基于內(nèi)嵌式光纖電力電纜溫度場試驗(yàn)研究

陳江源,劉同同,張 航,吳文克,敖 明

(1.東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院,吉林 吉林 132012; 2.吉林省電力有限公司 電力科學(xué)研究院,長春 130021)

基于內(nèi)嵌式光纖電力電纜溫度場試驗(yàn)研究

陳江源1,劉同同1,張 航1,吳文克1,敖 明2

(1.東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院,吉林 吉林 132012; 2.吉林省電力有限公司 電力科學(xué)研究院,長春 130021)

為充分發(fā)揮電力電纜的裕量,同時(shí)確保電纜安全運(yùn)行,討論了內(nèi)嵌式光纖電力電纜原理,并進(jìn)行了66 kV 1×1 200 mm2XLPE電纜試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明,纜芯、光纖誤差均在2.5 ℃以內(nèi)。同時(shí)也證明了有限元模型的正確性,以及內(nèi)嵌式光纖測溫技術(shù)具有誤差小、精度高、運(yùn)行可靠等特點(diǎn)。

內(nèi)嵌式光纖; 有限元; 電力電纜; 溫度測量

隨著城市建設(shè)進(jìn)程的加快,電力電纜得到越來越廣泛的應(yīng)用[1]。迅速擴(kuò)大的規(guī)模和不斷提高的電壓等級(jí),使電纜運(yùn)行的安全、可靠性問題日益凸顯,建立一個(gè)有效的在線監(jiān)測平臺(tái)勢在必行。所以分布式光纖測溫系統(tǒng)(DTS)憑借強(qiáng)大的抗電磁干擾能力、較遠(yuǎn)的測量距離、較高的靈敏度、較長的使用壽命、誤報(bào)和漏報(bào)率低等特點(diǎn),被迅速運(yùn)用于電纜的溫度監(jiān)測中,且在重要線路的高壓和超高壓電纜均已經(jīng)沿線安裝。

DTS主要有3種類型:1)外置式,即在電纜外護(hù)層表面貼測溫光纖;2)內(nèi)嵌式,即在緩沖層植入測溫光纖;3)光纖植入導(dǎo)體,由于生產(chǎn)困難,光纖易斷裂,目前尚處于研究階段。本文基于有限元法對(duì)恒定負(fù)荷和周期性負(fù)荷下的電纜運(yùn)行情況和光纖測溫進(jìn)行了分析,并在高壓實(shí)驗(yàn)室對(duì)一根含內(nèi)置光纖的單芯66 kV 1×1 200 mm2XLPE電纜進(jìn)行了研究,以驗(yàn)證模型的正確性和光纖測溫的準(zhǔn)確性。

1 有限元中電纜溫度場計(jì)算原理

1.1 溫度場控制方程

電纜施加的載流量越高則導(dǎo)體的溫度越高,XLPE電力電纜纜芯在不損壞其絕緣特性情況下的溫度上限為90 ℃。超過此溫度,就會(huì)使絕緣層加速老化,從而縮短電纜的使用壽命。因此需要進(jìn)行溫度場的計(jì)算,確?？茖W(xué)、高效施加載流量[2-5]。

溫度場有限元模型控制方程為

式中:qx=-kx(?T/?x),qy=-ky(?T/?y),qz=-kz(?T/?z);kx、ky、kz為導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·k);qb為熱源單位體積和單位時(shí)間下微元體內(nèi)部所產(chǎn)生的熱量;ρ為材料密度,kg/m3;c為材料的比熱,J/(kgK)。

1.2 初始條件和邊界條件

按照物體邊界熱傳遞特點(diǎn),可分為三種類型的邊界條件。

第一種為已知邊界上的溫度:

式中:λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K);q為熱流密度W/m2。

第三種為已知是環(huán)境溫度和對(duì)流換熱系數(shù):

式中:h為對(duì)流換熱系數(shù);Tf為流體溫度。

1.3 電纜溫度場的求解

在求解的過程中,三角形基本單元是有限元計(jì)算電纜溫度場最常用的劃分單元,它對(duì)電纜各層的圓形邊界具有很好的適應(yīng)性,所以劃分網(wǎng)格時(shí),采用三角形單元?jiǎng)澐帧?/p>

假設(shè)在三角形單元中,其子單元的溫度是與m、n相關(guān)的線性函數(shù),即

T=b1+b2m+b3n

式中：b1、b2、b3是待定常數(shù),它們可以由節(jié)點(diǎn)上的溫度值通過插值法來確定。

1.4 溫度場的損耗計(jì)算

在電力電纜運(yùn)行的過程中,電纜的各層都會(huì)產(chǎn)生損耗,從而使電力電纜運(yùn)行溫度升高。當(dāng)電纜產(chǎn)熱和散熱達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí),纜芯溫度達(dá)到最高允許工作溫度90 ℃。金屬護(hù)套應(yīng)用交叉互聯(lián)接地方式,有效減小了感應(yīng)電壓,從而減小護(hù)套損耗。為了方便計(jì)算,這里只計(jì)及纜芯的損耗:

SQ=I2R′(1+ys+yp)

R′=R0[1+α20(θc-20)]

式中:R0為20 ℃時(shí)單位長度纜芯的直流電阻;θc為纜芯溫度;yp為臨近效應(yīng)系數(shù);ys為集膚效應(yīng)系數(shù);α20為20 ℃時(shí)纜芯電阻的溫度系數(shù)。

2 內(nèi)嵌式光纖測溫原理

由于光纖極易發(fā)生斷裂,為提高光纖抗壓和抗拉強(qiáng)度,在光纖充油束管左右各布置一股銅條,使光纖具有良好的機(jī)械性能,避免光纖安裝和運(yùn)行中斷裂[6-8]。

激光脈沖入射到光纖的傳播過程中與光纖發(fā)生非線性散射,該散射由瑞利散射、布里淵散射和拉曼散射組成,如圖1所示[9-11]。本次試驗(yàn)所使用的光纖測溫儀器采用拉曼散射的原理。

圖1 后向散射光分析

當(dāng)激光光源向待測光纖施加脈沖后,其中的一小部分拉曼散射光(包含Stokes Light和Anti-stokes Light)通過光纖返回光端機(jī)。反射光的強(qiáng)度與被測量點(diǎn)的溫度有關(guān),所以測量反射光的光強(qiáng)就可以得到被測點(diǎn)的溫度。光子的強(qiáng)度與被測點(diǎn)溫度之間的關(guān)系為

(Ias/Is)∞exp(hcσ/kT)

l=vt/2

式中:Ias、Is是Anti-stokes Light和Stokes Light的光子強(qiáng)度,s-1/sr;h是普朗克常數(shù);c是真空中的光速,m/s;k是波爾茲曼常數(shù);σ是波數(shù),m-1;T是絕對(duì)溫度度,K;v是光波在光纖中的傳播速率,m/s;t是入射光和反射光之間的時(shí)間差,s;l是被測點(diǎn)的空間距離,m。

目前,基于拉曼散射技術(shù)的光纖傳感測溫長度可達(dá)到近30 km,測量精度可達(dá)到0.5 ℃,空間分辨率可達(dá)到0.5 m。

3 有限元計(jì)算模型的試驗(yàn)驗(yàn)證

為證明有限元模型的正確性,在高壓實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了66 kV 含內(nèi)置光纖電力電纜空氣中敷設(shè)溫升試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)備接線如圖2所示。試驗(yàn)采用含內(nèi)嵌式光纖電力電纜,其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

該實(shí)驗(yàn)恒定負(fù)荷持續(xù)24 h,通入電流1 800 A;變負(fù)荷持續(xù)34 h,施加2 000 A電流6 h、1 000 A電流4 h、1500 A電流4 h、800A電流3 h、1 200 A電流3 h、1 000 A電流4 h、1 500 A電流4 h、1 800 A電流4 h、800 A電流2 h。采用熱電偶測量了纜芯、絕緣層、鋁護(hù)套和外皮的溫度,采用光端機(jī)測量了光纖溫度。利用有限元程序模擬計(jì)算了電纜各層以及纜芯的溫度,計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果如圖4、圖5所示,采用的電纜各層參數(shù)如表1所示。

圖2 電纜導(dǎo)體溫升試驗(yàn)原理接線

Fig.2 Principle wiring diagram of cable conductor temperature rising test

圖3 內(nèi)嵌式光纖電纜截面

表1 66 kV 1200 mm2 電力電纜參數(shù)

從圖4、圖5可以看出,無論是在恒定負(fù)荷以及變負(fù)荷的情況下,用熱電偶測量的纜芯、鋁護(hù)套、外皮溫度,以及光端機(jī)測量的光纖試驗(yàn)測量值都與有限元計(jì)算值十分接近。在恒定負(fù)荷的情況下,纜芯的最大誤差為2 ℃,光纖最大誤差為0.9 ℃,鋁護(hù)套最大誤差為1.5 ℃,外皮最大誤差為1.58 ℃;在變負(fù)荷的情況下,纜芯的最大誤差為2.27 ℃,光纖的最大誤差為2.4 ℃,鋁護(hù)套最大誤差為2.15 ℃,外皮的最大誤差為1.5 ℃。

圖4 66 kV空氣中敷設(shè)內(nèi)嵌式光纖電纜恒定負(fù)荷下溫升曲線

Fig.4 Temperature rise curve 66 kV cables in the air under constant load

圖5 66 kV空氣中敷設(shè)內(nèi)嵌式光纖電纜變負(fù)荷下溫升曲線

Fig.5 Temperature rise curve 66 kV cables in the air under variable load

4 光纖測溫的實(shí)際應(yīng)用

電纜線路在實(shí)際運(yùn)行過程中突發(fā)故障,會(huì)引起電纜本體甚至周圍附件溫度的升高。當(dāng)溫度上升到一定程度時(shí),就會(huì)導(dǎo)致絕緣層損壞直至擊穿。因此引發(fā)電纜輸電線路起火,從而造成人員傷亡和慘痛的經(jīng)濟(jì)損失,產(chǎn)生惡劣的社會(huì)影響。

在實(shí)際運(yùn)行過程中,電纜絕緣出現(xiàn)問題時(shí),往往會(huì)伴隨一些特殊訊號(hào),如在即將擊穿的部位附近溫度會(huì)升高很快。如果使用含內(nèi)置光纖的電力電纜,通過光端機(jī)讀出實(shí)時(shí)光纖溫度,配合根據(jù)實(shí)際工況建立的模型就可以推斷出故障所在點(diǎn)的實(shí)時(shí)溫度,將隱患盡早排除。在正常運(yùn)行的情況下,可以通過光纖溫度推出電纜載流量,在安全運(yùn)行的前提下,最大程度地提高載流量,提高經(jīng)濟(jì)效率。

5 結(jié) 論

1) 電纜的空氣中敷設(shè)試驗(yàn)驗(yàn)證了有限元含內(nèi)嵌式光纖模型的正確性。

2) 光纖試驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算數(shù)據(jù)誤差在2.4 ℃以內(nèi),驗(yàn)證了光端機(jī)讀數(shù)的準(zhǔn)確性。

3) 根據(jù)不同工況建立的有限元模型加上光端機(jī)的實(shí)時(shí)讀數(shù),方便了運(yùn)行部門確定載流量以及故障排查,有效提高了電網(wǎng)運(yùn)行水平。

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(責(zé)任編輯 郭金光)

Research on temperature field of power cable based on embedded fiber

CHEN Jiangyuan1, LIU Tongtong1, ZHANG Hang1, WU Wenke1, AO Ming2

(1.Electrical Engineering of College,Northeast Dianli University,Jilin 132012,China; 2. Electric Power Research Institute,Jilin Electric Power Company Limited,Changchun 130021,China)

In order to make full use of power cable allowance, and to ensure the safe operation of the power cable at the same time, this paper discusses the principle of power cable based on embedded fiber, and carries out the test to verify the result of calculation of a 66 kV 1×1200 mm2XLPE cable.The experimental results shows that it is confirmed that errors of cable and fiber are within 2.5 ℃, the finite element model is accurate and it enjoys the advantages of the embedded fiber temperature sensing,such as small error, high accuracy and high reliability.

embedded fiber; finite element; power cable; temperature sensing

2015-03-14。

陳江源(1990—),男,在讀碩士研究生,研究方向?yàn)楦唠妷号c絕緣技術(shù)。

TM726.4

A

2095-6843(2015)04-0339-04