吳 畏，楊博麟，王軼群，汪

(1.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，長沙410082;2.湖北省電力公司黃岡供電公司，湖北黃岡438000)

0 引言

隨著我國城市電網(wǎng)的升級改造和電力電纜制造技術(shù)的不斷提高，電力電纜在城市電網(wǎng)中得到廣泛使用，特別是高電壓等級電力電纜的使用數(shù)量在現(xiàn)有電網(wǎng)設(shè)備中已占據(jù)較大比重。然而統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，由電力電纜及其接頭引發(fā)的各種故障和事故正呈增長趨勢。文獻(xiàn)［1］統(tǒng)計了長沙地區(qū)電纜近7年間的電纜故障次數(shù)，見表1。表1中數(shù)據(jù)顯示電纜故障次數(shù)逐年升高。

由上述數(shù)據(jù)可見，對電力電纜及其接頭的運行狀況監(jiān)測問題進(jìn)行研究十分必要。對電力電纜及其接頭的運行溫度進(jìn)行監(jiān)測可以幫助運行人員了解和掌握電力電纜及其接頭的絕緣狀況，計算和調(diào)整電纜載流量等，做到提早發(fā)現(xiàn)隱患，避免類似圖1所示的各類故障發(fā)生。

由于溫度測量技術(shù)的多樣性和電力設(shè)備的不同要求，電力設(shè)備運行溫度監(jiān)測的方式各有不同。本文描述并總結(jié)了幾種應(yīng)用于電力電纜及其接頭的運行溫度監(jiān)測技術(shù)。

表1 長沙地區(qū)電纜故障統(tǒng)計 (單位:次)

圖1 35 kV電纜終端被擊穿［2］

1 電纜本體的運行溫度監(jiān)測

1.1 點式溫度監(jiān)測

點式溫度監(jiān)測是指將若干個溫度傳感器分散安置于電纜上重要的監(jiān)測部位，然后將測得的溫度數(shù)據(jù)傳回，對其分析并得出結(jié)論，從而達(dá)到監(jiān)測電纜運行溫度的目的。因溫度傳感器呈點狀分散分布，故稱為點式溫度監(jiān)測。

點式溫度監(jiān)測法是一種傳統(tǒng)的測溫方法，早期主要是使用熱電偶或熱敏電阻作為感溫裝置?，F(xiàn)在多采用更為先進(jìn)的數(shù)字式溫度傳感器作為感溫裝置，結(jié)合微處理器以及控制用計算機等實現(xiàn)運行溫度在線監(jiān)測、溫度超限自動報警和歷史數(shù)據(jù)存儲等功能。

文獻(xiàn)［3］利用數(shù)字式溫度傳感器DS1820作為感溫裝置，以89C51單片機管理并控制溫度傳感器，使用RS-485總線完成單片機與主控計算機之間的控制連接，實現(xiàn)對電力電纜的運行溫度的多點在線監(jiān)測。文獻(xiàn)［4］中同樣采用點式溫度監(jiān)測方法，通過不同的元件實現(xiàn)了對電纜運行溫度的在線監(jiān)測。

點式溫度監(jiān)測方法的特點是對電纜本體的運行溫度進(jìn)行多點同時測量，其優(yōu)點是成本較低、實用性強，但其缺點也顯而易見，即無法對電纜本體進(jìn)行整體測溫;而且由于多采用的是接觸式傳感器進(jìn)行表面測溫，不能準(zhǔn)確反映電纜本體內(nèi)部的實際溫度。

1.2 線型感溫電纜式溫度監(jiān)測

線型感溫電纜式溫度監(jiān)測是指以線型感溫探測器(多為電纜式)作為溫度傳感器，將其按某種形式與待測的電力電纜敷設(shè)在一起，使用信號總線連接感溫電纜與主控計算機，實現(xiàn)對電纜全線的運行溫度連續(xù)監(jiān)測和測量溫度超限即斷線報警的功能。

線型感溫電纜的工作原理是，感溫電纜中有兩根按一定扭力絞合在一起的，外層包裹著特殊熱敏絕緣材料的彈性鋼絲，當(dāng)感溫電纜所接觸的物質(zhì)的某一部位溫度上升，鋼絲間的絕緣材料受其影響發(fā)生變化直至兩鋼絲間短路，進(jìn)而向控制主機發(fā)出超溫報警信號。線型感溫電纜實物如圖2所示。線型感溫電纜的敷設(shè)方式一般采用正弦波接觸式，如圖3所示。

文獻(xiàn)［5］中提到邯鋼在煤氣回收電纜隧道中使用線型感溫電纜取得了良好的效果。

利用線型感溫電纜對電纜進(jìn)行溫度監(jiān)測的優(yōu)點是:(1)測量覆蓋范圍大;(2)對工作環(huán)境要求低，適合在空間狹小、惡劣的環(huán)境下使用;(3)安裝簡單、成本低、維護量小;(4)安全性及可靠性較高。其缺點有:(1)無法準(zhǔn)確定位具體發(fā)熱點;(2)測量精度有限。

圖2 線型感溫電纜

圖3 線型感溫電纜的敷設(shè)方式

1.3 光纖式溫度監(jiān)測

光纖式溫度監(jiān)測由于其獨特的優(yōu)勢受到研究人員重點關(guān)注和研究，是新興的溫度監(jiān)測方式。光纖式溫度監(jiān)測與其他溫度監(jiān)測方式的不同之處在于特殊的溫度傳感器，光纖式溫度監(jiān)測是建立在分布式溫度傳感(DTS，即 Distributed Temperature Sensing)［6］技術(shù)之上的。

分布式光纖溫度傳感器的工作原理是光纖的光時域反射(OTDR)［7］以及光纖的后向拉曼散射溫度效應(yīng)［8］。拉曼背向散射光由稱作反斯托克斯光和斯托克斯光的入射光組成。這兩種光的波長不同，光強比例可以轉(zhuǎn)換成溫度讀數(shù)，其公式為:

式中，Ias為斯托克斯光強度;Is為反斯托克斯光強度;h為普朗克常數(shù);c為真空中的光速;Δv為波數(shù);k為波爾茲曼常數(shù);T為絕對溫度。分布式光纖溫度傳感器的測量原理如圖4所示。

圖4 光纖測量溫度原理圖［9］

光纖溫度傳感器的安裝方式、入射光強度、系統(tǒng)噪聲、拉曼散射系數(shù)、疊加次數(shù)與溫度分辨率等因素對測量精度都有直接影響。為保證測量精度，必須綜合考慮上述各種因素。光纖溫度傳感器的安裝方式通常有表貼式和內(nèi)絞合式兩種，如圖5所示。

圖5 測溫光纖安裝方式示意圖［10］

由光纖特有的物理特性而決定的光纖式溫度監(jiān)測方式比其他溫度監(jiān)測方式有更多的優(yōu)點:(1)可取代大量點式傳感器，實現(xiàn)實時測量、故障監(jiān)測和預(yù)報;(2)質(zhì)量輕、柔性好、安裝方便;(3)抗電磁干擾能力強、絕緣性能高，可以工作在高電壓、大電流等惡劣環(huán)境中;(4)可測距定位、重復(fù)使用、報警溫度可調(diào)。但光纖式溫度監(jiān)測方式也存在缺點:實現(xiàn)成本較高及實現(xiàn)技術(shù)難度較大。

光纖式溫度監(jiān)測方式已在高電壓等級電纜運行溫度在線監(jiān)測領(lǐng)域得到了一定應(yīng)用。文獻(xiàn)［11］使用分布式光纖溫度傳感器(FODT sensor)［12］對地下電力電纜故障進(jìn)行檢測定位。最大可測距離為10 km，定位精度為1 m，定位時間不超過30 s，效果良好，具有一定的實用性。文獻(xiàn)［13］應(yīng)用光纖測溫技術(shù)對裝在超高壓電纜實驗室里的220 kV電力電纜進(jìn)行了2個月的現(xiàn)場試驗。試驗表明，利用光纖測溫技術(shù)可以進(jìn)行長距離和精確的溫度測量，為電力電纜最佳和最安全載流量的確定提供直接數(shù)據(jù)。試驗布局如圖6所示。文獻(xiàn)［14］將光纖測溫技術(shù)與GPRS網(wǎng)絡(luò)結(jié)合在一起設(shè)計出可對220 kV電力電纜進(jìn)行在線監(jiān)測并采用無線方式傳輸數(shù)據(jù)的監(jiān)測系統(tǒng)。文獻(xiàn)［15］中設(shè)計的電力電纜分布式光纖在線監(jiān)測溫度裝置已在杭州、北京和廈門等城市超過50條220 kV電力電纜線路上投入運行。

1.4 紅外式溫度監(jiān)測

前述三種溫度監(jiān)測方式均為接觸式，溫度傳感器需與待測物接觸，而紅外測溫技術(shù)的優(yōu)勢在于不需與待測物接觸。但紅外測溫傳感器受工作環(huán)境的影響較大，不宜在灰塵多、強電磁場等環(huán)境下工作。因此尤其是地下電力電纜的運行溫度在線監(jiān)測中，使用紅外測溫技術(shù)的高電壓等級電纜運行溫度在線監(jiān)測方式較為少見。

圖6 試驗布局

2 電纜接頭的運行溫度監(jiān)測

電纜接頭是電力電纜網(wǎng)絡(luò)的重要組成部件之一。多年的運行經(jīng)驗顯示90%以上的電纜運行故障是由接頭故障引發(fā)的，而接頭溫度過高是造成電纜接頭絕緣老化、易發(fā)故障的主要原因［16］。研究人員針對以上情況設(shè)計出電纜接頭運行溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的共同點是多采用點式溫度監(jiān)測方式，而區(qū)別在于系統(tǒng)各部分間的不同的連接方式。

2.1 有線連接方式

采用有線連接方式的電纜接頭運行溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)大致相同，與應(yīng)用于電纜本體的點式溫度監(jiān)測系統(tǒng)類似，由溫度傳感器、數(shù)據(jù)總線、單片機和主控計算機組成。有線連接方式是指在溫度傳感器和主控計算機間采用單片機和數(shù)據(jù)總線完成連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和管理控制功能。

文獻(xiàn)［17］設(shè)計的電纜接頭運行溫度監(jiān)測系統(tǒng)采用點式溫度監(jiān)測方式，系統(tǒng)中各部分采用總線連接，屬于典型的有線連接的電纜接頭點式溫度監(jiān)測系統(tǒng)。然而這種溫度監(jiān)測系統(tǒng)存在不足:(1)有線連接方式限制此種系統(tǒng)只適合在范圍小、待測量點密集的場合;(2)安裝工作量大，實現(xiàn)較困難;(3)出現(xiàn)故障維護較困難。因此該系統(tǒng)適合在發(fā)電廠或變電站等待測設(shè)備相對集中的場所應(yīng)用。

2.2 無線連接方式

為了更好地對在城市電網(wǎng)中使用的電纜接頭進(jìn)行溫度在線監(jiān)測，研究人員提出了采用無線連接的電纜接頭運行溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)。

文獻(xiàn)［18］中設(shè)計的電纜接頭溫度監(jiān)測系統(tǒng)的組成如圖7所示。整個系統(tǒng)具有完整的數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、顯示、打印及遠(yuǎn)距離通信能力，并配有強大的軟件支持，不但能監(jiān)測電纜的工作狀態(tài)，也能為分析電纜故障隱患提供幫助。

圖7 城市地下電纜接頭溫度監(jiān)測系統(tǒng)的組成

無線連接方式較之有線連接方式有以下優(yōu)勢:(1)不受距離限制，可應(yīng)用于大范圍的溫度監(jiān)測;(2)不必進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸線的布線接線等繁重復(fù)雜工作，減少了工作量;(3)適用性較廣、經(jīng)濟性較好。

通過電纜外護套表面實測溫度及電纜結(jié)構(gòu)參數(shù)等數(shù)據(jù)就能夠計算出電纜導(dǎo)體實際溫度。上述幾種電纜接頭運行溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)就是利用上述原理測量的。盡管可以利用電纜接頭的表面溫度與內(nèi)部線芯溫度存在的對應(yīng)關(guān)系［19］對電纜接頭進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測，但由于電纜接頭受到的特殊影響［20］如:(1)由強電場引起的介質(zhì)損耗;(2)接觸電阻;(3)密封等問題，導(dǎo)致現(xiàn)行電力電纜接頭運行溫度在線測量方法存在準(zhǔn)確性差、易受外部環(huán)境影響等缺點。

3 結(jié)束語

對電力電纜本體運行溫度進(jìn)行在線監(jiān)測的幾種技術(shù)的發(fā)展已較成熟。根據(jù)這些技術(shù)設(shè)計出的溫度監(jiān)測系統(tǒng)已在實際應(yīng)用中按電壓等級的高低形成一個體系，且取得了成效。點式溫度監(jiān)測可用于較低電壓等級的電纜運行溫度在線監(jiān)測，而正在迅速發(fā)展中的光纖式溫度監(jiān)測則可在高電壓等級的電力電纜運行溫度在線監(jiān)測領(lǐng)域得到逐步地應(yīng)用和推廣。

電纜接頭運行溫度在線監(jiān)測的方式顯得較為單一，實際應(yīng)用也不廣泛。對電纜接頭的運行溫度在線監(jiān)測的研究應(yīng)得到更多投入，以期在電纜接頭運行溫度在線監(jiān)測領(lǐng)域取得突破，提出有效的溫度監(jiān)測方式，設(shè)計可行的溫度監(jiān)測系統(tǒng)，預(yù)防電力電纜接頭故障發(fā)生，保證電力電纜網(wǎng)絡(luò)安全運行。

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