论文之十七电力电缆表面温度监控和实时载流量计算系统

1、论文之十七：电力电缆表面温度监控和实时载流量计算系统研究与应用严有祥1 苏雪源1肖传强2 (1厦门电业局;2北京兴迪公司)摘要：本文介绍了采用分布式光纤测温技术开发的高压电力电缆表面温度监控和实时载流量计算系统主要原理、系统结构和特点以及在电缆线路运行监测中的应用情况，通过分析一次报警实例，说明分布式光纤测温系统具有测量可靠性，反应灵敏性等特点。关键词：分布式光纤测温 电力电缆 载流量计算1、前言高压电缆的表面温度反映了电缆的运行情况。不论是过负荷运行还是电缆运行环境发生变化或者是电缆线路本身绝缘故障（如主绝缘局部放电或护层绝缘被破坏后引起的各种故障）都会引起电缆表面温度发生变化，因此监测电缆

2、表面温度可以及时发现电缆异常情况，及时采取措施，避免事故发生【1】。另一方面，恒定负载或周期负载条件下，通过测量电缆表面温度，可以精确计算出电缆线芯导体温度【2】，从而为在各种运行环境下合理制定电缆允许载流量提供科学依据，从而使我们能充分利用现有线路的输送能力。长期的经验数据积累，还为我们今后的电缆截面的选择提供依据，从而减少不必要的浪费。2005年厦门电业局和北京兴迪仪器公里联合研究并开发了一套新的电缆表面温度监控和实时载流量计算系统(型号CTM4000)。该系统包括电缆表面温度监测系统和电缆导体温度计算、载流量计算软件两部分，其中电缆表面温度监测系统采用分布式OFDR光纤测温技术，可以做到

3、在线实时、全程监测电缆表面温度，并记录电缆表面温度变化情况，当出现电缆表面温度异常时发出报警信息，通过对电缆温度的监视，随时掌握电缆的运行温度，既可避免电缆在过载的情况下长期运行，又可根据运行的温度及时调整电缆的负荷，对电力系统的安全、经济运行大有益处。电缆导体温度计算、载流量计算软件部分，采用国际标准提供的计算方法，可以通过电缆表面温度计算出电缆导体温度，通过电缆导体温度计算载流量，进而对电缆最大负荷做出预测，为电力调度提供技术依据。提高电缆的传输能力，发挥电缆的最大潜力。 2、系统主要功能和特点2.1温度测量原理 喇曼散射光波导由搀杂的石英玻璃制成，石英玻璃SiO2分子组成， 热使分子晶格

4、产生振动，如果光照射在受热激发而振动的分子上，声子和这些分子的电子之间会发生相互作用。因此光在光波导中会发生散射，这种效应就是所谓的喇曼散射。从光纤散射返回的光包括三部分不同的光谱：- Rayleigh 散射光，光波长为所用激光源的激光波长- Stokes 分量，光的波长更长一些，会产生光子- the anti-stokes 分量， 光的波长较 Rayleigh 散射光的短，其中光子已被吸收。图 1 喇曼散射和入射光激发晶格谐振的频率相比，散射光的谱线频率发生了位移。反斯托克斯线的强度和温度有关，斯托克斯线和温度无关, 使用光波导内一点的反斯托克斯光和斯托克斯光强度的一种关系式，即可得到这一点

5、的温度3。2.1.2 测温原理 喇曼散射光的分布式测量要求有一个背光散射过程。最著名的背光散射过程就是OTDR (OTDR: 光时域反射测量技术)。使用这种技术可以定位光纤断开的位置，对接头和插头进行评价和定位，定位使用玻璃纤维材料的衰减特性（瑞利散射）。OTDR的测量过程发射光脉冲，通过检测光脉冲的发射和返回的时间差决定光的散射水平和位置，和瑞利光相比，喇曼散射光测量显示的背光信号只是千分之一左右，使用OTDR技术的分布式喇曼温度传感器必须使用高性能（昂贵的）脉冲激光源（通常固体激光器）或快速信号平均技术才能实现。本系统所用温度测量控制系统采用的是光频域反射法 (OFDR)。OFDR 系统只

6、有在整个测量时间内当所探测到的背散射信号被测出是频率的函数的复杂形式，并且符合傅立叶变换，才会提供局部特性的信息。OFDR 技术的最大优势是准连续波长的激光探测模式，可以获得比传统的脉冲技术更高的信噪比。这一技术优势使系统可以用半导体激光二极管和电子器件进行组装。但快速傅立叶变换对电子器件有更高的线性要求。下图2为 OFDR 喇曼温度测量系统设计的示意图。图2 OFDR 喇曼温度测量系统设计的示意图温度测量系统由控制器和作为线形温度传感器的玻璃光纤（光波导）组成，而控制器由激光源、光器件、微处理单元组成。它由三个通道组成，两个测量通道(反斯托克斯和斯托克斯)和一个参考通道，这些背光散射的幅值和

7、各点的喇曼散射光的强度成比例，从两个测量通道的得到幅值的关系即可得到沿传感器电缆的光纤温度。2.2系统结构高压电力电缆表面温度监控和实时载流量计算系统由测温系统，载流量分析和计算软件两部分构成。其中测温系统包括测温光纤，多路光转换开关 带激光光源的控制器、工业计算机和相应的软件构成如图3所示图 3 测温系统结构示意图光纤测温系统接入TCP/IP办公网络。在每个相关人员的电脑上安装光纤测温软件，相关人员可以通过测温软件监测电缆的实时温度，并使用测温软件的所有功能。系统从调度自动化系统WEB发布的数据中获取被测电缆的电流数据，以提供给载流量分析软件，进行载流量分析。光纤测温载流量分析软件是基于C/

8、S（Client/Server）结构的软件系统，整套软件运行在由当地（变电站）和远程计算机组成的计算机网络系统上， 整个光纤测温的计算机网络系统的分布如下图4所示图 4 光纤测温的计算机网络系统拓扑图2.3系统特点温度测量精度高，定位精度高。OFDR是90年代以来一项新技术，它将调制接收到的频谱。OFDR系统只有在整个测量时间内当所探测到的背散射信号被测出是频率的函数的复杂形式，并且符合傅立叶变换，才会提供局部特性的信息。OFDR技术的最大优势是光学背散射信号的激光和窄带探测所用的准连续波长模式，借此可以获得比传统的脉冲技术更高的信噪比。这一技术优势使得半导体激光二极管和电子器件组装可以用作信

9、号均衡。由于FFT计算(FFT, 快速傅立叶变换)对电子器件有更高的线性要求，这是一种对技术上比较困难的喇曼散射光测量和比较昂贵的信号处理的弥补。技术指标达到： 空间分辨率： ±1米 温度分辨率： ±1为了验证上述指标，我们在武汉高压研所院做了比对试验。试验按照Q/MYXDY001-2006线型分布式光纤感温火灾探测系统进行，检测结果：温度测量精度在90 范围以内不超过±0.9 ；空间定位精度不超过±0.8 m表1、温度精度试验数据时 间热稳定时间min标准温度计测量温度光纤测温测量 温度光纤测温测量位置m环境 温度备注2006-10-28 11：261

10、033.933.725.423.02006-10-28 12：001050.350.925.223.02006-10-28 14：381062.062.225.223.02006-10-29 10：441074.274.025.321.02006-10-29 11：081091.090.125.321.0但在测量电缆的表面温度时，我们发现，本测温系统的温度测量数据与标准温度计测得的数据有偏差如表2所示表2、电缆表面温度测量比较表武高所的温度测量数据A光纤测温系统的温度测量数据B误差（A-B）24.825.02-0.430.430.110.2932.632.010.593432.931.0736

11、34.721.2837.935.9242.840.372.4346.643.153.4547.143.963.1449.845.93.9注：环境温度：24.8分析上述偏差我们发现，在电缆表面的温度接近环境温度时，二者的测量误差在±0.5，电缆表面的温度越高，二者的测量误差越大（误差与电缆表面温度成正比），误差的数值变化与电缆表面温度的变化基本成线性。如图5所示图5 温度偏差图造成这种偏差的原因是，光纤测温的真正感温部分是位于光缆中心的裸纤，裸纤外围的包层是为了保护内部的裸纤。光缆与电缆表面的接触面积有限，光缆的大部分置于周围的介质中，由于电缆表面与周围的介质（环境）存在一定的温差，所

12、以从电缆表面到周围的介质形成了一定的温度梯度，而裸纤感受到的是其所在位置的对应的梯度的温度。由于电缆表面的温度高于周围的介质（环境）的温度，所以形成的是一个递减的温度梯度，而随着电缆表面与周围的介质（环境）的温度差越大，电缆表面的散热梯度也越大，这也是造成电缆表面温度越高，光纤测温系统的测量数据越来越偏低的根本原因。但由于光纤测温的测量误差的数值变化与电缆表面的温度化基本成线性，所以对光纤测温测得的有偏差的温度数据，可以进行线性拟合处理进行修正。电缆的实际敷设情况为排管、直埋、隧道等情况时，电缆的周围的介质（环境）空气对流相对很弱，电缆表面与周围介质（环境）形成的温度梯度很小，此时可以忽略周围

13、的介质（环境）的影响，可以认为光纤测温的温度数据就是电缆表面的温度。随着电缆制造技术的发展，测温电缆也可以直接埋入电缆金属护套和绝缘外屏蔽之间。载流量计算与实测一致性高.。为验证系统载流量计算和温度监测结果的正确性，系统在武汉高压研究院做了长达两个月的比对试验。试验所用的电缆与现场敷设的电缆完全一致。试验回路如图6所示图6 实验回路以下是在一根型号为YJLW03- 220- 1×2000的#1 电缆上进行的验证试验(一)恒定电流的稳态温度试验在#1电缆中施加不同的恒定电流，待电缆达到热稳态状态后，电缆的表面温度和实测导体温度以及根据软件计算的导体温度如下表3和图7所示：表3：系统测量

14、温度和计算导体温度与实际温度比较表序号环境温度,加热电流,A武高所表面温度,CTM4000表面温度,武高所导体温度,CTM4000导体温度,1160053.054.21225.6180034.733.666.364.8325.6215036.234.283.982.64426.6230042.840.495.0092.30526.7280049.845.9129.1123.6图7电缆的稳态电流温度曲线（二）单芯载流量预测试验电缆环境温度：26.6 ，计算稳态载流量2250 A(导体允许温度为90 )。实际测量结果见下表4表4：电缆的单芯载流量预测比对数据加热电流武高院实测数据系统计算数据225

15、0环境温度, 26.6导体温度, 91.890.0表面温度, 42.840.37（三）紧急负荷运行时间预测比对试验试验1：初始状态：电缆施加80 %的负载电流（1800 A），电缆运行达到热稳定状态；实际试验结果见下表5表5：电缆的紧急负荷运行时间预测比对数据状态环境温度,加热电流, A武高院实测导体温度,实测导体到达90 时间系统计算到达90 的时间初始状态25.6180066.3紧急状态26.22750902.18 h2 h紧急状态：将电缆电流跃变增加到2750 A, 根据CTM4000系统计算，2 h后电缆导体温度达到电缆导体最大允许温度90 。武高所实测曲线如图8所所示图8：武高院温度

16、实测曲线上图中红色曲线为导体温度曲线，蓝色曲线为电缆表面温度曲线，绿色曲线为环境温度曲线试验2 初始条件：电缆施加80%的负载电流（1800 A），电缆运行达到热稳定状态；紧急状况：将试验电缆上的电流增加到2540 A, 根据CTM4000系统计算，3 h后电缆导体温度达到电缆导体最大允许温度90 。实际试验结果见下表6 表6电缆的紧急负荷运行时间预测比对数据状态环境温度,加热电流,A3 h到达后实测导体温度,系统计算3 h到达后导体温度,初始状态24.31800紧急状态25.6254087.990通过上述试验，表明该系统载流量分析电缆线路运行的状态进行监测，掌握其运行情况，为电力调度和电缆线

17、路的选择提供依据。3、系统应用情况该系统首先在厦门电业局220kV厦禾变电站得到运用，目前监测厦禾变电站220kV电缆2回，110kV电缆1回，10kV电缆1回，运行稳定。2007年11月2日以来，厦门局运行人员通过光纤测温系统每天定时收到的温度短信，发现220kV禾半回30#接头工井处（距厦禾变电站2020米处）电缆的表面温度开始缓慢持续上升，维护人员并开始关注这一区域的温度异常变化；11月7日开始电缆表面温度上升加快，至11月12日晚6时，30#接头井内电缆表面温度已达48。11月13日送电部立即派特巡人员赶赴现场，打开井盖后发现30#接头工井内积水严重，水温异常，初步判断为交叉互联接地箱

18、进水引起的短路发热。立即组织进行抽水处理，此时电缆的表面温度已达到设定的报警温度58，接头井表面水的水温竟高达84。禾半线电缆全线温度曲线11.13日30#接头井温度报警图9 温度报警画面及温度曲线从历史温度曲线上分析，#30工井温度持续升高始于11月2日，开始时缓慢上升，11月7日以后，随着负荷的增加温度上升加快。11月12日晚上6点，电缆表面最高温度已经高达48°C。如图10所示。报警前48小时的温度变化11.811.11日电缆的温度持续上升图10 温度历史曲线下图11为本次抢修过程的温度曲线，从11月13日10时到11月14日18时电缆表面的温度变化。我们把整个温度曲线分成七个

19、区段进行分析：14日12时13日下午电缆温度恢复正常29左右14日再次采取措施后温度恢复正常温度29左右13日晚上温度又升高到48午餐时间温度上升13日12时13日上午采取抽水降温图11：温度变化曲线第一区段：11月13日10时-12时，接头井进行抽水处理，温度从报警的58°C降低至43°C第二区段：11月13日12时-13时，午餐时间，温度从43°C回升至45°C第三区段：11月13日13时-14时，接头井进行强制通风，温度从45°C降低至正常值29°C第四区段：11月13日14时-19时，接头井内进行清理并有间断强制通风，温度在30°C左右波动第五区段：11月13日19时-14日10时，接头井夜间封闭，温度回升至43°C第六区段：11月14日10时-12时，接头井继续强制通风降温，温度从降至正常值29°C第七区短：11月14日12时后，电缆表面温度稳定在正常值29°C左右，抢修结束。从以上的抢修期间的温度分析说明分布式光纤温度监测技术具有高精度、高分辨率的 特点。我们从温度的变化曲线上甚至可以看出午餐时间和夜间休息时间。本次抢修过程中，厦门电网正好处在非正常运行方式下，禾半I回和禾半II回负荷电流达到560安培，为了确保电缆不至于因过热而发生