論文之十七電力電纜表面溫度監(jiān)控和實時載流量計算系統(tǒng)

1、論文之十七：電力電纜表面溫度監(jiān)控和實時載流量計算系統(tǒng)研究與應用嚴有祥1 蘇雪源1肖傳強2 (1廈門電業(yè)局;2北京興迪公司)摘要：本文介紹了采用分布式光纖測溫技術開發(fā)的高壓電力電纜表面溫度監(jiān)控和實時載流量計算系統(tǒng)主要原理、系統(tǒng)結構和特點以及在電纜線路運行監(jiān)測中的應用情況，通過分析一次報警實例，說明分布式光纖測溫系統(tǒng)具有測量可靠性，反應靈敏性等特點。關鍵詞：分布式光纖測溫 電力電纜 載流量計算1、前言高壓電纜的表面溫度反映了電纜的運行情況。不論是過負荷運行還是電纜運行環(huán)境發(fā)生變化或者是電纜線路本身絕緣故障（如主絕緣局部放電或護層絕緣被破壞后引起的各種故障）都會引起電纜表面溫度發(fā)生變化，因此監(jiān)測電纜

2、表面溫度可以及時發(fā)現(xiàn)電纜異常情況，及時采取措施，避免事故發(fā)生【1】。另一方面，恒定負載或周期負載條件下，通過測量電纜表面溫度，可以精確計算出電纜線芯導體溫度【2】，從而為在各種運行環(huán)境下合理制定電纜允許載流量提供科學依據(jù)，從而使我們能充分利用現(xiàn)有線路的輸送能力。長期的經驗數(shù)據(jù)積累，還為我們今后的電纜截面的選擇提供依據(jù)，從而減少不必要的浪費。2005年廈門電業(yè)局和北京興迪儀器公里聯(lián)合研究并開發(fā)了一套新的電纜表面溫度監(jiān)控和實時載流量計算系統(tǒng)(型號CTM4000)。該系統(tǒng)包括電纜表面溫度監(jiān)測系統(tǒng)和電纜導體溫度計算、載流量計算軟件兩部分，其中電纜表面溫度監(jiān)測系統(tǒng)采用分布式OFDR光纖測溫技術，可以做到

3、在線實時、全程監(jiān)測電纜表面溫度，并記錄電纜表面溫度變化情況，當出現(xiàn)電纜表面溫度異常時發(fā)出報警信息，通過對電纜溫度的監(jiān)視，隨時掌握電纜的運行溫度，既可避免電纜在過載的情況下長期運行，又可根據(jù)運行的溫度及時調整電纜的負荷，對電力系統(tǒng)的安全、經濟運行大有益處。電纜導體溫度計算、載流量計算軟件部分，采用國際標準提供的計算方法，可以通過電纜表面溫度計算出電纜導體溫度，通過電纜導體溫度計算載流量，進而對電纜最大負荷做出預測，為電力調度提供技術依據(jù)。提高電纜的傳輸能力，發(fā)揮電纜的最大潛力。 2、系統(tǒng)主要功能和特點2.1溫度測量原理 喇曼散射光波導由攙雜的石英玻璃制成，石英玻璃SiO2分子組成， 熱使分子晶格

4、產生振動，如果光照射在受熱激發(fā)而振動的分子上，聲子和這些分子的電子之間會發(fā)生相互作用。因此光在光波導中會發(fā)生散射，這種效應就是所謂的喇曼散射。從光纖散射返回的光包括三部分不同的光譜：- Rayleigh 散射光，光波長為所用激光源的激光波長- Stokes 分量，光的波長更長一些，會產生光子- the anti-stokes 分量， 光的波長較 Rayleigh 散射光的短，其中光子已被吸收。圖 1 喇曼散射和入射光激發(fā)晶格諧振的頻率相比，散射光的譜線頻率發(fā)生了位移。反斯托克斯線的強度和溫度有關，斯托克斯線和溫度無關, 使用光波導內一點的反斯托克斯光和斯托克斯光強度的一種關系式，即可得到這一點

5、的溫度3。2.1.2 測溫原理 喇曼散射光的分布式測量要求有一個背光散射過程。最著名的背光散射過程就是OTDR (OTDR: 光時域反射測量技術)。使用這種技術可以定位光纖斷開的位置，對接頭和插頭進行評價和定位，定位使用玻璃纖維材料的衰減特性（瑞利散射）。OTDR的測量過程發(fā)射光脈沖，通過檢測光脈沖的發(fā)射和返回的時間差決定光的散射水平和位置，和瑞利光相比，喇曼散射光測量顯示的背光信號只是千分之一左右，使用OTDR技術的分布式喇曼溫度傳感器必須使用高性能（昂貴的）脈沖激光源（通常固體激光器）或快速信號平均技術才能實現(xiàn)。本系統(tǒng)所用溫度測量控制系統(tǒng)采用的是光頻域反射法 (OFDR)。OFDR 系統(tǒng)只

6、有在整個測量時間內當所探測到的背散射信號被測出是頻率的函數(shù)的復雜形式，并且符合傅立葉變換，才會提供局部特性的信息。OFDR 技術的最大優(yōu)勢是準連續(xù)波長的激光探測模式，可以獲得比傳統(tǒng)的脈沖技術更高的信噪比。這一技術優(yōu)勢使系統(tǒng)可以用半導體激光二極管和電子器件進行組裝。但快速傅立葉變換對電子器件有更高的線性要求。下圖2為 OFDR 喇曼溫度測量系統(tǒng)設計的示意圖。圖2 OFDR 喇曼溫度測量系統(tǒng)設計的示意圖溫度測量系統(tǒng)由控制器和作為線形溫度傳感器的玻璃光纖（光波導）組成，而控制器由激光源、光器件、微處理單元組成。它由三個通道組成，兩個測量通道(反斯托克斯和斯托克斯)和一個參考通道，這些背光散射的幅值和

7、各點的喇曼散射光的強度成比例，從兩個測量通道的得到幅值的關系即可得到沿傳感器電纜的光纖溫度。2.2系統(tǒng)結構高壓電力電纜表面溫度監(jiān)控和實時載流量計算系統(tǒng)由測溫系統(tǒng)，載流量分析和計算軟件兩部分構成。其中測溫系統(tǒng)包括測溫光纖，多路光轉換開關 帶激光光源的控制器、工業(yè)計算機和相應的軟件構成如圖3所示圖 3 測溫系統(tǒng)結構示意圖光纖測溫系統(tǒng)接入TCP/IP辦公網(wǎng)絡。在每個相關人員的電腦上安裝光纖測溫軟件，相關人員可以通過測溫軟件監(jiān)測電纜的實時溫度，并使用測溫軟件的所有功能。系統(tǒng)從調度自動化系統(tǒng)WEB發(fā)布的數(shù)據(jù)中獲取被測電纜的電流數(shù)據(jù)，以提供給載流量分析軟件，進行載流量分析。光纖測溫載流量分析軟件是基于C/

8、S（Client/Server）結構的軟件系統(tǒng)，整套軟件運行在由當?shù)兀ㄗ冸娬荆┖瓦h程計算機組成的計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)上， 整個光纖測溫的計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)的分布如下圖4所示圖 4 光纖測溫的計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)拓撲圖2.3系統(tǒng)特點溫度測量精度高，定位精度高。OFDR是90年代以來一項新技術，它將調制接收到的頻譜。OFDR系統(tǒng)只有在整個測量時間內當所探測到的背散射信號被測出是頻率的函數(shù)的復雜形式，并且符合傅立葉變換，才會提供局部特性的信息。OFDR技術的最大優(yōu)勢是光學背散射信號的激光和窄帶探測所用的準連續(xù)波長模式，借此可以獲得比傳統(tǒng)的脈沖技術更高的信噪比。這一技術優(yōu)勢使得半導體激光二極管和電子器件組裝可以用作信

9、號均衡。由于FFT計算(FFT, 快速傅立葉變換)對電子器件有更高的線性要求，這是一種對技術上比較困難的喇曼散射光測量和比較昂貴的信號處理的彌補。技術指標達到： 空間分辨率： ±1米 溫度分辨率： ±1為了驗證上述指標，我們在武漢高壓研所院做了比對試驗。試驗按照Q/MYXDY001-2006線型分布式光纖感溫火災探測系統(tǒng)進行，檢測結果：溫度測量精度在90 范圍以內不超過±0.9 ；空間定位精度不超過±0.8 m表1、溫度精度試驗數(shù)據(jù)時 間熱穩(wěn)定時間min標準溫度計測量溫度光纖測溫測量 溫度光纖測溫測量位置m環(huán)境 溫度備注2006-10-28 11：261

10、033.933.725.423.02006-10-28 12：001050.350.925.223.02006-10-28 14：381062.062.225.223.02006-10-29 10：441074.274.025.321.02006-10-29 11：081091.090.125.321.0但在測量電纜的表面溫度時，我們發(fā)現(xiàn)，本測溫系統(tǒng)的溫度測量數(shù)據(jù)與標準溫度計測得的數(shù)據(jù)有偏差如表2所示表2、電纜表面溫度測量比較表武高所的溫度測量數(shù)據(jù)A光纖測溫系統(tǒng)的溫度測量數(shù)據(jù)B誤差（A-B）24.825.02-0.430.430.110.2932.632.010.593432.931.0736

11、34.721.2837.935.9242.840.372.4346.643.153.4547.143.963.1449.845.93.9注：環(huán)境溫度：24.8分析上述偏差我們發(fā)現(xiàn)，在電纜表面的溫度接近環(huán)境溫度時，二者的測量誤差在±0.5，電纜表面的溫度越高，二者的測量誤差越大（誤差與電纜表面溫度成正比），誤差的數(shù)值變化與電纜表面溫度的變化基本成線性。如圖5所示圖5 溫度偏差圖造成這種偏差的原因是，光纖測溫的真正感溫部分是位于光纜中心的裸纖，裸纖外圍的包層是為了保護內部的裸纖。光纜與電纜表面的接觸面積有限，光纜的大部分置于周圍的介質中，由于電纜表面與周圍的介質（環(huán)境）存在一定的溫差，所

12、以從電纜表面到周圍的介質形成了一定的溫度梯度，而裸纖感受到的是其所在位置的對應的梯度的溫度。由于電纜表面的溫度高于周圍的介質（環(huán)境）的溫度，所以形成的是一個遞減的溫度梯度，而隨著電纜表面與周圍的介質（環(huán)境）的溫度差越大，電纜表面的散熱梯度也越大，這也是造成電纜表面溫度越高，光纖測溫系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)越來越偏低的根本原因。但由于光纖測溫的測量誤差的數(shù)值變化與電纜表面的溫度化基本成線性，所以對光纖測溫測得的有偏差的溫度數(shù)據(jù)，可以進行線性擬合處理進行修正。電纜的實際敷設情況為排管、直埋、隧道等情況時，電纜的周圍的介質（環(huán)境）空氣對流相對很弱，電纜表面與周圍介質（環(huán)境）形成的溫度梯度很小，此時可以忽略周圍

13、的介質（環(huán)境）的影響，可以認為光纖測溫的溫度數(shù)據(jù)就是電纜表面的溫度。隨著電纜制造技術的發(fā)展，測溫電纜也可以直接埋入電纜金屬護套和絕緣外屏蔽之間。載流量計算與實測一致性高.。為驗證系統(tǒng)載流量計算和溫度監(jiān)測結果的正確性，系統(tǒng)在武漢高壓研究院做了長達兩個月的比對試驗。試驗所用的電纜與現(xiàn)場敷設的電纜完全一致。試驗回路如圖6所示圖6 實驗回路以下是在一根型號為YJLW03- 220- 1×2000的#1 電纜上進行的驗證試驗(一)恒定電流的穩(wěn)態(tài)溫度試驗在#1電纜中施加不同的恒定電流，待電纜達到熱穩(wěn)態(tài)狀態(tài)后，電纜的表面溫度和實測導體溫度以及根據(jù)軟件計算的導體溫度如下表3和圖7所示：表3：系統(tǒng)測量

14、溫度和計算導體溫度與實際溫度比較表序號環(huán)境溫度,加熱電流,A武高所表面溫度,CTM4000表面溫度,武高所導體溫度,CTM4000導體溫度,1160053.054.21225.6180034.733.666.364.8325.6215036.234.283.982.64426.6230042.840.495.0092.30526.7280049.845.9129.1123.6圖7電纜的穩(wěn)態(tài)電流溫度曲線（二）單芯載流量預測試驗電纜環(huán)境溫度：26.6 ，計算穩(wěn)態(tài)載流量2250 A(導體允許溫度為90 )。實際測量結果見下表4表4：電纜的單芯載流量預測比對數(shù)據(jù)加熱電流武高院實測數(shù)據(jù)系統(tǒng)計算數(shù)據(jù)225

15、0環(huán)境溫度, 26.6導體溫度, 91.890.0表面溫度, 42.840.37（三）緊急負荷運行時間預測比對試驗試驗1：初始狀態(tài)：電纜施加80 %的負載電流（1800 A），電纜運行達到熱穩(wěn)定狀態(tài)；實際試驗結果見下表5表5：電纜的緊急負荷運行時間預測比對數(shù)據(jù)狀態(tài)環(huán)境溫度,加熱電流, A武高院實測導體溫度,實測導體到達90 時間系統(tǒng)計算到達90 的時間初始狀態(tài)25.6180066.3緊急狀態(tài)26.22750902.18 h2 h緊急狀態(tài)：將電纜電流躍變增加到2750 A, 根據(jù)CTM4000系統(tǒng)計算，2 h后電纜導體溫度達到電纜導體最大允許溫度90 。武高所實測曲線如圖8所所示圖8：武高院溫度

16、實測曲線上圖中紅色曲線為導體溫度曲線，藍色曲線為電纜表面溫度曲線，綠色曲線為環(huán)境溫度曲線試驗2 初始條件：電纜施加80%的負載電流（1800 A），電纜運行達到熱穩(wěn)定狀態(tài)；緊急狀況：將試驗電纜上的電流增加到2540 A, 根據(jù)CTM4000系統(tǒng)計算，3 h后電纜導體溫度達到電纜導體最大允許溫度90 。實際試驗結果見下表6 表6電纜的緊急負荷運行時間預測比對數(shù)據(jù)狀態(tài)環(huán)境溫度,加熱電流,A3 h到達后實測導體溫度,系統(tǒng)計算3 h到達后導體溫度,初始狀態(tài)24.31800緊急狀態(tài)25.6254087.990通過上述試驗，表明該系統(tǒng)載流量分析電纜線路運行的狀態(tài)進行監(jiān)測，掌握其運行情況，為電力調度和電纜線

17、路的選擇提供依據(jù)。3、系統(tǒng)應用情況該系統(tǒng)首先在廈門電業(yè)局220kV廈禾變電站得到運用，目前監(jiān)測廈禾變電站220kV電纜2回，110kV電纜1回，10kV電纜1回，運行穩(wěn)定。2007年11月2日以來，廈門局運行人員通過光纖測溫系統(tǒng)每天定時收到的溫度短信，發(fā)現(xiàn)220kV禾半回30#接頭工井處（距廈禾變電站2020米處）電纜的表面溫度開始緩慢持續(xù)上升，維護人員并開始關注這一區(qū)域的溫度異常變化；11月7日開始電纜表面溫度上升加快，至11月12日晚6時，30#接頭井內電纜表面溫度已達48。11月13日送電部立即派特巡人員趕赴現(xiàn)場，打開井蓋后發(fā)現(xiàn)30#接頭工井內積水嚴重，水溫異常，初步判斷為交叉互聯(lián)接地箱

18、進水引起的短路發(fā)熱。立即組織進行抽水處理，此時電纜的表面溫度已達到設定的報警溫度58，接頭井表面水的水溫竟高達84。禾半線電纜全線溫度曲線11.13日30#接頭井溫度報警圖9 溫度報警畫面及溫度曲線從歷史溫度曲線上分析，#30工井溫度持續(xù)升高始于11月2日，開始時緩慢上升，11月7日以后，隨著負荷的增加溫度上升加快。11月12日晚上6點，電纜表面最高溫度已經高達48°C。如圖10所示。報警前48小時的溫度變化11.811.11日電纜的溫度持續(xù)上升圖10 溫度歷史曲線下圖11為本次搶修過程的溫度曲線，從11月13日10時到11月14日18時電纜表面的溫度變化。我們把整個溫度曲線分成七個

19、區(qū)段進行分析：14日12時13日下午電纜溫度恢復正常29左右14日再次采取措施后溫度恢復正常溫度29左右13日晚上溫度又升高到48午餐時間溫度上升13日12時13日上午采取抽水降溫圖11：溫度變化曲線第一區(qū)段：11月13日10時-12時，接頭井進行抽水處理，溫度從報警的58°C降低至43°C第二區(qū)段：11月13日12時-13時，午餐時間，溫度從43°C回升至45°C第三區(qū)段：11月13日13時-14時，接頭井進行強制通風，溫度從45°C降低至正常值29°C第四區(qū)段：11月13日14時-19時，接頭井內進行清理并有間斷強制通風，溫度在30°C左右波動第五區(qū)段：11月13日19時-14日10時，接頭井夜間封閉，溫度回升至43°C第六區(qū)段：11月14日10時-12時，接頭井繼續(xù)強制通風降溫，溫度從降至正常值29°C第七區(qū)短：11月14日12時后，電纜表面溫度穩(wěn)定在正常值29°C左右，搶修結束。從以上的搶修期間的溫度分析說明分布式光纖溫度監(jiān)測技術具有高精度、高分辨率的 特點。我們從溫度的變化曲線上甚至可以看出午餐時間和夜間休息時間。本次搶修過程中，廈門電網(wǎng)正好處在非正常運行方式下，禾半I回和禾半II回負荷電流達到560安培，為了確保電纜不至于因過熱而發(fā)生