福州大學電氣工程與自動化學院的研究人員林晨炯、林珍、吳雅琳，在2019年第5期《電氣技術》雜志上撰文指出，由于電力電纜接頭絕緣材料不好、接觸電阻過大或制作工藝不達標等原因，會引起電纜接頭溫度過高，造成電纜接頭處絕緣老化甚至擊穿，因此，以溫度為尺度去監(jiān)測電力電纜接頭的運行狀態(tài)，對有效預防事故發(fā)生具有重要意義。
本文總結了幾種現有的電纜接頭測溫方法，并對每種測溫方法的原理及其優(yōu)缺點進行綜述。最后，展望了電纜接頭溫度監(jiān)測的發(fā)展方向。
隨著城市生活用電和生產用電的需求越來越大，電網發(fā)展勢頭日漸迅猛，對配電線路的穩(wěn)定性也提出了更高的要求。電力電纜作為城市內傳輸電能的主要通道，平均每年以35%的增量快速發(fā)展。電纜故障往往是由接頭引起，而6～10kV的配電電纜每隔300～500m中就有一個接頭。因此，電纜接頭在龐雜的配電網絡中不計其數，存在的安全隱患不可小覷。絕緣水平下降往往是電力電纜接頭出現故障的主因。
絕緣水平下降，泄露電流增大，損耗隨之增加，最終導致溫度升高；溫度升高又會加速絕緣老化，泄露電流增大，溫度再升高，最終導致絕緣擊穿。因此，可將電纜接頭溫度作為電纜運行狀態(tài)的一個參量，對電力電纜的運行狀態(tài)進行監(jiān)測。
1 電纜接頭測溫方法
電纜接頭溫度監(jiān)測在國內外已有不少的研究成果。以信號采集方式劃分，主要有電信號測溫和光信號測溫兩類；以有無電源來劃分，主要有有源無線測溫和無源無線測溫兩類。
電信號測溫法主要有熱電偶測溫和集成傳感器測溫兩類。光信號測溫法主要包括紅外測溫、光纖光柵測溫和基于拉曼散射的分布式光纖測溫。有源無線的測溫法主要包括數字溫度傳感器、熱電阻及熱敏電阻等。采用無源無線的測溫方法是一種新興的測溫途徑，主要代表是聲表面波測溫。
2 電信號測溫
2.1 熱電偶測溫（略）
熱電偶是自發(fā)電型傳感器，無需外加電源即可測量溫度。熱電偶傳感器的測溫原理是基于熱電效應。熱電偶測溫示意圖如圖1所示。將A、B兩根不同材質的導體（或半導體）焊接起來形成一個閉合回路。當接點1和接點2之間的溫度不同時，便在回路中產生熱電動勢，這種現象就是熱電效應。
在測溫時，將接點1焊接起來作為測量端，放置于被測溫度所在地；同時分開接點2，接入顯示儀表或者變送器，稱為參比端，參比端要保持溫度恒定。
圖1 熱電偶測溫示意圖
熱電偶具有結構簡單、制造方便、測溫范圍寬、準確度較高、穩(wěn)定性好以及熱慣性小等優(yōu)點，但同時也存在兩個缺點：①安裝時，當電纜接頭較多的情況下，布線繁雜，現場難以維護；②參比端的溫度需要保持恒定。而電纜運行環(huán)境不同，溫度也會不同，此時參比端的溫度會隨之改變且極難修正。因此，熱電偶常用于鋼鐵工業(yè)中鋼水溫度的連續(xù)測量和反應堆測溫，監(jiān)測電纜接頭溫度時不常采用此方法。
2.2 集成傳感器測溫（略）
集成傳感器由硅半導體制成，也稱其為硅傳感器。它的基本原理是將補償電路、放大電路和敏感元件集成封裝在一個殼體中，通過測量PN結的電流和電壓數值來確定待測物體溫度的大小。
集成傳感器測溫具有反應快、性價比高、體積小以及線性好的特點，適合電纜接頭溫度在線監(jiān)測，不足之處在于要預防電纜的電磁干擾對測溫精度的影響。
3 光信號測溫
3.1 紅外測溫（略）
紅外測溫理論是由普朗克黑體分布定律發(fā)展而來。紅外測溫法是通過紅外線輻射波長與被測溫度之間的函數關系來確定物體的溫度。所有溫度高于絕對零度的物體一直向外輻射紅外能量。物體的表面溫度與紅外能量的大小和紅外波長的分布有著密切聯系。因此，只要測得紅外波長及其能量大小，就可計算出被測物體的表面溫度。
紅外測溫系統的構成如圖2所示。紅外測溫儀接收到由大氣傳輸過來的被測設備的紅外線輻射，被測設備輻射的能量匯聚于紅外測溫儀探測器上，探測器將輻射信息轉換成電信號，經信號處理之后顯示輸出。
圖2 紅外測溫系統
紅外測溫儀使用靈活，不需要與被測物體直接接觸，但需要工作人員手持設備對電纜接頭、刀閘等部位進行測溫，適合人工巡檢測溫，無法實現在線監(jiān)測。除此之外，還存在價格昂貴、體積大，測量精度受測試距離影響大等缺點。
3.2 光纖光柵測溫（略）
光纖光柵測溫法是將測溫和信息傳輸分開，溫度測量用光柵探頭，信息傳輸用光纖，光柵探頭和相連的光纖合起來稱為光纖光柵測溫。
光纖主要由3部分組成：心層、包層和保護層。光柵是在心層折射率受到周期性調制后形成。測溫時由光源將一束寬帶光射入光纖。這一光束在到達光柵探頭時，被光柵反射回一個滿足Bragg條件的入射光波長，稱其為Bragg波長。
光纖光柵工作原理如圖3所示。Bragg波長與光柵條紋周期成線性關系，而基于熱脹冷縮原理，光柵條紋周期又會隨著溫度變化。故而，通過測量Bragg波長大小，就可測得光柵處的溫度。
圖3 光纖光柵工作原理
光纖光柵傳感器不適用于配電柜內及戶外高壓配電裝置等場合，但因其體積小、抗電磁干擾能力強、安全性高和安裝簡便等優(yōu)勢多用于電纜接頭溫度在線監(jiān)測。在實際應用中，入射光波長會受溫度和應力的雙重影響，測溫精度會有所影響。此外，還有諸如造價昂貴、安裝復雜等劣勢。
3.3 分布式光纖測溫（略）
分布式光纖測溫技術于20世紀70年代末提出，并由專業(yè)人員研究出分布式光纖瑞利散射測溫、分布式光纖布里淵散射測溫以及分布式光纖拉曼散射測溫3種測溫技術。
其中，瑞利散射測溫技術在使用常規(guī)材料的光纖時溫度變化不大，所以實際應用不多；布里淵散射測溫技術的研究起步較晚，雖然傳感距離、空間分辨率和測量精度等性能都最好，但制造昂貴而復雜，還未大量投入商業(yè)使用。拉曼散射測溫技術已趨于成熟并實用化，各項性能都較好，因此得到普遍應用。
拉曼散射的分布式光纖測溫技術具有只對溫度敏感、抗電磁干擾強、絕緣性能好以及可實現大范圍分布式測量等優(yōu)點。同時也存在空間分辨率不足、無法定位具體測溫點、光纖易折以及易斷導致光損耗等缺點。分布式光纖具有精準測量光纖沿線上任一點溫度的顯著優(yōu)點，除了常將其用于電纜接頭測溫外，還用于高壓開關柜溫度監(jiān)測中。
此外，分布式光纖測溫和光纖光柵測溫都在積灰后導致絕緣水平下降，從而存在光纖沿面放電的安全隱患。
4 無線測溫
4.1 有源無線測溫
有源無線測溫法是指將溫度傳感器與無線通信技術結合，溫度傳感器對發(fā)熱點進行測量，將測得的溫度信號通過無線芯片傳輸到終端監(jiān)測設備，終端監(jiān)測設備接收溫度信號轉換成溫度信息顯示出來。
常見的溫度傳感器有數字溫度傳感器、熱電阻、熱敏電阻等。有源無線測溫法可直接監(jiān)測電纜接頭溫度變化，具有成本低、無需布線、穩(wěn)定性好以及實現溫度信號的無線傳輸等優(yōu)點，但溫度傳感器需要電池或者小CT取能供電才能工作。
電池供電的缺點就在于需定時更換電池且電池抗高溫能力差。而小CT取能深受電纜電流影響，若電流過小，則供電不夠；若電流過大，則易燒壞小CT甚至傳感頭?？梢?，小CT供電缺乏普遍性。除電纜接頭溫度測量外，有源無線測溫法還常用于開關柜溫度監(jiān)測中。
4.2 無源無線測溫（略）
無源無線測溫技術采用聲表面波傳感技術（surface acoustic wave, SAW）。聲表面波傳感器原理：當被測對象溫度變化時，元器件諧振頻率隨之發(fā)生變化，通過對諧振頻率的測量得出被測對象的溫度。聲表面波溫度傳感器的核心部件是聲表面波諧振器，其結構如圖4所示，分延遲線型和諧振型兩類。
圖5 聲表面波諧振器結構
聲表面諧振器采用法布里一珀羅諧振腔。測溫時，壓電基片沿面產生聲表面波，溫度一旦變化，聲阻抗便無法連續(xù)，進而產生聲波反射，如此便在叉指換能器和反射柵的腔體內形成諧振。受溫度影響，諧振的頻率會發(fā)生改變。因此，只需測得變化的諧振頻率，就可通過算式算出被測對象的溫度。
通過合理選擇叉指換能器的尺寸、壓電基片材料與切向，可使溫度系數的高階項接近于零，則溫度與諧振頻率呈近似線性關系。
聲表面波傳感器具有無源、免維護、體積小、成本低等優(yōu)點，常用于高壓開關柜溫度監(jiān)測和高壓輸電電纜接頭溫度監(jiān)測。聲表面波測溫技術仍在發(fā)展階段，還存在傳輸距離短（一般只有0.5m）和穩(wěn)定性不足的問題亟待解決。
結論
本文主要介紹了電信號傳感系統測溫、光信號傳感系統測溫以及無線測溫這3類國內外常見的電纜接頭測溫方法，并闡述了各種測溫方法的優(yōu)缺點。在實際工程中，由于設備運行環(huán)境不同，資金投入不同，應綜合評價各類測溫方法，選取經濟效益最優(yōu)化的測溫方式，以達到最好的電纜接頭溫度監(jiān)測效果。
在可以預見的將來，聲表面波測溫具有極大的應用前景，只要逐步攻克傳輸距離短和不夠穩(wěn)定的難題，聲表面波傳感器在電力系統中的運用就會越來越廣泛。
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