電力隧道高壓電纜狀態(tài)監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)分析

上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司合肥分公司 鄧姍姍

1 高壓電纜技術(shù)與種類分析

目前，高壓電纜廣泛地應(yīng)用在世界各地的現(xiàn)代化城市輸電系統(tǒng)中，電力隧道中使用了大量的高壓電纜。電纜的發(fā)展經(jīng)歷為充油電纜、鋼管電纜、交聯(lián)聚乙烯電纜（XLPE 電纜）和高溫超導(dǎo)電纜。隨著電力負(fù)荷等級的增加和使用中安全環(huán)保的標(biāo)準(zhǔn)要求，有關(guān)技術(shù)呈持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)，高壓電纜技術(shù)愈發(fā)成熟。目前主流電纜技術(shù)比較豐富，例如電纜絕緣新材料技術(shù)、超高壓電纜技術(shù)、外護套無鹵化技術(shù)、終端無油化技術(shù)、特高壓直流電纜技術(shù)等，極大地滿足了電力建設(shè)的發(fā)展需求。

現(xiàn)在電力系統(tǒng)中輸電高壓電纜主要以交聯(lián)聚乙烯電纜（XLPE電纜）和高溫超導(dǎo)電纜（HTS電纜）為主，相較充油電纜，XLPE 電纜無須部署供油設(shè)備，且其自身就具有良好的防火性能和機械電氣性能，整體安裝與后續(xù)維修也相對簡單，具備良好經(jīng)濟適用性。

1.1 交聯(lián)聚乙烯電纜（XLPE電纜）

根據(jù)輸電電壓等級，交聯(lián)聚乙烯電纜可分為四類，分別為單芯XLPE 電纜、三芯XLPE 電纜、直流XLPE電纜和超高壓XLPE電纜。

單芯XLPE 電纜主要適用于大于等于110kV 的電壓等級，根據(jù)現(xiàn)在電力系統(tǒng)輸電領(lǐng)域中的應(yīng)用，單芯XLPE 電纜使用的造價成本較高，三芯XLPE電纜是利用三個單芯大節(jié)距絞合方法制成，充分利用空間，具有價格低廉和鋪設(shè)簡單等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于小于等于35kV的中低壓電纜中。

隨著直流輸電的發(fā)展，直流XLPE 電纜也隨著研究開始應(yīng)用在直流輸電領(lǐng)域。其中，直流XLPE電纜長度與輸出電流之間的關(guān)系為零，即無須考慮輸電電流對電纜長度的限制影響，而且在配電網(wǎng)系統(tǒng)中不需要配置電抗性補償裝置，而且輸電的傳輸功率容易控制，在輸電過程中不會像交流輸電有較大的介質(zhì)和導(dǎo)體損耗，具有載流量大等優(yōu)點，在未來的電力輸電領(lǐng)域有著較好的市場應(yīng)用前景。

1.2 高溫超導(dǎo)電纜（HTS電纜）

高溫超導(dǎo)電纜是利用特殊制造工藝和高溫超導(dǎo)材料制造而成，在工程應(yīng)用中的可行性已經(jīng)通過了多方驗證，已經(jīng)在一些國家進行了試運行和相關(guān)的試驗。XLPE電纜傳輸電能時隨著額定電壓的增加，傳輸容量和傳輸效率都會有明顯的提升，其損耗主要由絕熱管漏熱損耗、導(dǎo)體交流損耗、絕緣介質(zhì)損耗組成，若是運行環(huán)境為液氮溫度，該電纜需要計算制冷機在室溫下移去電纜損耗的消耗功率損耗。

基于卡諾循環(huán)，理論上制冷機的所需功率為：

式中，Pr為制冷劑功率；Pe為電纜損耗；T0為制冷機所處環(huán)境溫度。

在實際運行中，效率遠低于理想的情況下，大型制冷機估計效率一般是η= 5，可以得到式（2）：

根據(jù)式（2）可知液氮制冷機消耗的功率和高溫超導(dǎo)電纜損耗之間的關(guān)系，前者是后者的14.5 倍。從理論上來看，后者的總損耗應(yīng)接近或稍大于常導(dǎo)電纜，因而若是在較近的傳輸容量區(qū)間內(nèi)，根據(jù)不同的傳輸容量范圍，傳輸損耗和傳輸容量的比值也存在差異。

HTS電纜損耗與傳輸容量比要求見表1。

表1 HTS電纜損耗與傳輸容量比要求

2 高壓電纜與電力隧道監(jiān)測技術(shù)

狀態(tài)監(jiān)測是利用現(xiàn)在的技術(shù)手段或設(shè)備對裝置的工作狀態(tài)、運行參數(shù)進行試驗或持續(xù)性監(jiān)控，根據(jù)得到的監(jiān)測數(shù)據(jù)對未來的狀態(tài)進行預(yù)測分析，從而對運行狀態(tài)提前進行判斷。

2.1 高壓電纜狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)分析

在電纜本體的狀態(tài)監(jiān)測中主要對溫度以及其他指標(biāo)持續(xù)監(jiān)測，采用的方式為紅外成像和在線監(jiān)測相結(jié)合的方法模式，根據(jù)電纜負(fù)荷和負(fù)載率，對得到的溫度數(shù)值進行分析和判斷。

將分布式光纖測溫系統(tǒng)安裝在電纜表面，能夠有效對電纜本體的溫度進行監(jiān)測，根據(jù)測試得到的數(shù)據(jù)進行處理，可以利用溫度曲線、地理熱譜圖等對測得的電纜表面的溫度進行表示，如果系統(tǒng)測試得到的電纜表面的溫度較高，大于設(shè)定的工作極限值，系統(tǒng)就會發(fā)出報警，需要對異常點進行處理。高壓電纜負(fù)荷和負(fù)載率是電纜工作中的重要參數(shù)指標(biāo)，電纜在輸電線路上的負(fù)載率大于50%就需要對電纜的負(fù)荷進行控制。

局部放電監(jiān)測時，在110kV、220kV 的輸電高壓電纜都會利用局部放電設(shè)備進行監(jiān)測，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，及時發(fā)現(xiàn)電纜中的隱患。常用的局部放電監(jiān)測有高頻局部放電、超高頻局部放電監(jiān)測、振蕩波局部放電監(jiān)測、地電波局部放電監(jiān)測、超聲波局部放電監(jiān)測、光信號局部放電監(jiān)測和電容耦合局部放電監(jiān)測。常用的局部放電監(jiān)測如圖1所示。

圖1 局部放電監(jiān)測

2.2 電力隧道空間環(huán)境監(jiān)測

電力隧道作為城市地下工程，由于處于地面之下，需要對通風(fēng)性、封閉性進行綜合考慮，若是無法及時交換內(nèi)外界的空氣與熱量，那么隨著工程的推進，將導(dǎo)致內(nèi)部溫度、濕度不斷上升，最終使空間處于濕熱狀態(tài)。電力隧道工程廊內(nèi)濕負(fù)荷的來源總結(jié)為四方面。

2.2.1 外界空氣帶濕

由于氣溫的變化，電力隧道內(nèi)部和外部極易出現(xiàn)溫度差，較為常見的情況是外部大于內(nèi)部，在該情況下，當(dāng)外界空氣進入地下建筑時，內(nèi)部溫度下降，相對濕度升高，若是周圍溫度在露點溫度以下時，將會出現(xiàn)結(jié)霧現(xiàn)象，并逐漸凝結(jié)成水。在通風(fēng)性能相對較低的情況下，通風(fēng)性不足，無法將內(nèi)部潮濕氣體帶走，而外界空氣帶來的水分多數(shù)留下，此時的廊內(nèi)濕負(fù)荷將進一步加重。因此，外界空氣帶濕量W1計算式為：

式中，W1為電力隧道外界空氣帶濕量；Q為進入隧道內(nèi)的新風(fēng)量；ρ為隧道內(nèi)的空氣密度；dw和dn分別為隧道外部和內(nèi)部的空氣含濕量。

2.2.2 主體結(jié)構(gòu)散濕

在此類工程中，隧道主體結(jié)構(gòu)將無法避免地出現(xiàn)襯砌裂縫、施工縫等，一般情況下不會對主體結(jié)構(gòu)造成影響，但是在缺乏引水、防漏水等施工工作時，發(fā)生地下水滲漏等情況的概率上升，而這會導(dǎo)致濕空氣滲透至內(nèi)部，不利于內(nèi)部濕度的控制。因此，在施工技術(shù)的支持下不考慮漏水可能，那么圍繞這一因素帶來的散濕量W2的計算式為：

式中，A1為隧道內(nèi)表面積；w1為內(nèi)表面積單位散濕量。

2.2.3 自由水面散濕

所謂自由水面散濕，主要是由地面積水、集水坑等方面帶來的，這一散濕行為具有極強的持續(xù)化特點，因而對于廊內(nèi)空氣濕負(fù)荷控制至關(guān)重要。有關(guān)于這一散濕量W3的計算式為：

式中，A2為隧道中自由水面蒸發(fā)總面積；α為不同水溫下的蒸發(fā)系數(shù)；p1為自由水面溫度下的飽和水蒸氣分壓力蒸發(fā)總表面積；p2為空氣溫度下的飽和水蒸氣分壓力蒸發(fā)總表面積；B0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；B為當(dāng)?shù)貙嶋H大氣壓。

2.2.4 人員活動散濕p2

檢修人員作為電力隧道相關(guān)工作的實施主體，在其開展相關(guān)工作時，也或多或少地向空氣中散濕，比如呼吸、排汗、飲水等。針對這方面帶來的散濕量W4計算，需要考慮檢修人員具體工作狀態(tài)，廊內(nèi)空氣流動速度以及實際溫度要素，具體計算為：

式中，n為電力隧道中的某一時間段的內(nèi)部人數(shù)；w2為每人每小時的散濕量。

3 高壓電纜故障分析

造成電纜絕緣性能降低的原因主要有五個。

3.1 基于外力破壞的故障

人為失誤、堅硬物品劃蹭是施工期間電纜機械出現(xiàn)輕度損害的主要因素，若是不能及時處理，將逐漸演化為故障點。具體體現(xiàn)為道路開挖等外力破壞、安裝敷設(shè)不牢固等外力作用、絕緣處施工不當(dāng)?shù)瘸霈F(xiàn)質(zhì)量損傷等，外力故障的影響因素較為豐富。

3.2 基于配套附件質(zhì)量問題的故障

配套附件作為電力隧道工程建設(shè)的重要基礎(chǔ)，在其生成制作過程中也存在缺陷問題，比如在工藝水平的限制下導(dǎo)致絕緣層缺陷等，具體體現(xiàn)為絕緣層出現(xiàn)缺口、發(fā)皺，出現(xiàn)縫隙等；再如密封不嚴(yán)導(dǎo)致電纜接頭制作質(zhì)量不符合預(yù)期等；或是型號不適合、零件有毛病等電纜附件方面的缺陷問題；最后是生產(chǎn)的原始材料本身就存在缺陷，生產(chǎn)制作前沒有規(guī)范檢驗，導(dǎo)致其流入生產(chǎn)區(qū)間。

3.3 基于過高運行負(fù)荷的故障

當(dāng)工作負(fù)荷過高時，將會導(dǎo)致電纜溫度過高。在該情況下，絕緣保護材料受溫度影響出現(xiàn)破損現(xiàn)象，嚴(yán)重情況下將引發(fā)燃燒，進而導(dǎo)致嚴(yán)重故障；在過電壓工作環(huán)境下，可能出現(xiàn)絕緣擊穿等現(xiàn)象；當(dāng)電纜處于長時間工作狀態(tài)后，絕緣可能出現(xiàn)樹枝化放電現(xiàn)象，從而造成電纜故障；相關(guān)材料的品質(zhì)條件沒有在研發(fā)階段滿足現(xiàn)實需求，導(dǎo)致電纜過負(fù)荷運行。

3.4 基于絕緣受潮或化學(xué)腐蝕的故障

當(dāng)運作環(huán)境較為潮濕時，或是電纜接頭生產(chǎn)不達標(biāo)等，在濕潤氣體的持續(xù)接觸下將產(chǎn)生水分子，以慢性的狀態(tài)影響其絕緣性能；若是電纜外露，與土地直接接觸，可能會導(dǎo)致其外層或是金屬層受到腐蝕，在長時間的作用下，保護層功能作用逐漸消失，最終對電纜絕緣品質(zhì)造成損害，引發(fā)相關(guān)故障問題。

3.5 基于隧道環(huán)境和溫度的故障

在外部嚴(yán)峻運作環(huán)境或是過高的溫度下，電纜整體溫度過高，將出現(xiàn)絕緣擊穿、燃燒等情況，甚至帶來火災(zāi)。

4 高壓電纜故障診斷方法

為了能夠及時地發(fā)現(xiàn)電纜故障，常用方法有電橋法、脈沖發(fā)射法、駐波法、故障點燒穿法和閃絡(luò)法。

在傳統(tǒng)的故障診斷方法上，在定性診斷的基礎(chǔ)上，還需要精確地確定故障點的位置，經(jīng)過發(fā)展故障診斷精確定位的方法主要有沖擊放電聲測法、音頻法及聲磁傳播時間測量法。

在自動化技術(shù)高速發(fā)展和現(xiàn)代微電子技術(shù)日益成熟的背景下電纜故障診斷方法也在不斷的發(fā)展，特別是小波變換、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法以及專家系統(tǒng)等智能算法的應(yīng)用，智能算法的應(yīng)用增強了故障診斷對監(jiān)測的非平穩(wěn)信號的利用，有效提高了電力隧道運作的安全水平。