變電站電纜通道多參量采集和預(yù)警技術(shù)研究

胡曉斌,張捷,薛桅

(1.國網(wǎng)江西省電力有限公司九江供電分公司,江西 九江 332000; 2.國網(wǎng)江西省電力有限公司,南昌 330077;3.國網(wǎng)江西省電力有限公司瑞昌供電分公司,江西 瑞昌 332200)

0 引 言

隨著社會的飛速發(fā)展,對城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的要求越來越高[1]。 其中,市政管線的建設(shè)需要按照城市規(guī)劃進行改造,使地下電纜通道成為變電站的主要輸電方式[2]。地下供電網(wǎng)絡(luò)的電纜分布眾多,在發(fā)展的同時,也對電力電纜的安全運行和事故預(yù)防提出了更高的要求。電力電纜的安全運行管理涉及多個方面,具有分布范圍廣、距離遠、地面環(huán)境復(fù)雜等特點。如果可以實時全面監(jiān)測電力電纜通道,對確保電力供應(yīng)和安全生產(chǎn)具有重要意義。

目前,國內(nèi)外學(xué)者對變電站電纜通道的多參數(shù)采集與預(yù)警技術(shù)進行了大量的研究。目前,國內(nèi)大部分電纜的運維管理是定期檢查/計劃維護的管理形式,存在很大的局限性。在文獻[3]中,通過有限元分析軟件,建立了電纜溫度場的有限元模型。電纜通道敷設(shè)和電纜中間接頭的熱分析確定了電纜群和接頭的過熱位置,從而完成了電纜溝溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計方案。在文獻[4]中,對電纜的溫度等安全因素進行遠程和在線監(jiān)控,并使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能算法進行模型優(yōu)化和預(yù)警評估。在文獻[5]中,在地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System,GIS)基礎(chǔ)上,實現(xiàn)電力電纜實時在線監(jiān)控。避免了地下電纜故障的純粹物理檢驗,既提高了工作效率又起到了預(yù)警作用,一定程度上避免了電纜故障造成的經(jīng)濟損失。在文獻[6]中,提出了一種用于高壓電纜通道的多狀態(tài)綜合監(jiān)視系統(tǒng),該系統(tǒng)集成了多個獨立的監(jiān)視子系統(tǒng)和來自各個制造商的監(jiān)視系統(tǒng)軟件,以收集多系統(tǒng)監(jiān)視數(shù)據(jù)。它支持集中式傳輸、匯總、分析和應(yīng)用。并對系統(tǒng)的實際應(yīng)用進行分析和研究。以上研究為變電站電纜通道多參數(shù)采集與預(yù)警技術(shù)研究提供了理論依據(jù)。

在此基礎(chǔ)上,提出一種變電站電纜通道多參數(shù)采集與預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計方案,重點研究電力電纜的溫度場和載流量。通過有限元分析軟件,建立10 kV單芯電纜四回路標準敷設(shè)的幾何模型。對不同工況下的溫度場和載流量進行了實驗分析。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

變電站電纜通道多參量采集和預(yù)警系統(tǒng)可以實時監(jiān)測通道環(huán)境參數(shù)。相比于單一監(jiān)控系統(tǒng),多參量采集和預(yù)警系統(tǒng)具有更完善的功能和更高的效率。在第一時間檢測到異常并發(fā)出報警信號,通知相關(guān)人員進行故障排除,將隱患的可能性降到最低[7]。圖1為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。變電站電纜通道多參量采集和預(yù)警系統(tǒng)由監(jiān)控系統(tǒng)和智能監(jiān)控終端組成。

(1)監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)通常位于變電站和自動化室中。通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)或3G/4G網(wǎng)絡(luò)與智能控制終端進行雙向網(wǎng)絡(luò)通信,實現(xiàn)轄區(qū)內(nèi)變電站電纜通道的參量采集[8]。后臺監(jiān)控系統(tǒng)是在GIS平臺上開發(fā)的,并以Java語言開發(fā)了相關(guān)的數(shù)據(jù)接口和業(yè)務(wù)分析模塊,并將其打包為后臺服務(wù)。后臺數(shù)據(jù)接口進程收到智能控制終端上傳的信息后,自動進行拓撲,實現(xiàn)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu)。啟動業(yè)務(wù)分析模塊以分析電纜通道狀態(tài)。如果發(fā)現(xiàn)模擬數(shù)據(jù)已超出限制或開關(guān)的狀態(tài)已更改,則可以立即評估告警級別,可以啟動告警服務(wù),并且可以在地理信息系統(tǒng)界面上點亮相應(yīng)的電纜通道顯示告警的位置和內(nèi)容。通知電纜通道相關(guān)責(zé)任人盡快處理隱患。

(2)智能監(jiān)控終端

智能監(jiān)控終端由采集單元和監(jiān)控主機組成。這兩部分采用RS485通訊方式進行雙向數(shù)據(jù)傳輸和實時交互,使監(jiān)控終端具有綜合識別、智能處理、傳輸可靠等功能[9]。采集單元分為井蓋位移、環(huán)境溫濕度監(jiān)視、有害氣體監(jiān)視、可燃氣體監(jiān)視、水位監(jiān)視,火災(zāi)探測、電纜溫度測量等模塊。定期采集電纜通道狀態(tài)數(shù)據(jù),并將其上傳到監(jiān)控主機。監(jiān)視主機接收采集單元上傳的數(shù)據(jù),然后對其進行匯總,并通過最近的監(jiān)視主機通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將其上傳到后臺監(jiān)控系統(tǒng)[10]。如果通信異常,在通信范圍(可見距離2 000米)內(nèi)搜索另一個監(jiān)視主機,建立新的傳輸路徑,然后執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸?？紤]到通道監(jiān)控節(jié)點和后臺監(jiān)控系統(tǒng)可能相距太遠,監(jiān)控主機也可以通過3G/4G等通道將區(qū)域數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控系統(tǒng)。

2 模型建立

2.1 有限元參數(shù)

有許多種敷設(shè)電纜的方法,其中電纜溝使用最為廣泛。與其它安裝方法相比,它具有維護、檢修和電纜更換方便等優(yōu)點[11]。多回路電纜通常放置在電纜槽中。電纜敷設(shè)的現(xiàn)狀較為混亂,載流量在標準中只有推薦值,所以需要對電纜溝溫度場和載流量進行詳細分析。電纜溝鋪設(shè)圖如圖2所示。

圖2 四回路電纜鋪設(shè)圖

圖片中有12根電纜,每一回電纜3根。這是一次回路的三相對稱導(dǎo)體,一字型排列。同時,電纜兩側(cè)和中間相的長度(距離)為90 mm,使用的單芯電纜型號為8.7/15 kV YJV1×400。

2.2 網(wǎng)格的劃分

對于2D模型,COMSOL軟件支持網(wǎng)絡(luò)單元形狀,如自由三角形和四邊形[12]。它還支持特殊的網(wǎng)格方法,例掃掠劃分。由于電纜的幾何模型非常規(guī)則,因此文中選擇了具有適度較強、分割速度快的三角形網(wǎng)絡(luò)來建立有限元模型。通常,網(wǎng)格越小,精度越高。同時,也導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜化并增加了計算時間,如圖3所示電纜溝網(wǎng)格劃分的示意圖。

圖3 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分結(jié)果表明,電纜部分結(jié)構(gòu)尺寸小,網(wǎng)格劃分緊密,溫度梯度變化大[13]。由于土壤中的溫度梯度小,因此可以粗略地劃分網(wǎng)格,從而在確保計算結(jié)果準確性的同時提高了計算速度。

2.3 載流量算法

文中使用割線法計算了電纜的載流量。其迭代方程如式(1)所示[14]:

(1)

式中f(x)為通過有限元模擬在已知電流x情況下獲得的線芯溫度值。

當(dāng)采用有限元法求解電纜的載流量時,通過有限元模擬獲得兩個試探電流值x1和x2對應(yīng)的線芯溫度值f(x1)和f(x2)[15]。如果f(x1)和f(x2)的值與電纜允許的最高溫度90℃之間的差值不滿足誤差要求,則可以通過式(1)重新獲取用于有限元模擬的新電流值,直到芯溫滿足要求為止。割線法的具體步驟如下:

步驟一:根據(jù)以往的電纜載流量經(jīng)驗,隨機選擇兩個電流I1和I2,并為該值賦給xk-1和xk。 此時,計算線芯溫度f(xk-1)和f(xk)[16]。如果溫度值與設(shè)定值之差滿足要求,則當(dāng)前的電流值為載流量。否則,繼續(xù)下一步;

步驟二:將xk-1和xk以及f(xk-1)和f(xk)值代入式(1),然后計算得到xk+1。使用有限元方法計算線芯溫度值f(xk+1)[17]。如果f(xk+1)與90 ℃之間的差滿足誤差要求(文章設(shè)置0.3 ℃),則xk+1值為電纜的載流量[18]。 否則,繼續(xù)下一步;

步驟三:進行xk-1=xk,xk=xk+1f(xk-1)=f(xk),f(xk)=f(xk+1)賦值,并執(zhí)行步驟二。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 溫度場分析

首先,計算正常負載下四回路電纜的溫度場分布,電纜將通過標準350 A負載電流[19]。在土壤區(qū)域,溫度變化不明顯,不是研究的重點,因此,僅分析電纜附近的溫度場。350 A負載電流電纜溝溫度場分布如圖4所示。

圖4 350 A電流電纜溝的溫度場分布

使用割線法計算電纜的載流量為623 A,兩個測量值分別為618 A和622 A。結(jié)果表明,仿真值與計算值之間的誤差僅為0.1%。因此,有限元法在計算承載力方面具有極好的精度和工程適應(yīng)性[20]。 圖5所示623 A載流量時的溫度場分布。

圖5 623 A載流量時溫度場分布

從圖4和圖5可以看出,最高溫度的區(qū)域集中在線芯,正常負載溫度最高53.90 ℃。載流量下的最高溫度89.1 ℃。從圖中可以看到,電纜槽的左右兩側(cè)是對稱的。電纜芯線溫度最高的地方是一次回路右相,在正常負載和載流量下,位置和順序保持不變。 對于在線電纜溫度監(jiān)測,只需要對溫度最高的電纜進行監(jiān)測,以確保系統(tǒng)的整體溫度不超過限制。

3.2 載流量分析

在城市電網(wǎng)的實際運行中,許多電纜未按照標準進行排列。特別是全部或部分電纜直接放在電纜槽底部的地面上。在標準中無法獲得溫度場和載流量。因此,文中采用有限元法對溫度場和載流量進行分析。電纜全部敷設(shè)于電纜溝底部,圖6所示鋪設(shè)底部載流量下的溫度場分布。

圖6 鋪設(shè)底部載流量下的溫度場分布

從圖6可知,類似于常規(guī)敷設(shè),電纜周圍的溫度降變化很大,隨著距電纜距離的增加,溫度降減慢。最高溫度集中在電纜芯部,最高溫度為89.5 ℃。

即電纜載流量的溫度場,通過割線法計算載流量為486 A,相比于標準623 A,下降了22%?？梢钥闯?如果所有電纜都放置在電纜槽的底部,其載流量將會大大降低。原因如下。首先,電纜的敷設(shè)密度比標準敷設(shè)密度高得多,而電纜的高溫會阻塞其他電纜的散熱路徑,電纜的散熱不暢通。其次是底部結(jié)構(gòu)由水和水泥組成,泥漿的導(dǎo)熱系數(shù)高于空氣。同樣,由于角鋼的導(dǎo)熱系數(shù)低,鋪設(shè)在底部水泥的導(dǎo)熱系數(shù)也低于電纜周圍角鋼和空氣的導(dǎo)熱系數(shù)。

以上分析可知,將電纜全部敷設(shè)在電纜溝的底部會大大降低載流量,敷設(shè)越密,散熱越差,電纜溫度越高。在實際敷設(shè)中高密度會導(dǎo)致各相間金屬屏蔽層的感應(yīng)電壓增加,從而增加電纜的電感損耗。因此,該項目應(yīng)避免在電纜溝的底部鋪設(shè)多根電纜,電纜間距盡可能大。電纜部分敷設(shè)于電纜溝底部,圖7所示部分鋪設(shè)底部載流量下的溫度場分布。

圖7 部分鋪設(shè)底部載流量下的溫度場分布

從圖7中可以看出,在常規(guī)敷設(shè)中,電纜附近的溫度降急劇變化,從遠處到電纜的溫度降變慢。最高溫度集中在電纜芯中,最高溫度為89.3 ℃。這是電纜載流量的溫度場。根據(jù)割線方法計算,電纜群的載流量為572 A,比常規(guī)623 A低51 A,降低8.2%。相比于全部鋪設(shè)溝底,載流量增加了86 A,增加了17.7%。這是因為就電纜敷設(shè)密度而言,標準敷設(shè)的電纜的密度與部分電纜敷設(shè)底部的電纜密度相比稍有分散,全部電纜敷設(shè)底部的密度最高。結(jié)果表明,電纜敷設(shè)密度對電纜的散熱有很大影響,密度過高會導(dǎo)致電纜的載流量下降。

綜上所述,對三種電纜敷設(shè)方式的溫度場和載流量分析表明,隨著電纜密度的增加,載流量明顯降低。其中電纜規(guī)則敷設(shè)密度最低,載流量最大。全部電纜敷設(shè)底部的密度最高,載流量最小。電纜部分敷設(shè)底部的載流量介于兩者之間。因此,在工程實踐中,應(yīng)盡可能地保持電纜敷設(shè)的規(guī)范性,以獲得最大的電纜載流量。

4 結(jié)束語

提出了一種變電站電纜通道多參量采集和預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計方案,重點研究了電力電纜的溫度場和載流量。通過有限元分析軟件,建立了10 kV單芯電纜四回路標準敷設(shè)電纜溝的幾何模型,并采用了割線法計算出穩(wěn)態(tài)載流量。對不同工況下的溫度場和載流量進行了實驗分析。結(jié)果表明,對于在線電纜溫度監(jiān)測,只需要對溫度最高的電纜進行監(jiān)測;電纜鋪設(shè)密度過高會導(dǎo)致電纜的載流量下降?？紤]到當(dāng)前的實驗設(shè)備和數(shù)據(jù)規(guī)模,論文工作仍處于起步階段?；诖?逐步改進和完善將是下一步的工作重點。