风力发电机组扭缆接头测温度监测的方法

申文强，王政刚、周洪国

单位：中车山东风电有限公司

山东济南邮编：250000

摘要：为解决风力发电机组扭缆接头由于多次扭转容易出现松动和氧化而造成局部超温现象，文中论述对应温度监测方法。通过分析传统人工巡检和有线传感方式的局限性，从传感器选择、测点布置、供能通信至预警策略等方面提出系统性优化方案。其要点包括使用柔性薄膜热电偶和磁控溅射封装来适配动态扭转；在热力耦合仿真的基础上，对测点的布置进行优化；采用空间磁场取能和LoRa无线通信相结合的方式，较好地解决供电和传输困难的问题；构造基于温升速率和扭转相关的动态预警模型。其目的是为扭缆接头温度监测提供一条高适应性、高可靠性的技术途径。

关键词：风力发电机组；扭缆接头测温度；监测方法

引言

风力发电机组机舱和塔筒之间动力电缆常用扭缆结构来满足偏航动作要求。扭缆接头处由于长时间受到重复的扭转应力作用，容易发生导体松动、氧化、接触不良等现象，造成局部温度过高，严重时会引起火灾或者停运事故。因此，亟需针对扭缆接头的动态扭转特性，研究适应性强、可靠性高的温度监测方法，本文将从传感器选型、测点布置、供能通信、预警策略四方面进行探讨。

1 风力发电机组扭缆接头测温度监测方法

1.1 基于测温贴的经济实用性监测方案

对于扭缆接头温度监测可以使用不可逆变色测温贴做为一种经济实用的方案。该方案选用适用于电缆接头温度范围的测温贴（如50°C~90°C），张贴于每根动力电缆的接头处^[1]。机组日常检修巡检时，运维人员可根据目视观察测温贴色彩变化情况来判断接头有无发生过温度变化。若测温贴显示温度超过设定阈值（如80°C），则可进一步拆开热缩管检查接头状态，必要时重新压接或更换电缆接头。本方案操作简便、张贴容易、成本低，不需要电源及通信线路，适合对于费用敏感或者没有在线监测的情况。

1.2 基于贴片式温度传感器的在线监测方案

为实现扭缆接头温度的远程、实时、连续监测，采用贴片式温度传感器配合可编程逻辑控制器（PLC）的数据采集方案^[2]。该方案将贴片式温度传感器（如铂电阻或者薄膜热电偶等）紧密贴合于电缆接头的关键部位，传感器输出的模拟信号接入PLC的模拟量输入通道，实现温度数据的实时采集。通过光纤通信技术，将收集到的温度信息传送到中控室，并在SCADA（监控与数据采集）系统里进行展示、记录和深入分析。运维人员可以在中控室中远程查看各个接头的温度变化趋势，并结合历史数据判断故障。本方案在扭缆接头处实现温度在线监测，适合有实时性及远程管理需求的风力发电机组^[3]。

2 风力发电机组扭缆接头测温度监测方法优化策略

2.1 传感器选型与封装策略

鉴于传统传感器对动态扭转工况适应性不强，传感器选型时应优先选择柔性化、无源化等方向。柔性薄膜热电偶被认为是一个相当理想的选择方案，它使用聚酰亚胺或聚酯薄膜作为基础材料，并通过磁控溅射或蒸镀技术在薄膜表面沉积两种不同的金属材料，从而形成热电偶结，该设备的整体厚度能够控制在0.2毫米以下，展现出出色的柔韧性和抗弯折性能，能够紧密贴合扭缆接头的异形表面，并能随着电缆的同步扭转而避免产生疲劳损伤。与传统热电偶相比较，柔性薄膜热电偶在质量与体积上都有显着降低，被测表面热场扰动可忽略，响应速度明显提高。就封装策略而言，需兼顾电气绝缘、机械防护、环境适应性三个层次。传感器本体要用耐高温和耐油污聚酰亚胺薄膜全覆盖包裹，热电偶结点部位要做局部增厚处理、增强耐磨性；引出端以柔性扁平线缆代替传统的圆导线，过渡区应力释放结构设计，经硅橡胶灌封处理后防水防尘等级可达IP67级以上。

2.2 测点优化布置策略

测点布置是否合理，直接决定着温度监测系统故障辨识能力及预警效果。常规的等间距布点或者依靠经验选点，通常会造成测点冗余或者关键区域漏选，需要在仿真分析基础上引入优化布置策略。特别是要建立扭缆接头位置的热力耦合有限元计算模型，并考虑电缆导体电阻损耗、接触电阻生热、绝缘层热阻等热力边界条件和空气对流散热，同时，介绍扭转工况时电缆应力分布及接触压力的变化规律。采用数值模拟的方法分析不同扭转角度和不同负载电流情况下接头内温度场分布特点，确定扭转过程中温升最为显著，接触状态变化最为灵敏的部位。模拟结果一般显示温升热点并不在接头几何中心处，而发生在导体压接端部和绝缘层过渡区应力集中处，该现象和现场实际烧损事故发生部位高度一致。根据仿真的结论，为覆盖因不均匀扭转导致的偏心效应，测点的优化布局应该遵循这样的准则：在电缆的周向上，每120度设置一个测点；沿轴向在压接管两端、中间段以及绝缘层端部四个特征截面分别布置。

2.3 数据传输与取能策略

扭缆接头处于机舱运动部件和塔筒固定结构的过渡带段，它所处的特殊空间位置及运动特性给数据采集系统供能及通信带来独特需求。就取能而言，常规电池供电方案受使用寿命限制且难以替换，电缆内芯取能则涉及高压绝缘安全，不可取。鉴于扭缆内负载着大电流动力电缆并且周围工频交变磁场很强，空间磁场取能量就成了一个可行而又安全的方案。具体设计中可以使用微型磁环或者空心线圈套在电缆外护套内，通过法拉第电磁感应原理得到电能并经整流，滤波，稳压调理等步骤给温度采集节点提供能量。这种取能方式具有不与带电导体直接接触、绝缘安全性高等优点，而且取能功率和电缆负载电流呈正相关关系，正好和发热监测需要同步进行—负载越大、取能越足，对监测要求就越大。从通信方案的选择来看，有线通信由于线缆易损坏被剔除，蓝牙、ZigBee等技术穿透能力及传输距离受限，很难适应塔筒内金属结构的复杂环境。相比较而言,LoRa无线通信技术具有低功耗、远距离、强穿透性等特点，被广泛地应用于工业物联网领域,433兆赫或者868兆赫波段LoRa信号可以有效地穿透塔筒内多层金属结构，把采集到的温度数据传输到设在机舱内或者塔筒基站内的网关节点。

2.4 动态预警与诊断策略

模型的核心思想是把温度变化同扭转动作联系起来，并从温升速率、恢复特性、趋势演变三个维度进行故障特征提取。特别是扭缆接头温度信号及机舱偏航角度信号要同步采集并构造温升速率-扭转次数关联曲线。接触状态好时，各逆转后温升幅值要稳定，回升时间要短；接触电阻由于松动或者氧化等原因增加后，扭转动作将引起更加明显的摩擦发热以及接触压力的波动，具体表现在温升速率反常上升以及降温恢复时间增加。动态预警模型可以设置三层报警逻辑：第一层根据温升速率异常情况，在持续三次扭转动作后温升速率大于两倍历史均值时引发关注报警；第二层根据累积热效应统计某一扭转次数下的积分温升值，并在大于物料容许累积热负荷阈值后触发报警；第三层根据多测点差异度分析同一根接头在不同周向位置处的差异变化情况，差异大于设定限值则提示有局部接触不良。

结语

在扭缆接头处采用传统的红外或者热电偶方法会出现实时性较差、传感器容易损坏、受到形变干扰的情况。文中所提优化策略将柔性薄膜热电偶、磁场取能、LoRa通信和基于扭转疲劳温升预警模型等技术结合起来，有效地突破动态扭转运行状态监测瓶颈。本方案在实现无源无线和适应扭转可靠测量的同时，能够多维度动态诊断和预警暴露故障，显著提高风力发电机组关键电气连接点运行安全及智能运维。

参考文献

[1] 戚玉超.风力发电机组扭缆固定环断裂原因分析及改进方案研究[J].中国科技纵横, 2024(8):82-84.

[2] 母国豪,王本纲,张国巍,等.风力发电机组安全保护技术分析[J].新潮电子, 2024(6):145-147.

[3] 张成平,白文华,李文学,等.风力发电机组及其偏航扭缆结构.CN202110929782.7[2026-04-17].

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