電力電纜及其接頭運(yùn)行溫度監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

吳 畏，楊博麟，王軼群，汪

(1.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，長(zhǎng)沙410082;2.湖北省電力公司黃岡供電公司，湖北黃岡438000)

0 引言

隨著我國(guó)城市電網(wǎng)的升級(jí)改造和電力電纜制造技術(shù)的不斷提高，電力電纜在城市電網(wǎng)中得到廣泛使用，特別是高電壓等級(jí)電力電纜的使用數(shù)量在現(xiàn)有電網(wǎng)設(shè)備中已占據(jù)較大比重。然而統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，由電力電纜及其接頭引發(fā)的各種故障和事故正呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。文獻(xiàn)［1］統(tǒng)計(jì)了長(zhǎng)沙地區(qū)電纜近7年間的電纜故障次數(shù)，見(jiàn)表1。表1中數(shù)據(jù)顯示電纜故障次數(shù)逐年升高。

由上述數(shù)據(jù)可見(jiàn)，對(duì)電力電纜及其接頭的運(yùn)行狀況監(jiān)測(cè)問(wèn)題進(jìn)行研究十分必要。對(duì)電力電纜及其接頭的運(yùn)行溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)可以幫助運(yùn)行人員了解和掌握電力電纜及其接頭的絕緣狀況，計(jì)算和調(diào)整電纜載流量等，做到提早發(fā)現(xiàn)隱患，避免類似圖1所示的各類故障發(fā)生。

由于溫度測(cè)量技術(shù)的多樣性和電力設(shè)備的不同要求，電力設(shè)備運(yùn)行溫度監(jiān)測(cè)的方式各有不同。本文描述并總結(jié)了幾種應(yīng)用于電力電纜及其接頭的運(yùn)行溫度監(jiān)測(cè)技術(shù)。

表1 長(zhǎng)沙地區(qū)電纜故障統(tǒng)計(jì) (單位:次)

圖1 35 kV電纜終端被擊穿［2］

1 電纜本體的運(yùn)行溫度監(jiān)測(cè)

1.1 點(diǎn)式溫度監(jiān)測(cè)

點(diǎn)式溫度監(jiān)測(cè)是指將若干個(gè)溫度傳感器分散安置于電纜上重要的監(jiān)測(cè)部位，然后將測(cè)得的溫度數(shù)據(jù)傳回，對(duì)其分析并得出結(jié)論，從而達(dá)到監(jiān)測(cè)電纜運(yùn)行溫度的目的。因溫度傳感器呈點(diǎn)狀分散分布，故稱為點(diǎn)式溫度監(jiān)測(cè)。

點(diǎn)式溫度監(jiān)測(cè)法是一種傳統(tǒng)的測(cè)溫方法，早期主要是使用熱電偶或熱敏電阻作為感溫裝置?，F(xiàn)在多采用更為先進(jìn)的數(shù)字式溫度傳感器作為感溫裝置，結(jié)合微處理器以及控制用計(jì)算機(jī)等實(shí)現(xiàn)運(yùn)行溫度在線監(jiān)測(cè)、溫度超限自動(dòng)報(bào)警和歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。

文獻(xiàn)［3］利用數(shù)字式溫度傳感器DS1820作為感溫裝置，以89C51單片機(jī)管理并控制溫度傳感器，使用RS-485總線完成單片機(jī)與主控計(jì)算機(jī)之間的控制連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力電纜的運(yùn)行溫度的多點(diǎn)在線監(jiān)測(cè)。文獻(xiàn)［4］中同樣采用點(diǎn)式溫度監(jiān)測(cè)方法，通過(guò)不同的元件實(shí)現(xiàn)了對(duì)電纜運(yùn)行溫度的在線監(jiān)測(cè)。

點(diǎn)式溫度監(jiān)測(cè)方法的特點(diǎn)是對(duì)電纜本體的運(yùn)行溫度進(jìn)行多點(diǎn)同時(shí)測(cè)量，其優(yōu)點(diǎn)是成本較低、實(shí)用性強(qiáng)，但其缺點(diǎn)也顯而易見(jiàn)，即無(wú)法對(duì)電纜本體進(jìn)行整體測(cè)溫;而且由于多采用的是接觸式傳感器進(jìn)行表面測(cè)溫，不能準(zhǔn)確反映電纜本體內(nèi)部的實(shí)際溫度。

1.2 線型感溫電纜式溫度監(jiān)測(cè)

線型感溫電纜式溫度監(jiān)測(cè)是指以線型感溫探測(cè)器(多為電纜式)作為溫度傳感器，將其按某種形式與待測(cè)的電力電纜敷設(shè)在一起，使用信號(hào)總線連接感溫電纜與主控計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜全線的運(yùn)行溫度連續(xù)監(jiān)測(cè)和測(cè)量溫度超限即斷線報(bào)警的功能。

線型感溫電纜的工作原理是，感溫電纜中有兩根按一定扭力絞合在一起的，外層包裹著特殊熱敏絕緣材料的彈性鋼絲，當(dāng)感溫電纜所接觸的物質(zhì)的某一部位溫度上升，鋼絲間的絕緣材料受其影響發(fā)生變化直至兩鋼絲間短路，進(jìn)而向控制主機(jī)發(fā)出超溫報(bào)警信號(hào)。線型感溫電纜實(shí)物如圖2所示。線型感溫電纜的敷設(shè)方式一般采用正弦波接觸式，如圖3所示。

文獻(xiàn)［5］中提到邯鋼在煤氣回收電纜隧道中使用線型感溫電纜取得了良好的效果。

利用線型感溫電纜對(duì)電纜進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)是:(1)測(cè)量覆蓋范圍大;(2)對(duì)工作環(huán)境要求低，適合在空間狹小、惡劣的環(huán)境下使用;(3)安裝簡(jiǎn)單、成本低、維護(hù)量小;(4)安全性及可靠性較高。其缺點(diǎn)有:(1)無(wú)法準(zhǔn)確定位具體發(fā)熱點(diǎn);(2)測(cè)量精度有限。

圖2 線型感溫電纜

圖3 線型感溫電纜的敷設(shè)方式

1.3 光纖式溫度監(jiān)測(cè)

光纖式溫度監(jiān)測(cè)由于其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)受到研究人員重點(diǎn)關(guān)注和研究，是新興的溫度監(jiān)測(cè)方式。光纖式溫度監(jiān)測(cè)與其他溫度監(jiān)測(cè)方式的不同之處在于特殊的溫度傳感器，光纖式溫度監(jiān)測(cè)是建立在分布式溫度傳感(DTS，即 Distributed Temperature Sensing)［6］技術(shù)之上的。

分布式光纖溫度傳感器的工作原理是光纖的光時(shí)域反射(OTDR)［7］以及光纖的后向拉曼散射溫度效應(yīng)［8］。拉曼背向散射光由稱作反斯托克斯光和斯托克斯光的入射光組成。這兩種光的波長(zhǎng)不同，光強(qiáng)比例可以轉(zhuǎn)換成溫度讀數(shù)，其公式為:

式中，Ias為斯托克斯光強(qiáng)度;Is為反斯托克斯光強(qiáng)度;h為普朗克常數(shù);c為真空中的光速;Δv為波數(shù);k為波爾茲曼常數(shù);T為絕對(duì)溫度。分布式光纖溫度傳感器的測(cè)量原理如圖4所示。

圖4 光纖測(cè)量溫度原理圖［9］

光纖溫度傳感器的安裝方式、入射光強(qiáng)度、系統(tǒng)噪聲、拉曼散射系數(shù)、疊加次數(shù)與溫度分辨率等因素對(duì)測(cè)量精度都有直接影響。為保證測(cè)量精度，必須綜合考慮上述各種因素。光纖溫度傳感器的安裝方式通常有表貼式和內(nèi)絞合式兩種，如圖5所示。

圖5 測(cè)溫光纖安裝方式示意圖［10］

由光纖特有的物理特性而決定的光纖式溫度監(jiān)測(cè)方式比其他溫度監(jiān)測(cè)方式有更多的優(yōu)點(diǎn):(1)可取代大量點(diǎn)式傳感器，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量、故障監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào);(2)質(zhì)量輕、柔性好、安裝方便;(3)抗電磁干擾能力強(qiáng)、絕緣性能高，可以工作在高電壓、大電流等惡劣環(huán)境中;(4)可測(cè)距定位、重復(fù)使用、報(bào)警溫度可調(diào)。但光纖式溫度監(jiān)測(cè)方式也存在缺點(diǎn):實(shí)現(xiàn)成本較高及實(shí)現(xiàn)技術(shù)難度較大。

光纖式溫度監(jiān)測(cè)方式已在高電壓等級(jí)電纜運(yùn)行溫度在線監(jiān)測(cè)領(lǐng)域得到了一定應(yīng)用。文獻(xiàn)［11］使用分布式光纖溫度傳感器(FODT sensor)［12］對(duì)地下電力電纜故障進(jìn)行檢測(cè)定位。最大可測(cè)距離為10 km，定位精度為1 m，定位時(shí)間不超過(guò)30 s，效果良好，具有一定的實(shí)用性。文獻(xiàn)［13］應(yīng)用光纖測(cè)溫技術(shù)對(duì)裝在超高壓電纜實(shí)驗(yàn)室里的220 kV電力電纜進(jìn)行了2個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，利用光纖測(cè)溫技術(shù)可以進(jìn)行長(zhǎng)距離和精確的溫度測(cè)量，為電力電纜最佳和最安全載流量的確定提供直接數(shù)據(jù)。試驗(yàn)布局如圖6所示。文獻(xiàn)［14］將光纖測(cè)溫技術(shù)與GPRS網(wǎng)絡(luò)結(jié)合在一起設(shè)計(jì)出可對(duì)220 kV電力電纜進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)并采用無(wú)線方式傳輸數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。文獻(xiàn)［15］中設(shè)計(jì)的電力電纜分布式光纖在線監(jiān)測(cè)溫度裝置已在杭州、北京和廈門等城市超過(guò)50條220 kV電力電纜線路上投入運(yùn)行。

1.4 紅外式溫度監(jiān)測(cè)

前述三種溫度監(jiān)測(cè)方式均為接觸式，溫度傳感器需與待測(cè)物接觸，而紅外測(cè)溫技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于不需與待測(cè)物接觸。但紅外測(cè)溫傳感器受工作環(huán)境的影響較大，不宜在灰塵多、強(qiáng)電磁場(chǎng)等環(huán)境下工作。因此尤其是地下電力電纜的運(yùn)行溫度在線監(jiān)測(cè)中，使用紅外測(cè)溫技術(shù)的高電壓等級(jí)電纜運(yùn)行溫度在線監(jiān)測(cè)方式較為少見(jiàn)。

圖6 試驗(yàn)布局

2 電纜接頭的運(yùn)行溫度監(jiān)測(cè)

電纜接頭是電力電纜網(wǎng)絡(luò)的重要組成部件之一。多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)顯示90%以上的電纜運(yùn)行故障是由接頭故障引發(fā)的，而接頭溫度過(guò)高是造成電纜接頭絕緣老化、易發(fā)故障的主要原因［16］。研究人員針對(duì)以上情況設(shè)計(jì)出電纜接頭運(yùn)行溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的共同點(diǎn)是多采用點(diǎn)式溫度監(jiān)測(cè)方式，而區(qū)別在于系統(tǒng)各部分間的不同的連接方式。

2.1 有線連接方式

采用有線連接方式的電纜接頭運(yùn)行溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)大致相同，與應(yīng)用于電纜本體的點(diǎn)式溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)類似，由溫度傳感器、數(shù)據(jù)總線、單片機(jī)和主控計(jì)算機(jī)組成。有線連接方式是指在溫度傳感器和主控計(jì)算機(jī)間采用單片機(jī)和數(shù)據(jù)總線完成連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和管理控制功能。

文獻(xiàn)［17］設(shè)計(jì)的電纜接頭運(yùn)行溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用點(diǎn)式溫度監(jiān)測(cè)方式，系統(tǒng)中各部分采用總線連接，屬于典型的有線連接的電纜接頭點(diǎn)式溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。然而這種溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在不足:(1)有線連接方式限制此種系統(tǒng)只適合在范圍小、待測(cè)量點(diǎn)密集的場(chǎng)合;(2)安裝工作量大，實(shí)現(xiàn)較困難;(3)出現(xiàn)故障維護(hù)較困難。因此該系統(tǒng)適合在發(fā)電廠或變電站等待測(cè)設(shè)備相對(duì)集中的場(chǎng)所應(yīng)用。

2.2 無(wú)線連接方式

為了更好地對(duì)在城市電網(wǎng)中使用的電纜接頭進(jìn)行溫度在線監(jiān)測(cè)，研究人員提出了采用無(wú)線連接的電纜接頭運(yùn)行溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

文獻(xiàn)［18］中設(shè)計(jì)的電纜接頭溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成如圖7所示。整個(gè)系統(tǒng)具有完整的數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、顯示、打印及遠(yuǎn)距離通信能力，并配有強(qiáng)大的軟件支持，不但能監(jiān)測(cè)電纜的工作狀態(tài)，也能為分析電纜故障隱患提供幫助。

圖7 城市地下電纜接頭溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成

無(wú)線連接方式較之有線連接方式有以下優(yōu)勢(shì):(1)不受距離限制，可應(yīng)用于大范圍的溫度監(jiān)測(cè);(2)不必進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸線的布線接線等繁重復(fù)雜工作，減少了工作量;(3)適用性較廣、經(jīng)濟(jì)性較好。

通過(guò)電纜外護(hù)套表面實(shí)測(cè)溫度及電纜結(jié)構(gòu)參數(shù)等數(shù)據(jù)就能夠計(jì)算出電纜導(dǎo)體實(shí)際溫度。上述幾種電纜接頭運(yùn)行溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就是利用上述原理測(cè)量的。盡管可以利用電纜接頭的表面溫度與內(nèi)部線芯溫度存在的對(duì)應(yīng)關(guān)系［19］對(duì)電纜接頭進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，但由于電纜接頭受到的特殊影響［20］如:(1)由強(qiáng)電場(chǎng)引起的介質(zhì)損耗;(2)接觸電阻;(3)密封等問(wèn)題，導(dǎo)致現(xiàn)行電力電纜接頭運(yùn)行溫度在線測(cè)量方法存在準(zhǔn)確性差、易受外部環(huán)境影響等缺點(diǎn)。

3 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)電力電纜本體運(yùn)行溫度進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)的幾種技術(shù)的發(fā)展已較成熟。根據(jù)這些技術(shù)設(shè)計(jì)出的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已在實(shí)際應(yīng)用中按電壓等級(jí)的高低形成一個(gè)體系，且取得了成效。點(diǎn)式溫度監(jiān)測(cè)可用于較低電壓等級(jí)的電纜運(yùn)行溫度在線監(jiān)測(cè)，而正在迅速發(fā)展中的光纖式溫度監(jiān)測(cè)則可在高電壓等級(jí)的電力電纜運(yùn)行溫度在線監(jiān)測(cè)領(lǐng)域得到逐步地應(yīng)用和推廣。

電纜接頭運(yùn)行溫度在線監(jiān)測(cè)的方式顯得較為單一，實(shí)際應(yīng)用也不廣泛。對(duì)電纜接頭的運(yùn)行溫度在線監(jiān)測(cè)的研究應(yīng)得到更多投入，以期在電纜接頭運(yùn)行溫度在線監(jiān)測(cè)領(lǐng)域取得突破，提出有效的溫度監(jiān)測(cè)方式，設(shè)計(jì)可行的溫度監(jiān)測(cè)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(yùn)行。

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