電纜導(dǎo)體無線測溫與電纜運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用

電纜導(dǎo)體無線測溫與電纜運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用柯德剛①杜成龍①宋健瑛②吳星法①上海永錦電氣技術(shù)股份有限公司①上海永錦電氣集團(tuán)有限公司②摘要：在建設(shè)智能電網(wǎng)的大背景下，為了既能充分提升電力電纜線路的輸送能力，又能使其安全穩(wěn)定的運行，對電纜運行溫度進(jìn)行監(jiān)控是一種比較直觀的方法。而導(dǎo)體無線測溫技術(shù)相比紅外測溫、電纜外皮光纖測溫、電纜外屏蔽光纖測溫、電纜接頭表面及應(yīng)力錐部位測溫等具有更高的測溫精度，更能真實的反應(yīng)出電纜的運行狀態(tài)。 關(guān)鍵詞：電力電纜導(dǎo)體運行溫度；無線測溫技術(shù)；電纜狀態(tài)監(jiān)測；TheWirelesstemperatureofcableconductorandtheapplicationoftheconditionmonitoringofcablerunsKeDegang①DuChenglong①SongJianying②WuXingfa①ShanghaiYongjinelectrictechnologyLimitedbyShareLtd①ShanghaiYongjinElectricGroupCo.Ltd.②Abstract:

under

the

background

of

building

a

smart

grid,

in

order

to

fully

enhance

the

transmission

capacity

of

power

cable

line,

and

the

safe

and

stable

operation,

the

cable

temperature

monitoring

is

a

relatively

straightforward

way.

Conductor

wireless

temperature

measuring

technology

of

infrared

measuring

temperature,

skin

temperature

measurement

of

optical

fiber,

cable

shielding

for

cables

optical

fiber

temperature

measurement,

cable

connector

and

stress-position

measuring

has

higher

precision,

more

real

response

out

of

the

cable

run.

Keywords:Powercableconductoroperatingtemperature;wirelesstemperaturemeasurementtechnology;cableconditionmonitoring;近年來在建設(shè)堅強(qiáng)智能電網(wǎng)的背景下，我國城市輸配電電纜線路發(fā)展迅速，電力電纜使用數(shù)量逐年增長，其中高壓和超高壓電力電纜，已成為城市輸電網(wǎng)絡(luò)的主要組成部分，在北京、上海、廣州、天津、深圳等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的城市及大部分省會城市，都建成了規(guī)模龐大的地下電纜供電系統(tǒng)。既保證電力電纜供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行、又充分發(fā)揮電力電纜輸送電能量是當(dāng)下一個重要的任務(wù)。電力電纜線路尤其是交聯(lián)聚乙烯（XLPE）絕緣電力電纜因其具有良好的電氣性能，敷設(shè)容易、運行維護(hù)簡單等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用。但偶發(fā)的電纜線路故障不可避免，我國電力電纜輸電線路的故障率目前仍高于國際上的發(fā)達(dá)國家。電纜線路的故障發(fā)生以后，一般的結(jié)果都比較嚴(yán)重，如：停電，甚至起火。據(jù)統(tǒng)計2000年中國發(fā)生的火災(zāi)中因電氣原因引發(fā)的數(shù)量為31933起，占火災(zāi)總數(shù)的26.1%，其中因電纜線路引起的火災(zāi)占整個電氣火災(zāi)數(shù)量的50%以上⑴。（估計近年來這個比例在大幅下降）引起交聯(lián)電纜線路故障的原因有電纜本體、電纜附件、電纜敷設(shè)、附件安裝、外力破壞、電纜線路接地系統(tǒng)設(shè)計、電纜線路過載等。相關(guān)統(tǒng)計資料反映電纜線路主要故障原因是外力破壞，占比58%。除去外力破壞，電纜附件發(fā)生的故障率高于電纜本體，電纜中間接頭故障率高于電纜終端。引起中間接頭故障的主要原因是因安裝不當(dāng)，另外電纜中間接頭導(dǎo)體連接金具與電纜線芯配合不合理也是一個原因⑵；引起電纜本體故障的原因一般是電纜本體樹枝狀老化擊穿和過載。為防止電纜線路發(fā)生惡性故障有必要加強(qiáng)對電纜線路的監(jiān)控。其中對電纜運行溫度的監(jiān)控是一個比較直觀的方法。電力電纜的運行溫度是一個重要參數(shù)。當(dāng)電纜在額定負(fù)荷下運行時，線芯溫度達(dá)到允許值；電纜一旦過負(fù)荷，線芯溫度將急劇上升，加速絕緣老化，甚至發(fā)生熱擊穿。有研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電纜的工作溫度超過允許值的8%時，其壽命將減半；如果超過15%，電纜壽命將只剩下1/4⑶。另外一個方面由于早期電纜線路設(shè)計、建設(shè)工作經(jīng)驗不足，一般比較保守，導(dǎo)致很多高壓電纜線路的實際載容量遠(yuǎn)低于允許容量，空置了較多的輸送能力。而現(xiàn)在社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要增加電能的供應(yīng)，輸電空間走廊又受限，提升原來建設(shè)的電纜線路的輸送能力成為電力系統(tǒng)的一個重要工作。因為從提高電纜線路安全穩(wěn)定運行水平，防止發(fā)生嚴(yán)重故障的角度需要對電纜線路的運行溫度進(jìn)行監(jiān)測，從實現(xiàn)動態(tài)增容的角度也要對電纜運行溫度進(jìn)行監(jiān)測。所以近年來有較多大學(xué)（西安交通大學(xué)、華北電力大學(xué)、重慶大學(xué)、電子科技大學(xué)等）、研究院所（中國電科院、國網(wǎng)電科院、南網(wǎng)電科院等）、供電公司（北京、上海、廣東、杭州、天津等）都在電纜運行溫度檢測方面進(jìn)行了研究與應(yīng)用。華南理工大學(xué)、湖北省電力公司、廣東電網(wǎng)公司在完成國家重點基礎(chǔ)研究計劃（973計劃2009CB-724507）中提出了實現(xiàn)電纜動態(tài)增容的方法，并模擬電纜的隧道敷設(shè)環(huán)境設(shè)計了110kV交聯(lián)聚乙烯單芯電纜的正常負(fù)荷、滿負(fù)荷、超負(fù)荷等階躍電流溫升實驗。發(fā)現(xiàn)：實驗得到的電纜導(dǎo)體溫升時間與理論計算得到的導(dǎo)體溫升時間基本相符；電纜增加的容量在電纜正常負(fù)荷運行范圍內(nèi)，根據(jù)供電需求可以長時間對電纜進(jìn)行動態(tài)增容⑷。上海市電力公司在保證電纜溫度不越限的前提下，通過建立電纜導(dǎo)體實時溫度模型，配合溫度監(jiān)測技術(shù)，提出可行的短時動態(tài)增容方案，使得電纜線路能在一定時間內(nèi)發(fā)揮其最大的輸電能力。已在上海楊建2145等四回220kV電纜上試應(yīng)用⑶。河北科技大學(xué)在河北省科技支撐計劃（10213557）資助下完成了：利用有限元計算地下電纜的焦耳損耗和溫度場分布；利用迭代法實現(xiàn)地下電纜溫度場和電磁場間的耦合計算，提高了地下電纜溫度場計算的精度；利用迭代法確定地下電纜的載流量。耦合計算結(jié)果比非耦合計算結(jié)果更接近試驗結(jié)果，可滿足工程實際的需要⑸。文獻(xiàn)6-11中提出了相關(guān)的電纜導(dǎo)體溫度暫態(tài)計算與應(yīng)用研究、電纜表面溫度推算導(dǎo)體溫度的熱路簡化模型暫態(tài)誤差分析、電力電纜接頭溫度無線監(jiān)測前端裝置設(shè)計、電纜在線監(jiān)測及檢測技術(shù)研究、電力電纜及其接頭運行溫度監(jiān)測技術(shù)研究等研究及應(yīng)用。相關(guān)研究人員也提出希望加強(qiáng)對電纜接頭的運行溫度在線監(jiān)測的研究，以期在電纜接頭運行溫度在線監(jiān)測領(lǐng)域取得突破，提出有效的溫度監(jiān)測方式，設(shè)計可行的溫度監(jiān)測系統(tǒng)，預(yù)防電力電纜接頭故障發(fā)生，保證電力電纜網(wǎng)絡(luò)安全運行⑿。中國電力科學(xué)研究院高壓所及清華大學(xué)電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國家重點實驗室歸納國內(nèi)相關(guān)研究及應(yīng)用指出⒀：目前電纜溫度測量方法中，分布式光纖測溫應(yīng)用比較廣泛。該方法主要依據(jù)光纖的光時域反射原理及光纖的背向拉曼散射溫度效應(yīng)。目前北京、上海杭州、天津、廣州等城市110kV及220kV電纜線路都不同程度地敷設(shè)了分布式光纖測溫系統(tǒng)。綜合各地運行經(jīng)驗來看雖然分布式光纖測溫系統(tǒng)具有測量距離長、測溫精度高等優(yōu)點，但存在空間分辨率較低、對因各類缺陷造成的局部溫升不敏感、易受敷設(shè)環(huán)境溫度、濕度影響等缺點。紅外測溫直觀且簡單易行，但是不能適用于中間接頭，也不能適用于高壓電纜。故高壓電纜及附件一般采取光纖測溫。早期測溫光纖敷設(shè)在電纜護(hù)套外面（如圖1）根據(jù)電纜外護(hù)套測量的溫度采取專門設(shè)計的軟件來推算電纜導(dǎo)體的運行溫度。后發(fā)現(xiàn)這種方式得出的溫度誤差較大，出現(xiàn)了改進(jìn)型即將光纖放置在電纜護(hù)套內(nèi)、電纜外屏蔽上面（如圖2）。這種方式（內(nèi)置式）相比原來（外置式），測溫準(zhǔn)確度有所提高，但還是要通過特種軟件進(jìn)行一系列的計算推導(dǎo)出電纜導(dǎo)體的實際溫度。圖1測溫光纖模塊外置圖2測溫光纖模塊內(nèi)置我公司研制了一種內(nèi)置式測溫裝置，將測溫點置于中間接頭應(yīng)力錐部位和電纜終端應(yīng)力錐部位（如圖3）。特點是測溫點與局部放電信號傳感器安裝在電纜附件的內(nèi)部，直接安裝在電纜附件的核心部件上面?？梢酝瑫r實現(xiàn)對電纜運行溫度及中間接頭局部放電信號的采集。圖3測溫、測局放模塊置于應(yīng)力錐位置2015年7月中國電力企業(yè)聯(lián)合會組織全國相關(guān)研究機(jī)構(gòu)及各地供電公司約30名專家在杭州，對浙江新圖維電子有限公司于2012年推出通過武高所試驗，經(jīng)相關(guān)供電公司近三年試用的一種內(nèi)置式導(dǎo)體無線測溫系統(tǒng)進(jìn)行了鑒定。評價認(rèn)為該系統(tǒng)達(dá)到了世界領(lǐng)先技術(shù)水平⒁。該內(nèi)置式無線測溫系統(tǒng)的特點是：將測溫點放在電纜導(dǎo)體連接管上面、該系統(tǒng)測溫直觀、無需軟件推算，測溫精度相比于分布式光纖測溫系統(tǒng)有明顯的提高。該系統(tǒng)是基于電磁感應(yīng)的非接觸式測溫原理，包括了讀取器和傳感器（如圖4）。圖4內(nèi)置式無線測溫系統(tǒng)基本原理我公司于2015年5月在220kV電纜中間接頭上面采用了該測溫系統(tǒng)，并在上海電纜研究所進(jìn)行了型式試驗，該系統(tǒng)的應(yīng)用情況簡介如下：電纜導(dǎo)體直接測溫系統(tǒng)由內(nèi)置測溫模塊，外置測溫中繼器和無線測溫控制模塊三部分組成。內(nèi)置測溫模塊安裝在電纜中間接頭的導(dǎo)體連接管上面（如圖5），由它完成電纜線芯溫度數(shù)據(jù)的采集；外置測溫中繼器模塊為內(nèi)置無源測溫模塊提供電能并接收內(nèi)置無源測溫模塊傳輸出來的電纜線芯溫度數(shù)據(jù)信號（如圖6）。無線測溫控制模塊可以放在電纜智能接地箱內(nèi)或者電纜隧道內(nèi)固定點（如圖7）它用來協(xié)調(diào)各塊無線測溫信號采集模塊工作，通過MODBUS協(xié)議向上級傳送數(shù)據(jù)。圖5安裝內(nèi)置導(dǎo)體測溫裝置圖6安裝外置測溫中繼器圖7測溫顯示和無線發(fā)射單元放在智能接地箱內(nèi)我們在公司通過這套測溫系統(tǒng)的客戶終端，可以隨時查看被測接頭線芯溫度的變化情況。圖8為截取的2015年6月13日的被測電纜接頭線芯的24小時溫度曲線變化。該溫度曲線的變化與上海電纜研究所高壓電纜試驗大廳按照常規(guī)方式在試驗輔助回路電纜上面測量的溫度基本相同。圖8遠(yuǎn)程顯示的220kV被測中間接頭溫度曲線這種內(nèi)置式導(dǎo)體無線測溫系統(tǒng)安裝在220kV中間接頭內(nèi)部順利通過了按照國標(biāo)GB/Z18890-2002《額度電壓220kV(Um=252kV)交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜及附件》進(jìn)行的型式試驗，說明該系統(tǒng)不影響中間接頭的電氣性能及密封性能。220kV中間接頭型式試驗部分指標(biāo)檢測項目標(biāo)準(zhǔn)要求檢測結(jié)果室溫局部放電試驗190KV局部放電試驗：在5pc或更優(yōu)靈敏度下無可檢測的放電未檢測出放電熱循環(huán)電壓試驗254kV、95℃－100℃加熱8h、冷卻16h，共20個循環(huán)通過沖擊電壓試驗1050kV,正負(fù)極性各10次；不擊穿，不閃絡(luò)通過工頻電壓試驗淋雨460KV1min；干態(tài)254kV15min；不擊穿，不閃絡(luò)通過接頭外保護(hù)層試驗浸水循環(huán)20次以后：兩端金屬套之間；兩端金屬套對地之間：直流耐壓25kV，1min不擊穿沖擊試驗：兩金屬套之間施加95kV±10次；兩端金屬套對地之間施加47.5kV±10次，不擊穿通過通過我們通過ansys有限元軟件對安裝測溫裝置的電纜接頭和未安裝測溫裝置的電纜接頭電場分布情況進(jìn)行模擬對比，從電纜接頭電場模擬圖示（圖9~圖12）可見：內(nèi)置測溫傳感器的220kV電纜接頭與未安裝測溫裝置的220kV電纜接頭的電場分布和最高場強(qiáng)無區(qū)別，說明內(nèi)置的測溫傳感器不影響中間接頭原有的電場分布。電場分布情況模擬分析及對比圖9未安裝測溫裝置的220kV電纜接頭場強(qiáng)分布圖10未安裝測溫裝置的220kV電纜接頭高壓電極屏蔽表面的曲線分析圖11安裝測溫裝置的220kV電纜接頭場強(qiáng)分布圖12安裝測溫裝置的220kV電纜接頭高壓電極屏蔽表面的曲線分析通過我公司在上海電纜研究所進(jìn)行的220kV內(nèi)置導(dǎo)體測溫型電纜接頭的型式試驗，我們總結(jié)該內(nèi)置式導(dǎo)體無線測溫系統(tǒng)實現(xiàn)了以下幾個方面創(chuàng)新：1、實現(xiàn)了電力電纜線芯運行溫度的直接監(jiān)測，不需要通過軟件分析推算；2、先進(jìn)的無源溫度傳感器，不需要電源、電池；3、無線傳輸溫度信號，溫度信號可以穿透中間接頭絕緣橡膠和導(dǎo)電橡膠屏蔽，不影響電纜接頭本身的電氣性能和運行可靠性。4、整體結(jié)構(gòu)不改變中間接頭原來的電場分布狀態(tài)，不影響電力電纜線路的正常運行。國家電網(wǎng)運檢部2014年下發(fā)了電力電纜及通道運維檢修綜合管理指導(dǎo)意見，要求在建設(shè)重要電纜隧道時宜同步建設(shè)綜合監(jiān)控系統(tǒng)、包括電纜溫度、接地環(huán)流等監(jiān)控功能。我們的試驗證明將這種內(nèi)置式電纜導(dǎo)體測溫裝置及其綜合監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用于220kV電力電纜線路是可行的，結(jié)合吳建德在“2013國際大電網(wǎng)委員會亞太區(qū)域理事會技術(shù)會議”上所發(fā)表論文⒂及杭州供電公司、廈門電力公司等近3年來在110kV電力電纜系統(tǒng)使用該測溫裝置及其監(jiān)控系統(tǒng)的經(jīng)驗⒃來看，將該系統(tǒng)應(yīng)用于我國高壓電力電纜輸電線路是可靠的。我們認(rèn)為使用該系統(tǒng)將有利于提高我國高壓電纜輸電線路運行狀態(tài)監(jiān)測的效果。參考文獻(xiàn)[1]郭英軍、孫麗華等電纜熱老化壽命的預(yù)測研究河北科技大學(xué)學(xué)報2007.28(1)：34-36[2]陳永仁、柯德剛等高壓電力電纜導(dǎo)體及導(dǎo)體連接金具相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)分析高電壓技術(shù)2013第39卷增刊：73-77[3]楊洋、周韞捷等超高壓輸電電纜動態(tài)增容計算及雙線增容策略華東電力2014（9）[4]雷成華、劉剛、阮班義、劉毅剛根據(jù)導(dǎo)體溫升特性實現(xiàn)高壓電纜動態(tài)增容的實驗研究（J）高電壓技術(shù)2012.38（6）：1397-1402[5]王巧玲，楊玉平，梁永春基于熱電耦合的10kVXLPE地下電纜群溫度場數(shù)值計算（J）《電工電能新技術(shù)》

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