点温度逐渐升高，加速绝缘老化，最终导致绝缘层损坏而造成事故发生。2009 年 国家电网公司系统电力电缆设备运行故障/缺陷情况统计数据表明：不计及外力破坏原因， 大于 70%的电力电缆线路运行故障是由电缆附件故障引起的。当电缆本体在同一环境中直 线敷设时，电缆本体中电场的分布和电流引起的热场的分布是基本对称的，而当电缆进行 弯曲敷设时，弯曲的部分使绝缘本体发生变形，直接影响绝缘密度和强度，最终导致电场 和热场的分布变形。所以弯曲敷设部位也是电缆系统极易发生故障的部位。
项目所属一级学科 起止时 申请经费 1500 元 间 姓 名 学 号 院（系） 、专 业 2011302540024 2011302540095 2011302540072 2011302540079 2011302540083 电气工程 学院 电气工程 学院 电气工程 学院 电气工程 学院 电气工程 学院