感温电缆温度-电阻特性评估方法研究

谭风雷，朱超，邓凯，丁凯，陈昊

(国网江苏省电力有限公司检修分公司，江苏 南京 211102)

0 引言

感温电缆是一种利用导线间电阻随温度变化实现探测线路区域温度测量并输出报警信号的装置，具有灵敏度高、装设方便的优点。感温光纤[1－2]是一种利用光时域反射原理和背向拉曼散射温度效应实现探测线路连续温度测量并输出报警信号的装置，具有抗干扰能力强、报警温度值任意可调的优点。相对感温光纤，感温电缆更加简单，更加适用于分区域、短距离的火灾报警场合，广泛应用于变电站内高压变压器、电抗器的火灾报警，是保护变电站设备安全运行的重要手段[3－6]。根据保护的设备不同，感温电缆设置的报警温度不同，常见的报警温度有70℃、85℃、105℃、138℃和180℃五种。近年来，随着电力系统的不断升级，特高压电网得到大规模建设，感温电缆在特高压变压器、换流变压器上得到广泛应用。为确保设备消防安全，加强变电站(换流站)消防水平建设，消除消防安全隐患，感温电缆作为重要的消防设备，其重要性更是不言而喻[7－10]。

尽管感温电缆应用十分广泛，但也存在一定缺陷。一方面，感温电缆在安装、运输过程中易受外力作用发生短路、断路等情况；另一方面，感温电缆一般工作在室外，长期经受高温高湿，导致绝缘性能降低，使得温度－电阻特性发生变化，不能满足工作要求，易引发误报火警的情况，干扰运维人员的正常工作[11－12]。目前，针对感温电缆误报火警的解决思路较少，部分专家提出了干扰抑制方法[13－15]，该方法通过改变运行环境、加装抗干扰设备等方式来优化工作环境，从而提高感温电缆运行可靠性，但未从本质上解决误报火警的问题。文献[16]提出一种感温电缆性能检测方法，该方法通过定量检测感温电缆性能，有效避免了性能较差的感温电缆在现场应用，从而减少了感温电缆的误报火警率，但该方法的性能评价标准过于主观，缺乏一定的理论依据。考虑到感温电缆是热敏元件，其电阻就是温度的直接表现，即温度－电阻特性是衡量感温电缆是否可靠运行的关键，则感温电缆状态可间接由温度－电阻特性来表征，难点是得到温度－电阻特性，并根据温度－电阻特性来评估感温电缆状态。

为解决上述难题，构建一种温度发生容器，通过模拟不同的温度环境，实现感温电缆温度－电阻特性曲线的绘制，并提出一种感温电缆温度－电阻特性评估方法，实现感温电缆状态评估。因此首先研究感温电缆等效测量电路、温度－电阻特性曲线和火灾报警原理。然后基于感温电缆温度－电阻特性标准曲线与实际曲线的对比情况，将感温电缆温度－电阻特性进行量化分级，并给出了各等级对应的处理方法。最后通过研制温度－电阻特性评估装置验证了方法的可行性。

1 感温电缆工作机理

1.1 感温电缆测量电路

感温电缆是一种热敏元件，用于测量某段探测区域的温度变化，一般由两根热敏材料导线构成，随着环境温度变化，两根热敏材料导线之间的绝缘电阻迅速变化，即可通过测量绝缘电阻值来衡量环境温度。

感温电缆测量电路一般包括微机处理器、感温电缆和终端电阻三个部分[17－18]。设微机处理器内部电源电压为U0，电阻为R0；微机处理器两端电压为U1，感温电缆等效电阻为R1，终端电阻为R2，则测量电路的等效结构如图1所示。

图1 感温电缆测量电路等效结构

根据图1可知，感温电缆的测量电路有四种工作状态:

1)当感温电缆温度正常时，R1≫R2，U1＝U0R2/(R0＋R2)；

2)当感温电缆两根热敏材料导线短路时，U1＝0；

4)当感温电缆附近发生火灾时，R1迅速降低，U1＝U0R1R2/{[R0＋R1R2/(R1＋R2)](R1＋R2)}。

根据微机处理器两端电压值，即可判断感温电缆的工作状态。

设常温下，感温电缆内两根热敏材料导线任意两点间的绝缘电阻为RZ0，则感温电缆等效电阻R1为RZ0；当探测区域内某点温度异常达到T，且其他区域处于常温时，设感温电缆内两根热敏材料导线任意两点间温度达T时的绝缘电阻为RZT(RZT≪RZ0)，则感温电缆等效电阻如图2所示，即异常温度点左右两侧可各自等效成一个RZ0电阻，异常温度点可等效成一个RZT电阻，此时感温电缆等效电阻R1可表示成:

图2 感温电缆等效电阻

1.2 感温电缆温度-电阻特性

感温电缆内两根热敏材料导线的绝缘电阻具有显著的负温度特性，即随着温度升高，绝缘电阻随之降低，反之随着温度降低，绝缘电阻随之增加，但当温度上升到一定程度后，绝缘电阻下降较慢，其典型的温度－电阻特性如图3所示。

图3 感温电缆温度－电阻特性

显然，图3中当温度小于70℃时，感温电缆的绝缘电阻下降较快；而当温度大于70℃后，感温电缆的绝缘电阻下降越来越慢。这就是感温电缆典型的温度－电阻特性，当然感温电缆温度－电阻特性略有不同，但变化趋势基本一致。

1.3 感温电缆报警原理

基于感温电缆温度－电阻特性，可以得到不同温度下的电阻值，不同电阻值在感温电缆的测量电路中对应微机处理器两端不同电压，则通过测量微机处理器两端电压即可间接得到感温电缆附近的温度。设感温电缆火灾报警温度为T0，对应的绝缘电阻值为RT，当U1满足式(2)时，微机处理器将会发出报警信号。

2 感温电缆温度-电阻特性评估方法

感温电缆在运输、安装等过程中，往往会因外力等因素造成内部热敏材料导线弯折，发生短路、断路，温度－电阻特性不能满足要求的情况，导致误报火警。因此，在感温电缆投入使用前，对其温度－电阻特性进行测试评估，特性较差的感温电缆就不再投入使用。

感温电缆的温度－电阻特性是指一定范围内感温电缆绝缘电阻随温度变化的曲线，温度一般在几十摄氏度到一百多摄氏度之间变化，而正常情况下，环境温度是无法达到的，因此需要模拟一个温度发生容器，可使感温电缆均匀受热且温度线性可调。基于上述分析，利用水作为导热介质，在一个加热容器中充满水，把感温电缆放入水中，通过加热容器内的水，使得感温电缆温度上升，这样对水温的控制，即可实现感温电缆温度的控制。然后搭建类似图1的感温电缆电阻测量电路，即可实现不同温度下感温电缆电阻的测量，拟合得到感温电缆温度－电阻的实际特性曲线。

感温电缆温度－电阻特性测量电路如图4所示，主要包括装置终端、加热容器和加热控制器3个部分，其中装置终端用于测量并绘制感温电缆温度－电阻特性曲线，加热容器用于为感温电缆提供温度环境，加热控制器用于接收装置终端的目标温度并将感温电缆温度加热至目标温度。装置终端与感温电缆首端相连，加热控制器与感温电缆尾端相连，通过装置终端、感温电缆和加热控制器构建感温电缆温度－电阻特性测量电路，而装置终端和加热控制器可通过无线方式通信。

图4 感温电缆温度－电阻特性测量电路示意图

设感温电缆测量的最低温度为Tmin，测量的最高温度为Tmax，TG为相邻测量点温度间隔，R1i为第i个温度测量点对应的感温电缆测量电阻值，R1(i＋1)为第i＋1个温度测量点对应的感温电缆测量电阻值，Tt表示测量点所对应的温度值，则第i个温度测量点到第i＋1个温度测量点间感温电缆温度－电阻特性实际曲线F(Tt)可表示为:

根据感温电缆温度－电阻的实际特性曲线，与标准特性曲线进行比对，即可实现感温电缆特性评估。结合感温电缆实际使用情况，将温度－电阻特性分为三个等级，分别为优、良、差，设感温电缆达到火灾报警温度时对应的标准电阻为RT0，感温电缆达到火灾报警温度时对应的实际电阻为RT1，最高环境温度为T1，感温电缆达到T1时对应的实际电阻为R10，感温电缆达到Tmin时对应的实际电阻为RTmin，感温电缆达到Tmax时对应的实际电阻为RTmax，电压测量精度为E，则各等级区域划分如图5所示。

图5 感温电缆温度－电阻特性区域划分

根据图5可得感温电缆各等级区域的定义，具体如下:

1)当R10＞RT0时，感温电缆温度－电阻特性等级为优，则感温电缆可直接使用或微调测量电路相关参数后使用；

2)当R10≤RT0且温度－电阻特性曲线满足式(4)时，感温电缆温度－电阻特性等级为良，则调整感温电缆测量电路相关参数后才能使用，且需定期关注感温电缆温度－电阻特性变化情况，一旦特性无法满足要求，需要立即更换；

3)当式(4)或式(5)不能满足或感温电缆发生短路、开路故障时，感温电缆温度－电阻特性等级为差，此时感温电缆将无法使用，需要立即更换。

3 感温电缆测量电路参数调整方法

当感温电缆温度－电阻特性等级为优或良时，可结合感温电缆的实际特性调整测量电路相关参数，使得感温电缆可继续使用，不会发生误报火警的情况。结合感温电缆的测量电路，可通过调整微机处理器两端电压报警值或终端电阻值两种方法来保证感温电缆正常工作。

1)可将微机处理器两端电压的报警值调整为:

2)在感温电缆测量电路中串联电阻，使得终端电阻值增大，则串联电阻R3为:

4 现场测试

为验证方法的有效性，研制感温电缆温度－电阻特性测量的装置终端，如图6所示，主要包括曲线绘制模块、温度控制单元、电阻测量电路和显示屏4个部分，其中曲线绘制模块主要是用于绘制感温电缆温度－电阻特性曲线，温度控制单元用于控制感温电缆环境温度，电阻测量电路用于测量感温电缆在不同温度下对应的电阻值，显示屏用于显示温度－电阻特性曲线。

图6 感温电缆温度－电阻特性测试装置

4.1 电阻测量精度

感温电缆电阻测量精度是绘制温度－电阻特性曲线的前提，对某厂家生产的感温电缆的温度－电阻特性进行测试，结果如图7所示。显然标准曲线和测量曲线基本重合，且两者的最大误差被控制在±15%以内，表明测量装置具有较高的电阻测量精度，能够满足感温电缆现场应用要求。

图7 感温电缆温度－电阻特性曲线对比

4.2 装置可靠性

根据感温电缆测量得到的温度－电阻特性曲线，即可实现感温电缆温度－电阻特性评估。在某500 kV变电站进行应用，通过评估感温电缆温度－电阻特性后，对感温电缆测量电路参数进行了调整，调整后感温电缆工作正常，未发生误报火警的情况，从而验证感温电缆温度－电阻特性评估方法和测量电路参数调整方法的有效性与可行性。

5 结语

1)在深入研究感温电缆等效测量电路和温度－电阻特性的基础上，分析感温电缆实现火灾报警的原理。

2)提出了一种感温电缆温度－电阻特性评估方法，将感温电缆温度－电阻特性分为优、良、差三个等级，其中感温电缆温度－电阻特性等级为优或良时，可通过调整微机处理器两端电压报警值或终端电阻值两种方法来保证感温电缆正常使用，而感温电缆温度－电阻特性等级为差时，感温电缆将无法使用，需要立即更换。

3)研制了一种感温电缆温度－电阻特性测试装置，从电阻测量精度和装置可靠性两个方面验证感温电缆温度－电阻特性测量方法的可行性。