海南聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)500 kV海底電纜溫度在線監(jiān)測研究

黃小衛(wèi)， 臧源源， 王劍英

（中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司廣州局，廣東廣州510405）

海南聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)500 kV海底電纜溫度在線監(jiān)測研究

黃小衛(wèi)， 臧源源， 王劍英

（中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司廣州局，廣東廣州510405）

導(dǎo)體溫度是電纜運(yùn)行非常重要的參數(shù)之一，討論了海南聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)500 kV海底電纜溫度在線監(jiān)測方式，介紹了利用布里淵散射分布式測量海底電纜表面溫度的原理，結(jié)合IEC 60287標(biāo)準(zhǔn)中的內(nèi)容，對熱阻計(jì)算進(jìn)行了優(yōu)化，從而依據(jù)海纜表面的溫度推導(dǎo)出導(dǎo)體的溫度，實(shí)現(xiàn)海底電纜導(dǎo)體溫度的實(shí)時分布式監(jiān)測。

海底電纜；載流量；溫度；布里淵散射；分布式監(jiān)測

0 引 言

海南聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是國內(nèi)第一個超高壓、長距離、較大容量的跨海電力聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)500 kV海底電纜路由北起廣東省湛江市徐聞縣角尾鄉(xiāng)南嶺村，過?？缭江傊莺{，南至海南省澄邁縣橋頭鎮(zhèn)林詩村。海底電纜正常運(yùn)行時，導(dǎo)體的溫度是一個非常重要的參數(shù)，導(dǎo)體實(shí)時溫度決定了海底電纜當(dāng)前的載流量。另外，若海底電纜工作溫度過高，將導(dǎo)致絕緣材料老化加速，海纜壽命縮短，嚴(yán)重時甚至?xí)霈F(xiàn)故障［1］；在海纜內(nèi)部微小缺陷發(fā)展過程中，會伴隨著異常發(fā)熱，缺陷點(diǎn)溫度會升高，嚴(yán)重時絕緣老化加速，導(dǎo)致熱擊穿［2-3］。因此，對海底電纜的導(dǎo)體溫度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，對控制海底電纜的載流量，提高其運(yùn)行可靠性，防止事故發(fā)生非常有必要。

海南聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)采用交流500 kV自容式充油電纜，每根海纜捆綁一根光纜，單根海底電纜長度約為31 km，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于海底電纜過長，所處環(huán)境復(fù)雜多樣，通常情況下無法直接檢測得到電纜導(dǎo)體的溫度，因此可以通過監(jiān)測海底電纜捆綁光纜的溫度得到海纜外表面的溫度，然后通過熱傳遞的相關(guān)原理計(jì)算分析得到電纜導(dǎo)體的溫度。

1 海底電纜表層溫度的分布式監(jiān)測

海南聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)海底電纜表面溫度的監(jiān)測可以通過監(jiān)測捆綁光纜的溫度來實(shí)現(xiàn)，目前，光纜溫度的監(jiān)測一般采用的是分布式光纖傳感技術(shù)。

光在光纖中傳輸，主要有瑞利散射、布里淵散射和拉曼散射三種散射光，其中布里淵散射是一種非彈性散射，散射的過程中會發(fā)生頻移，而且布里淵散射信號最明顯的一個優(yōu)點(diǎn)就是較大、易檢測，適合較長距離的檢測［3］。布里淵散射光實(shí)際上是泵浦入射光和光學(xué)聲子相互作用的結(jié)果，泵浦入射光吸收或釋放聲子使得散射光頻移，該散射光頻移的大小決定于聲波速度，而光纖中聲波的速度又受光纖溫度的影響，因此光纖溫度會直接影響到布里淵頻移的大小。從理論上來說，測量出布里淵頻移的大小即可計(jì)算出光纖的溫度。

布里淵頻移的計(jì)算式為［4］：

式中：υB為布里淵頻移；υa為光纖中聲波速度；n為折射率；λ為入射光波波長。

圖1 海南聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)500 kV海底電纜結(jié)構(gòu)圖

海南聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)海底光纜所用光纖為普通硅玻璃單模光纖，對于波長為1 550 nm的入射光，在20℃的參考溫度下，光纖的折射率為1.468，光纖中聲波速度為5 945 m/s［4］，則可以計(jì)算出20℃時的布里淵頻移為11.2 GHz。

溫度監(jiān)測需要使用捆綁光纜中的兩根光纖，這兩根光纖在海底電纜的另一端通過終端盒連接在一起，形成一個回路，如圖2所示。

圖2 分布式光纖測溫原理圖

在兩根光纖的兩端分別注入一脈沖光（泵浦光）與一連續(xù)的探測光，當(dāng)泵浦光和探測光的頻差與光纖中某區(qū)域的布里淵頻移相等時，就會產(chǎn)生受激布里淵散射，兩光束之間發(fā)生能量轉(zhuǎn)移，通過檢測光纖一端耦合出來的連續(xù)光的功率，就可以確定光纖各小段區(qū)域上能量轉(zhuǎn)移達(dá)到最大時所對應(yīng)的頻率差，從而得到溫度應(yīng)變信息，實(shí)現(xiàn)溫度的分布式測量。圖2中光信號處理器用來產(chǎn)生泵浦光和連續(xù)光，波分復(fù)用過濾裝置是用來將連續(xù)光和泵浦光區(qū)分開來并分別注入光纖，光電探測器用來檢測散射光的頻移。

Toshio Kurashima等人通過大量研究，發(fā)現(xiàn)布里淵頻移溫度和應(yīng)變之間近似成線性關(guān)系，建立的表達(dá)式如下［5］：

式中：υB（t）為布里淵頻移；t為光纖溫度；tr為參考溫度；Ct為溫度應(yīng)變系數(shù)（GHz/℃）。

對于特定波長的入射光在普通單模光纖中，溫度應(yīng)變系數(shù)是可以計(jì)算出來的確定值，對于海南聯(lián)網(wǎng)海底光纜所屬類型的單模光纖，當(dāng)入射波波長為1 550 nm時，其溫度應(yīng)變系數(shù) Ct=1.18×10-4GHz/℃［6］。參考溫度取20℃，此時的頻移通過式（1）的計(jì)算得到為11.2GHz，則只要測出光纖沿線各點(diǎn)的頻移大小，就可以由式（2）求得光纖的分布式溫度信息，由于光纜是捆綁在海底電纜的表面，此溫度即可認(rèn)為是海底電纜表層的溫度。

2 海底電纜導(dǎo)體溫度計(jì)算

由分布式光纖測溫裝置（DTS）可以測出海底電纜表面的溫度，結(jié)合當(dāng)前海底電纜的負(fù)荷情況、電壓電流參數(shù)、海纜各層熱阻及周圍環(huán)境的熱阻等相關(guān)數(shù)據(jù)，以及電纜發(fā)熱特性、載流量計(jì)算以及熱力學(xué)傳導(dǎo)的相關(guān)理論，逆向推導(dǎo)，就可以計(jì)算出海底電纜導(dǎo)體的溫度。

根據(jù)IEC 60287，可以建立海底電纜發(fā)熱的熱路模型，如圖3所示［7］。

圖3中，Wc為導(dǎo)體發(fā)熱，Wc=I2R；Wd為介質(zhì)損耗，Wd=ωCU2tanδ；λ1Wc為鉛護(hù)套損耗，λ1為鉛合金護(hù)套損耗系數(shù)；λ2Wc為鎧裝損耗，λ2為鎧裝損耗系數(shù)；T1、T2及T3分別為導(dǎo)體與鉛合金護(hù)套之間、鉛合金護(hù)套與鎧裝之間以及外被層的熱阻，T4為海底電纜周圍環(huán)境的熱阻；θc為海底電纜導(dǎo)體的溫度，θa為海纜表面的溫度。其中海纜電容 C= 0.24×10-6μF/km=0.24×10-12F/km；海纜介損tanδ=0.002 8。

圖3 海底電纜熱路圖

根據(jù)熱路模型可以得到，海底電纜導(dǎo)體與海纜表面溫度差為［8］：

即海底電纜導(dǎo)體溫度表達(dá)式為：

對于單芯電纜，式（3）、式（4）中n=1。

在IEC 60287標(biāo)準(zhǔn)中，電纜結(jié)構(gòu)較為簡單，在導(dǎo)體與鉛合金護(hù)套之間只計(jì)算絕緣層的熱阻，在鉛合金護(hù)套與鎧裝之間也只計(jì)算內(nèi)襯層的熱阻。但是海南聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)海底電纜在這三層金屬層之間各分布有4層其他非金屬層，為了使結(jié)果更準(zhǔn)確，可以將導(dǎo)體與鉛合金護(hù)套之間及鉛合金護(hù)套與鎧裝之間的熱阻分別看作由4層非金屬層熱阻串聯(lián)而成。

導(dǎo)體與鉛合金護(hù)套之間的熱阻T1可以看作四層非金屬層的熱阻T1i的串聯(lián)，則

式中：T1i為導(dǎo)體與鉛合金護(hù)套之間第i層的熱阻；ρT1i為該層的熱阻系數(shù)；t1i為該層的厚度；D1i為該層內(nèi)徑。

鉛護(hù)套和鎧裝之間的加強(qiáng)層、防蛀層為金屬部分，相對于非金屬部分來說，其熱阻要小得多，可以忽略不計(jì)，因此，同樣可以得到

按照上面的方法，得到海南聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)海底電纜相關(guān)參數(shù)及計(jì)算出的熱阻等參數(shù)，見表1。

表1 海底電纜結(jié)構(gòu)參數(shù)及熱阻計(jì)算值

式（3）中T4為海底電纜外部熱阻，與海底電纜所處環(huán)境特點(diǎn)有關(guān)，海南聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)500 kV海底電纜從廣東側(cè)燈樓角入海，跨越瓊州海峽，在海南側(cè)玉包角登陸上岸，并且海底電纜軸向間距及掩埋深度也并不是完全相同，因此其外部熱阻在不同的地方也不盡相同。海南聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)海底電纜在兩側(cè)終端下方直接裸露在空氣中；在南嶺登陸段，掩埋于土壤之中；在海洋之中也通過沖埋、拋石保護(hù)等掩埋于海床之上，在林詩島登陸段則是通過挖溝槽回填方式掩埋。根據(jù)海纜的沿線環(huán)境的特點(diǎn)，可以將海纜分為深海段、淺灘區(qū)、南嶺登陸段、林詩島溝槽段及裸露空氣段五個區(qū)段分別計(jì)算其外部熱阻。其中，海床熱阻系數(shù)為0.8 K·m/W，為了方便計(jì)算，統(tǒng)一按照設(shè)計(jì)時的埋深2 m來計(jì)算；淺灘區(qū)、登陸段及空氣裸露段海纜間距為7.5 m，登陸段海纜埋深均約1 m，其中林詩島登陸段用混凝土包和挖出的淤泥回填［9］，土壤熱阻系數(shù)為1.0 K·m/W，空氣裸露段海纜由地底出來，直接上終端頭處，不與日光直接接觸，因此可以不考慮日照的影響。外部熱阻的計(jì)算按照IEC 60287的要求進(jìn)行，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

λ1、λ2分別為鉛合金護(hù)套損耗系數(shù)及鎧裝損耗系數(shù)。海南聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)500 kV海底電纜鎧裝層為銅鎧裝，屬于非磁性鎧裝。為了防止運(yùn)行中護(hù)套中各層的電壓過高，在生產(chǎn)制造時，海纜內(nèi)部的鉛護(hù)套與鎧裝層每隔8 km就短接一次［10］，海纜兩端金屬護(hù)套均有接地，因此，可以將鉛合金護(hù)套與金屬鎧裝的損耗合并在一起進(jìn)行計(jì)算，通過確認(rèn)損耗比來計(jì)算出λ1及λ2，計(jì)算方法為IEC 60287中規(guī)定的方法，損耗的計(jì)算與海底電纜間距有關(guān)，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 海底電纜損耗系數(shù)及外部熱阻結(jié)算結(jié)果［10］

由于在海床上的海底電纜其間距約為水深的2倍，因此水深不同的地方海纜間距也不同，表2中僅計(jì)算出水深10 m處的熱阻和損耗，在海底其他地方的熱阻及損耗按同樣的方法計(jì)算。

式（4）中各參數(shù)計(jì)算出來后，通過分布式光纖測溫裝置測出的海纜表面的溫度θa，就可以計(jì)算得到海纜導(dǎo)體的溫度。圖4所示為海南聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)500 kV海底電纜某一時刻監(jiān)測到的沿線導(dǎo)體溫度分布。

圖4 海底電纜實(shí)時溫度分布圖

另外，按照同樣的方法，參照熱路圖3，根據(jù)熱傳導(dǎo)的原理，也可以計(jì)算出鉛合金護(hù)套層的溫度θ鉛和鎧裝層的溫度θ鎧如下：

3 結(jié)束語

海南聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)每根海底電纜都捆綁有一根光纜，通過基于布里淵散射的原理，分布式監(jiān)測得到光纖的溫度，得到海纜表面的溫度，依據(jù)IEC 60287標(biāo)準(zhǔn)中的熱路模型，推導(dǎo)計(jì)算出500 kV海底電纜的導(dǎo)體的溫度。光在光纖中的布里淵散射會產(chǎn)生頻移，頻移的大小與溫度成近似線性關(guān)系，因此，測量出頻移的大小就可以反推出光纖的溫度，將此溫度作為海纜表面的溫度，通過計(jì)算海纜內(nèi)部各層的熱阻、損耗，依據(jù)熱傳導(dǎo)的原理，就可以從海纜表面的溫度逆推出海纜內(nèi)部鎧裝、鉛合金護(hù)套、導(dǎo)體的溫度。在計(jì)算熱阻的過程中，如果嚴(yán)格按照IEC 60287標(biāo)準(zhǔn)的方法，15層的海纜有很多層將會被忽略，誤差將會很大，本文的方法是將金屬層之間各層熱阻分別計(jì)算出來，將每兩層金屬層中間的非金屬層熱阻并聯(lián)，從理論上來說將會大大提高準(zhǔn)確度。

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Study on 500kV Submarine Cable Tem perature On-Line M onitoring of Hainan Grid Interconnection System

HUANG Xiao-wei，ZANG Yuan-yuan，WANG Jian-ying
（Guangzhou Bureau，EHV，China Southern Power Grid，Guangzhou 510405，China）

The conductor temperature of the cable is an extremely important parameterwhen it is being running.It is presented the principle of the distributedmeasurementof the surface temperature of the submarine cablewith the theory of Brillouin scattering；and then it references the standard of IEC60287，optimizes the computing method of the thermal resistance，and then deduces the conductor temperature by the surface one，so to achieve distributedmonitoring of the conductor temperature of the submarine cable in real time.

submarine cable；ampacity；temperature；brillouin scattering；distributed measurement

TN818

A

1672-6901（2014）06-0024-04

2014-07-27

黃小衛(wèi)（1985-），男，助理工程師.

作者地址：海南海口市濱海大道103號財(cái)富廣場14樓BCD［570105］.