應(yīng)用光纖傳感技術(shù)的高壓電纜護(hù)層絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

丁薇霞

（上海電纜研究所，上海200093）

應(yīng)用光纖傳感技術(shù)的高壓電纜護(hù)層絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

丁薇霞

（上海電纜研究所，上海200093）

高壓電纜護(hù)層絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用光纖光柵傳感技術(shù)，運(yùn)用光纖光柵電流傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)行電纜的接地電流、運(yùn)行電流。通過(guò)對(duì)測(cè)試必要性及測(cè)試原理的分析，詳細(xì)介紹了測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、性能及優(yōu)勢(shì)。經(jīng)工程應(yīng)用表明，該系統(tǒng)能滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。

護(hù)層絕緣；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；光纖光柵；電流傳感器

0 引 言

35 kV以上電壓等級(jí)的高壓干式電纜，大多數(shù)采用單芯結(jié)構(gòu)。單芯電纜的線芯與金屬護(hù)套的關(guān)系，可看作一個(gè)空心變壓器。當(dāng)單芯電纜線芯通過(guò)交流電流時(shí)就會(huì)有磁力線交鏈金屬護(hù)套，使兩端出現(xiàn)感應(yīng)電壓。感應(yīng)電壓的大小與電纜線路的長(zhǎng)度及流過(guò)導(dǎo)體的電流成正比，電纜很長(zhǎng)時(shí)，護(hù)套上的感應(yīng)電壓疊加起來(lái)可達(dá)到危及人身安全的程度，因此高壓電纜需采用合適的接地措施，使感應(yīng)電壓處于安全電壓范圍內(nèi)［1］。

通常短線路單芯電纜的金屬護(hù)層采用一端直接接地和另一端經(jīng)間隙或保護(hù)電阻接地的方式；長(zhǎng)線路單芯電纜金屬護(hù)層則采用三相分段交叉互聯(lián)兩端接地的方式。不論采用哪種接地方式，良好的護(hù)層絕緣都是必要的。當(dāng)護(hù)層絕緣發(fā)生損傷時(shí)：

（1）金屬護(hù)套上會(huì)形成很高的感應(yīng)電壓，電壓過(guò)高時(shí)甚至可能擊穿護(hù)套絕緣，并在擊穿點(diǎn)持續(xù)放電，造成電纜外護(hù)套溫度升高甚至著火燃燒。

（2）護(hù)套絕緣的損傷將使金屬護(hù)套多點(diǎn)接地，從而產(chǎn)生護(hù)套循環(huán)電流，增加護(hù)套損耗，影響電纜載流能力，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)闺娎|發(fā)熱而燒毀。

（3）護(hù)層絕緣的損傷導(dǎo)致水分易侵入，主絕緣水樹(shù)老化的概率增加，對(duì)電纜壽命產(chǎn)生嚴(yán)重影響。且主絕緣在金屬護(hù)層被腐蝕處電場(chǎng)集中，易產(chǎn)生局部放電和引發(fā)電樹(shù)枝，對(duì)電纜運(yùn)行安全造成威脅［2］。

因此高壓電纜護(hù)層絕緣監(jiān)測(cè)是電力電纜最重要的監(jiān)測(cè)內(nèi)容之一。

1 現(xiàn)有護(hù)層絕緣檢測(cè)方法

傳統(tǒng)的檢測(cè)手段主要是通過(guò)停電測(cè)量護(hù)層絕緣電阻或帶電用鉗形電流表測(cè)量護(hù)層接地電流（人工巡檢）。近年來(lái)，為了提高輸電線路的可靠性指標(biāo)，高壓電纜停電檢修的機(jī)會(huì)越來(lái)越少。由于地下電纜所處環(huán)境復(fù)雜，采用傳統(tǒng)的人工巡檢測(cè)量護(hù)層接地電流越來(lái)越困難，需要花費(fèi)大量的人力物力［3］。

現(xiàn)在已有應(yīng)用電流互感器（CT）的電流自動(dòng)采集設(shè)備，應(yīng)用無(wú)線傳輸?shù)耐ㄐ偶夹g(shù)組合而成的智能化護(hù)層絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。其缺陷在于：護(hù)層接地電流測(cè)試點(diǎn)環(huán)境復(fù)雜、潮濕，存在較強(qiáng)電磁干擾，嚴(yán)重影響電流采集設(shè)備的測(cè)試準(zhǔn)確性、壽命及無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)的可靠性及持續(xù)性。也有廠商采用有線傳輸?shù)姆绞?，但有線傳輸相對(duì)于光纜傳輸模式，在傳輸距離、傳輸質(zhì)量上都會(huì)存在較大差距。

2 應(yīng)用光纖傳感技術(shù)的高壓電纜護(hù)層絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)方案

2.1 測(cè)試原理

圖1為高壓電纜護(hù)層絕緣監(jiān)測(cè)示意圖。

圖1 高壓電纜護(hù)層絕緣監(jiān)測(cè)示意圖

高壓電纜護(hù)層絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用光纖光柵傳感技術(shù)，運(yùn)用光纖光柵電流傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)行電纜的接地電流、運(yùn)行電流。通過(guò)對(duì)電纜接地線、電纜本身的連續(xù)監(jiān)測(cè)，提供實(shí)時(shí)護(hù)層電流與導(dǎo)體電流監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，顯示護(hù)層電流與導(dǎo)體電流比例及歷史曲線；通過(guò)反映護(hù)層接地良好程度、線芯負(fù)荷大小變化等情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜本體和電纜通道運(yùn)行情況的實(shí)時(shí)監(jiān)控，預(yù)測(cè)電纜的運(yùn)行狀況及故障趨勢(shì)，及時(shí)為電纜故障的定位和檢修提供指導(dǎo)，避免發(fā)生重大事故。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)、信號(hào)傳輸和監(jiān)控中心組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

（1）測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)。測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)包括被測(cè)電纜的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及光纖光柵電流傳感器。

（2）信號(hào)傳輸。將采集信號(hào)通過(guò)多芯光纜傳入監(jiān)控中心。

（3）監(jiān)控中心。光柵解調(diào)儀：實(shí)現(xiàn)被測(cè)電流量的解調(diào)。局域網(wǎng)：通過(guò)組網(wǎng)方式實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)的集中管理?？刂浦行模和ㄟ^(guò)數(shù)學(xué)模型的建立實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)智能化管理。

2.3 光纖光柵電流傳感器

光纖光柵溫度自補(bǔ)償電流傳感器采用光纖光柵作為測(cè)量電流的敏感元件。采用高性能導(dǎo)磁體材料感應(yīng)被測(cè)電纜中被測(cè)電流的大小，產(chǎn)生的電磁力使光纖光柵傳感器的波長(zhǎng)發(fā)生變化，通過(guò)解調(diào)光纖光柵的波長(zhǎng)變化測(cè)量電流。傳感器內(nèi)帶溫度自補(bǔ)償裝置，避免了溫度變化對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。

光纖光柵電流傳感器作為光學(xué)傳感器，具有無(wú)需電源、絕緣、響應(yīng)速度快等特性。傳感器內(nèi)無(wú)任何電子元器件，具有耐水防潮性強(qiáng)、可靠性高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，可長(zhǎng)期工作于潮濕環(huán)境中；并可實(shí)現(xiàn)信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸及解調(diào)。

圖3為光纖光柵電流傳感器實(shí)物圖。安裝時(shí)可帶電操作，將電流傳感器卡入被測(cè)電纜即可。

圖3 光纖光柵電流傳感器

2.4 光纖光柵解調(diào)儀

光纖光柵電流傳感器將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)，通過(guò)通信光纜將信號(hào)傳入控制中心。光纖光柵解調(diào)儀實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的解調(diào)，獲取實(shí)時(shí)電流信號(hào)。解調(diào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信號(hào)采樣、解調(diào)電流，通過(guò)全球定位系統(tǒng)（GPS）授時(shí)實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步；可同時(shí)用于電網(wǎng)質(zhì)量分析。

2.5 監(jiān)控中心

監(jiān)控中心平臺(tái)是系統(tǒng)的“大腦”，也是系統(tǒng)的核心所在。獲取傳感數(shù)據(jù)只是實(shí)現(xiàn)電纜護(hù)層絕緣在線監(jiān)測(cè)的必要條件。對(duì)數(shù)據(jù)的合理分析與使用，全方位開(kāi)展電纜狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)工作，依據(jù)電纜、設(shè)備狀態(tài)統(tǒng)籌安排生產(chǎn)、調(diào)度、檢修任務(wù)，實(shí)現(xiàn)電纜安全風(fēng)險(xiǎn)過(guò)程管控。同時(shí)，通過(guò)對(duì)不同電纜、不同狀況的歷史數(shù)據(jù)對(duì)比分析，既可實(shí)現(xiàn)當(dāng)前的護(hù)層絕緣在線診斷分析，又能將來(lái)在一定數(shù)據(jù)量和理論分析指導(dǎo)基礎(chǔ)上建立專家分析及預(yù)警系統(tǒng)。

2.6 系統(tǒng)性能

高壓電纜護(hù)層絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用聲光、短信等報(bào)警方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓電纜護(hù)層絕緣的自動(dòng)監(jiān)測(cè)，同時(shí)可準(zhǔn)確報(bào)告接地線的偷盜。

電流測(cè)試精度0.25%F.S；檢測(cè)距離＞20 km；檢測(cè)、定位和報(bào)警時(shí)間＜1 min。

3 應(yīng)用光纖傳感技術(shù)的高壓電纜護(hù)層絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用

應(yīng)用光纖傳感技術(shù)的高壓電纜護(hù)層絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)目前已在某電業(yè)局現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。圖4為運(yùn)行電流、接地電流監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際安裝效果圖。圖5為48 h內(nèi)A相運(yùn)行電流、接地電流實(shí)測(cè)結(jié)果圖。

圖4 電流監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際安裝效果圖

圖5 48 h內(nèi)A相運(yùn)行電流、接地電流實(shí)測(cè)結(jié)果圖

4 結(jié)束語(yǔ)

光纖傳感技術(shù)是現(xiàn)代通信技術(shù)的產(chǎn)物，是隨著光纖及通信技術(shù)的發(fā)展而逐步發(fā)展起來(lái)的一門嶄新學(xué)科，是以光波為載體，光纖為媒質(zhì)，感知和傳輸外界被測(cè)量信號(hào)的新型傳感技術(shù)。

應(yīng)用光纖傳感技術(shù)的高壓電纜護(hù)層絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)無(wú)需電源，具有很強(qiáng)的抗電磁干擾能力；傳感系統(tǒng)可嵌入性強(qiáng)，便于與計(jì)算機(jī)和光纖系統(tǒng)相連，易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遙測(cè)和控制。系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)高壓電纜運(yùn)行電流、接地電流，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜護(hù)層絕緣狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)，確保電纜線路安全運(yùn)行。與電流互感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比，具有可靠性更高、壽命更長(zhǎng)、監(jiān)測(cè)范圍更廣的優(yōu)勢(shì)，更有利于智能電網(wǎng)信息化、數(shù)字化的發(fā)展趨勢(shì)。經(jīng)工程應(yīng)用表明，該系統(tǒng)能滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。

［1］ 徐文剛.高壓?jiǎn)涡倦娎|護(hù)層絕緣接地保護(hù)簡(jiǎn)述［J］.水電站機(jī)電技術(shù)，2005，28（1）：45-46.

［2］ 任廣振，張 禮，賓齊輝.XLPE電力電纜金屬護(hù)層絕緣環(huán)流在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究［C］//2011年全國(guó)電力電纜安裝與運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)交流會(huì)論文集.2011.159-163.

［3］ 嚴(yán)有祥.高壓電纜護(hù)層絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制與應(yīng)用［J］.供用電，2009，26（4）：74-76.

The Insulation M onitoring System of the HV Cable Sheath w ith Fiber Grating Sensing Technology

DINGWei-xia
（Shanghai Electric Cable Research Institute，Shanghai200093，China）

The insulation monitoring system of the HV cable sheath，which takes advantage of fiber grating sensing technology，uses fiber grating current sensor to real-time monitor grounding current and load current of the running cable.The article introduces the structure，function and advantage of themonitoring system in detail by analyzing the necessity and theory of themonitoring.It's proved by engineering application that the system can meet the needs of practical application.

sheath insulation；monitoring system；fiber grating；current sensor

TN818

A

1672-6901（2014）05-0022-03

2014-05-22

丁薇霞（1971-），女，高級(jí)工程師.

作者地址：上海市軍工路1000號(hào)［200093］.