本书主要阐述变电站中常用的绝缘管母接头热点温度非植入式反演及动态载流量预测方法。针对接头接触电阻及边界条件无法准确获取的情况，提出将场分布反演问题降维成热流路径反演问题，利用本体径向热流和导体轴向热流，建立接头热点温度的组合反演模型。针对表面温度测量易受环境影响的情况，提出基于隔热层包覆法的表面温度测量方法，能有效提高绝缘管母表面测温的精度和抗环境扰动能力。针对现有动态载流量研究中均未考虑中间接头和环境影响难以量化的情况，采用热路模型简化三维温度场，利用热点温度反演算法辨识关键热路参数，并从表面温度中提取环境信息，建立动态载流量的滚动预测模型。 本书可作为高等院校高电压与绝缘技术专业研究生的参考书，也可供电力系统设计、运行与检修以及绝缘管母制造厂的科研技术人员参考。

第1章 绪论
　　1.1 研究背景及意义
　　1.1.1 绝缘管母接头热点温度检测的研究背景及意义
　　随着国民经济的快速增长，企业、居民用电量呈直线上升。据统计，2022 年全年全社会用电量达8.64 万亿kW h，比上年增长3.6%，2022 年底全国全口径发电装机容量达25.6 亿kW，比上年底增长7.8%[1] ，激增的供电需求促使电力系统容量大幅提升，导致变压器低压侧额定电流不断增大。与此同时，小动物或其他异物接触、恶劣环境等造成的变压器低压侧短路故障频发，引发了社会对低压侧汇流母线设备安全性的关注，《国家电网有限公司十八项电网重大反事故措施（2018 年修订版）及编制说明》已明确要求主变低压侧母线应绝缘化[2] 。因此，变电站内主变低压侧使用的常规矩形母线、共箱封闭母线及电力电缆已无法适应大容量和绝缘化的需求[3] 。在此背景下，一种新型载流设备——绝缘管型母线（简称“绝缘管母”），由于载流量大、绝缘性能好、结构紧凑等优异特性，在电力、石油、冶金和船舶等工业中均得到了日益广泛的应用，并且有取代传统母线的趋势。据不完全统计，仅2014 年全年，国内各行业使用的绝缘管母总长度接近20 万m，年产值已超过10 亿元人民币[3-4] 。在电力系统中，绝缘管母大多用于变压器或发电机的出线侧，作为电能输送的总导线，绝缘管母一旦发生故障，就等同于变压器或发电机发生故障，因此对绝缘管母运行可靠性的要求提高到了与变压器、发电机相同的程度[5]。
　　国外绝缘管母的发展起步较早，技术成熟，比较知名的母线产品有德国PBP 绝缘母线产品、瑞士雷兹SIS 绝缘母线系统以及瑞士莫泽格拉泽公司的RIP 绝缘管母产品，这些产品在国外已运行超过40 年，在长期挂网运行中表现稳定、可靠。国内大连**互感器有限责任公司于2002 年开始从德国引进技术，2004 年完成型式试验后逐步开始生产干式绝缘管母，随后越来越多的企业开始制造绝缘管母，截至2023 年底，国内生产绝缘管母的企业已有300 多家[4] 。但由于国内绝缘管母应用起步较晚，*早于2004 年投入变电站使用[6] ，产品质量参差不齐，且直到2017 年国家能源局和国家电网有限公司才相继正式颁布实施标准《35 kV 及以下固体绝缘管型母线》（DL/T 1658—2016）[7]和《7.2 kV-40.5 kV 绝缘管型母线技术规范》（Q/GDW 11646—2016）[8] ，因此长期以来绝缘管母在其生产、安装及运行过程中缺乏统一有效的管理，故障频发。
　　截至2019 年，由产品质量、安装工艺、运行环境等因素导致的绝缘管母故障已遍及福建[9-10] 、河南[11-12] 、山东[3，13-14] 、广东[15-21] 、新疆[6，22]、重庆[23]、湖北[3，24] 、四川[5，25-26] 、安徽[27-28]、山西[3]、湖南[29]、陕西[14] 等[30-31]10 余个省（区、市）的数十座变电站。仅广东省就发生过数十起相关事故，据统计，2011—2013 年，佛山地区一共发生了4 起变压器低压侧绝缘管母的绝缘缺陷事故[15]；2013—2016 年，惠州供电局已出现过6 次主变低压侧绝缘管母绝缘降低的情况[16]；截至2018 年，珠海地区14 个使用绝缘管母的变电站中有7 个变电站出现了异常发热现象，缺陷占比高达50%[17]；2013—2015 年，广东电网公司内共发生绝缘管母缺陷故障共35 起，其中9 起为由绝缘击穿导致的变压器跳闸故障[32] 。绝缘管母故障不仅可能直接引发大面积停电，更会造成与其连接的变压器、开关柜等主设备严重受损，对供电安全稳定性及可靠性造成的影响恶劣[3，33]。此外，该类设备一般无通用备品备件，修复周期长。据了解，某发电厂由绝缘管母故障导致停运长达两个月之久，造成了严重的经济损失和极其不良的社会影响[6] 。开展有效的状态检测，及时诊断出潜在缺陷，并优化设备运行是提升绝缘管母可靠性的关键。
　　对文献中40 余起绝缘管母故障进行统计分析[3，5，6，9-31] ，结果如图1.1 所示，接头和终端是绝缘管母系统的薄弱点，故障占比高达70% ，其诱因主要包括密封不良、接触不良和主绝缘缺陷，其中由接触不良引发的故障超过三分之一，仅次于密封不良引发的故障。
　　
　　图1.1 绝缘管母故障统计结果
　　接头接触不良会引发接头过热，温度过高又进一步导致接触电阻变大，从而形成恶性循环，一方面加剧绝缘热老化[34]，降低材料机械强度，另一方面造成接头密封失效，导致潮气侵入而产生局部放电，两者共同作用*终引发绝缘击穿[13，14，35] ，如图1.2 所示。
　　图1.2 绝缘管母接头过热引起的绝缘击穿
　　导体包裹在接头内部，且发热程度与电流大小密切相关，具有一定的隐蔽性和潜伏性，传统检测方法存在盲区。因此，深入探究绝缘管母接头内部热点发热状态的感知方法，实时检测接头热点温度，评估导体接触状态，从而实现过热故障提前预警，具有重要的工程应用价值。
　　1.1.2 绝缘管母接头动态载流量预测的研究意义
　　当前，电力设备输送容量的不足已成为制约我国电网发展的一大因素，其影响主要体现在以下两方面：①我国电力供需虽总体平衡，但内蒙古西部、河北北部、辽宁、浙江、江西、湖北、海南等地电网在部分时段（尤其在迎峰度夏等用电高峰期）的电力供应依然偏紧，仍需采取有序用电措施[1]，由于规划预期与经济实际难免存在偏差，局部地区的用电“卡脖子”问题将长期存在。②设备互通容量不足造成系统运行方式难以安排，尤其是在事故或检修等N -1 方式下运行风险大，调度人员难以合理统筹，有可能导致压限负荷，从而大幅降低电网运行的经济性和可靠性[36-37] 。
　　为解决日益突出的电力供需矛盾，迫切需要对输变电设备进行增容，但新建或改造设备受到资金、土地资源、建设工期及环保问题等客观因素的制约[38] ，且目前电力负荷峰谷差明显，2017 年北京市和天津市电力负荷峰谷差率分别达到了47.03% 和40.85%[39]，2019 年广州电力负荷峰谷差率达到了 46.91% 。由于电力设备温升具有热惯性，实际载荷能力要远高于日负荷峰值，传统的增容方式将导致电力设备利用率大大降低。因此，如何科学、安全地提高现有电力设备的输送容量，已成为一项紧迫而有价值的研究课题。
　　通常，电力设备的额定容量是在*恶劣的天气条件下估计的，以此作为电力调度的参考指标往往会低估设备的载流能力[40]。事实上，电力设备*大允许载荷的真正约束在于热点温度限值，其载流量随环境的变化而动态变化，并非常数。动态增容技术[36，41] 正是基于上述思想，通过对设备和气象条件的实时监测，在不突破导体温度限值的前提下，计算出电力设备的*大允许载流量，即动态载流量，从而在不改变网架结构的基础上深度挖掘电力设备隐性容量，缓解电力建设压力，成为解决局部电力供应“卡脖子”、系统运行方式难调整、设备利用率偏低等问题的优选方案，具有巨大的潜在经济效益，受到电网公司和相关研究机构的广泛关注[42-61]，其核心问题在于准确预测电力设备的动态载流量。
　　动态增容技术是一项系统工程。根据“木桶原理”，绝缘管母作为电网潮流的汇聚点，更容易成为限制输送能力的短板和瓶颈，且其一旦出现问题，危害性极大。因此，深入开展绝缘管母接头的动态载流量预测研究，有助于动态增容技术的进一步推广，经济效益显著。
　　1.2 绝缘管母的结构及工艺
　　按照行业公认的绝缘工艺类型和材料进行分类，目前绝缘管母主要有环氧树脂浸渍纸绝缘浇注型、聚酯薄膜或聚四氟乙烯带绕包型和聚乙烯、三元乙丙橡胶或硅橡胶绝缘挤包型3 种绝缘类型，至少6 种类别的产品[3]，如表1.1 所示。
　　表1.1 绝缘管母主要类型和种类
　　序号 绝缘类型 品种（绝缘材料及结构）
　　1 浇注 环氧树脂浇注型纸绝缘
　　2 绕包 聚四氟乙烯带绕包绝缘
　　3 聚酯薄膜带绕包绝缘
　　4 聚乙烯挤包绝缘
　　5 挤包 三元乙丙橡胶挤包绝缘
　　6 硅橡胶挤包绝缘
　　三大种类产品各自结构和生产流程差异明显，各成一派。其中，浇注型产品在中国出现*早，采用的生产技术从欧洲厂家引进；后来，借鉴干式互感器套管或中压单芯绝缘电缆和共箱母线的绝缘结构和生产技术，衍生出绕包型和挤包型两种类型的产品。
　　1.2.1 浇注型绝缘管母
　　浇注型绝缘管母本体绝缘主要采用绝缘、半导电电工皱纹纸带缠绕，经环氧树脂真空浸渍，加温固化，形成一体化固体绝缘。将半导电带分层按一定尺寸缠绕主绝缘，形成类似套管中的电容屏结构，达到控制场强分布，减少场强集中的效果，如图1.3 所示。
　　图1.3 浇注型绝缘管母基本结构
　　浇注型绝缘管母的中间接头一般采用在导体连接处外罩预制屏蔽筒的形式，屏蔽筒内部同样具有电容屏结构，内屏与导体相连形成等电位，保证导体连接处没有电场，外屏为接地屏，高压场强均由屏蔽筒承担，如图1.4 所示。
　　浇注型绝缘管母具有以下优势：①环氧树脂浸渍纸绝缘是一种绝缘纸与环氧树脂的复合绝缘，导体、半导体层和绝缘纸经加温固化后，形成致密、紧实的一体化结构，既具有绝缘纸和环氧树脂的良好绝缘和介电性能，又保持良好的机械特性。已证实该结构形式能有效保证至少35 kV 电压等级产品不发生内部局部放电。②终端和屏蔽筒的电容屏结构能够有效控制场强，且实现简单，均压结构存在于绝缘内部，均在工厂预制，可靠性较高。
　　③绝缘屏蔽筒保障了设备在连接处依然保持全绝缘性能，提高了安全性。
　　同时，其绝缘结构和工艺也使得浇注型绝缘管母存在以下技术难点：①环氧材料本身较脆，特别是屏蔽筒，在运输、安装中对防止跌落、撞击的要求较高，同时需要考虑运行中的振动问题，以避免绝缘产生局部缺陷。②电容屏结构必须合理设计，并在生产、安装中确保尺寸，否则可能导致局部场强集中，危害绝缘。③生产浇注型绝缘管母需要大型真空浇注和加温固化设备，因其生产工艺复杂，该结构绝缘管母生产难度较大，成本较高[3]。
　　1.2.2 绕包型绝缘管母
　　绕包型绝缘管母的绝缘结构与浇注型绝缘管母类似，其利用聚四氟乙烯带或聚酯薄膜带缠绕，层间涂抹硅油形成主绝缘，主绝缘中缠入多层半导体或导体材料，形成电容屏，均匀场强。
　　绕包型绝缘管母中间接头存在多种技术方案。
　　**种与电缆接头结构类似，是在导体连接处外绕包半导电带，均匀场强，然后在半导电带外缠绕主绝缘层，并恢复接地屏和外护套，结构如图1.5 所示。
　　图1.5 绕包型绝缘管母直接绕包型中间接头结构
　　第二种是在接头处将导体焊接成与本体等外径的连接结构，然后按照本体的导体屏蔽层、绝缘层、电容屏和接地屏逐层以缠绕方式恢复，并与所连接的两端管母端部结构接续成一个整体的无缝式形式，如图1.6 所示。
　　图1.6 绕包型绝缘管母无缝式中间接头结构

目录
第1章绪论/1
1.1研究背景及意义/2
1.1.1绝缘管母接头热点温度检测的研究背景及意义/2
1.1.2绝缘管母接头动态载流量预测的研究意义/4
1.2绝缘管母的结构及工艺/4
1.2.1浇注型绝缘管母/5
1.2.2绕包型绝缘管母/6
1.2.3挤包型绝缘管母/7
1.3国内外研究现状/7
1.3.1绝缘管母运行状态的带电检测方法/7
1.3.2中间接头热点温度检测方法/9
1.3.3电力设备动态载流量预测方法/10
1.3.4现有研究存在的不足/16
1.4本书内容概要/18
第2章绝缘管母接头温度场的正问题求解与反演基本思路/21
2.1温度场的正问题与反问题/22
2.2绝缘管母接头传热的计算原理/23
2.2.1热传导/23
2.2.2热对流/24
2.2.3热辐射/25
2.2.4边界条件/26
2.3绕包型接头温度场仿真/27
2.3.1热传导计算的小模型验证/27
2.3.2计算模型与材料参数/28
2.3.3边界条件与热源加载/30
2.3.4网格优化/32
2.3.5母线长度确定/32
2.3.6时间步长优化/33
2.3.7绕包型接头温度场分布规律/34
2.4屏蔽筒接头温度场仿真/35
2.4.1对流-辐射仿真的小模型验证/35
2.4.2计算模型与材料参数/37
2.4.3边界条件与热源加载/38
2.4.4网格优化/39
2.4.5时间步长优化/42
2.4.6屏蔽筒接头温度场分布规律/42
2.5绝缘管母接头热点温度反演的基本思路/45
2.5.1“主热流”路径反演思路/45
2.5.2接头温度场相似性分析/46
2.5.3接头热点温度组合反演思路/47
2.6本章小结/48
第3章绝缘管母接头热点温度反演模型与接触状态评价方法研究/49
3.1绕包型接头热点温度反演模型/50
3.1.1导体轴向温度反演模型/50
3.1.2本体径向温度反演模型/55
3.1.3组合温度反演模型/64
3.2屏蔽筒接头热点温度反演模型/65
3.2.1屏蔽筒接头的特点及其对导体轴向温度反演的影响/66
3.2.2组合温度反演模型/69
3.3绝缘管母接头组合温度反演模型的仿真验证/70
3.3.1绕包型接头反演效果的仿真验证/70
3.3.2屏蔽筒接头反演效果的仿真验证/75
3.4绝缘管母接头导体接触状态的评价方法/78
3.5本章小结/79
第4章热点温度反演理论的温升试验验证/81
4.1绝缘管母接头温升试验平台的搭建/82
4.1.1试验平台概况/82
4.1.2绝缘管母接头安装/82
4.1.3升流器选型/85
4.1.4温度传感器校准/86
4.2本体径向温度反演验证/88
4.2.1温度传感器布置/88
4.2.2试验结果/88
4.3热点温度组合反演验证/90
4.3.1温度传感器布置/90
4.3.2绕包型接头/90
4.3.3屏蔽筒接头/93
4.4本章小结/96
第5章绝缘管母接头动态载流量预测/97
5.1动态载流量滚动预测模型的建立/98
5.1.1总体思路/98
5.1.2接头等效阻容参数的辨识/100
5.1.3环境致热温度的时间序列预测模型/101
5.2试验验证与分析/110
5.2.1试验方法/110
5.2.2绕包型接头的试验结果与分析/110
5.2.3屏蔽筒接头的试验结果与分析/117
5.3本章小结/121
参考文献/122