电缆导体无线测温与电缆运行状态监测系统的应用分析.docx

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电缆导体无线测温与电缆运行状态监测系统的应用分析

电缆导体无线测温与电缆运行状态监测系统的应用

柯德刚①杜成龙①宋健瑛②吴星法①

上海永锦电气技术股份有限公司①上海永锦电气集团有限公司②

摘要：

在建设智能电网的大背景下，为了既能充分提升电力电缆线路的输送能力，又能使其安全稳定的运行，对电缆运行温度进行监控是一种比较直观的方法。

而导体无线测温技术相比红外测温、电缆外皮光纤测温、电缆外屏蔽光纤测温、电缆接头表面及应力锥部位测温等具有更高的测温精度，更能真实的反应出电缆的运行状态。

关键词：

电力电缆导体运行温度；无线测温技术；电缆状态监测；

TheWirelesstemperatureofcableconductorandtheapplicationoftheconditionmonitoringofcableruns

KeDegang①DuChenglong①SongJianying②WuXingfa①

ShanghaiYongjinelectrictechnologyLimitedbyShareLtd①ShanghaiYongjinElectricGroupCo.Ltd.②

Abstract:

 under the background of building a smart grid, in order to fully enhance the transmission capacity of power cable line, and the safe and stable operation, the cable temperature monitoring is a relatively straightforward way. Conductor wireless temperature measuring technology of infrared measuring temperature, skin temperature measurement of optical fiber, cable shielding for cables optical fiber temperature measurement, cable connector and stress-position measuring has higher precision, more real response out of the cable run. 

Keywords:

Powercableconductoroperatingtemperature;wirelesstemperaturemeasurementtechnology;cableconditionmonitoring;

近年来在建设坚强智能电网的背景下，我国城市输配电电缆线路发展迅速，电力电缆使用数量逐年增长，其中高压和超高压电力电缆，已成为城市输电网络的主要组成部分，在北京、上海、广州、天津、深圳等经济发达的城市及大部分省会城市，都建成了规模庞大的地下电缆供电系统。

既保证电力电缆供电系统的安全稳定运行、又充分发挥电力电缆输送电能量是当下一个重要的任务。

电力电缆线路尤其是交联聚乙烯（XLPE）绝缘电力电缆因其具有良好的电气性能，敷设容易、运行维护简单等优点而被广泛应用。

但偶发的电缆线路故障不可避免，我国电力电缆输电线路的故障率目前仍高于国际上的发达国家。

电缆线路的故障发生以后，一般的结果都比较严重，如：

停电，甚至起火。

据统计2000年中国发生的火灾中因电气原因引发的数量为31933起，占火灾总数的26.1%，其中因电缆线路引起的火灾占整个电气火灾数量的50%以上⑴。

（估计近年来这个比例在大幅下降）

引起交联电缆线路故障的原因有电缆本体、电缆附件、电缆敷设、附件安装、外力破坏、电缆线路接地系统设计、电缆线路过载等。

相关统计资料反映电缆线路主要故障原因是外力破坏，占比58%。

除去外力破坏，电缆附件发生的故障率高于电缆本体，电缆中间接头故障率高于电缆终端。

引起中间接头故障的主要原因是因安装不当，另外电缆中间接头导体连接金具与电缆线芯配合不合理也是一个原因⑵；引起电缆本体故障的原因一般是电缆本体树枝状老化击穿和过载。

为防止电缆线路发生恶性故障有必要加强对电缆线路的监控。

其中对电缆运行温度的监控是一个比较直观的方法。

电力电缆的运行温度是一个重要参数。

当电缆在额定负荷下运行时，线芯温度达到允许值；电缆一旦过负荷，线芯温度将急剧上升，加速绝缘老化，甚至发生热击穿。

有研究发现，当交联聚乙烯（XLPE）电缆的工作温度超过允许值的8%时，其寿命将减半；如果超过15%，电缆寿命将只剩下1/4⑶。

另外一个方面由于早期电缆线路设计、建设工作经验不足，一般比较保守，导致很多高压电缆线路的实际载容量远低于允许容量，空置了较多的输送能力。

而现在社会经济发展需要增加电能的供应，输电空间走廊又受限，提升原来建设的电缆线路的输送能力成为电力系统的一个重要工作。

因为从提高电缆线路安全稳定运行水平，防止发生严重故障的角度需要对电缆线路的运行温度进行监测，从实现动态增容的角度也要对电缆运行温度进行监测。

所以近年来有较多大学（西安交通大学、华北电力大学、重庆大学、电子科技大学等）、研究院所（中国电科院、国网电科院、南网电科院等）、供电公司（北京、上海、广东、杭州、天津等）都在电缆运行温度检测方面进行了研究与应用。

华南理工大学、湖北省电力公司、广东电网公司在完成国家重点基础研究计划（973计划2009CB-724507）中提出了实现电缆动态增容的方法，并模拟电缆的隧道敷设环境设计了110kV交联聚乙烯单芯电缆的正常负荷、满负荷、超负荷等阶跃电流温升实验。

发现：

实验得到的电缆导体温升时间与理论计算得到的导体温升时间基本相符；电缆增加的容量在电缆正常负荷运行范围内，根据供电需求可以长时间对电缆进行动态增容⑷。

上海市电力公司在保证电缆温度不越限的前提下，通过建立电缆导体实时温度模型，配合温度监测技术，提出可行的短时动态增容方案，使得电缆线路能在一定时间内发挥其最大的输电能力。

已在上海杨建2145等四回220kV电缆上试应用⑶。

河北科技大学在河北省科技支撑计划（10213557）资助下完成了：

利用有限元计算地下电缆的焦耳损耗和温度场分布；利用迭代法实现地下电缆温度场和电磁场间的耦合计算，提高了地下电缆温度场计算的精度；利用迭代法确定地下电缆的载流量。

耦合计算结果比非耦合计算结果更接近试验结果，可满足工程实际的需要⑸。

文献6-11中提出了相关的电缆导体温度暂态计算与应用研究、电缆表面温度推算导体温度的热路简化模型暂态误差分析、电力电缆接头温度无线监测前端装置设计、电缆在线监测及检测技术研究、电力电缆及其接头运行温度监测技术研究等研究及应用。

相关研究人员也提出希望加强对电缆接头的运行温度在线监测的研究，以期在电缆接头运行温度在线监测领域取得突破，提出有效的温度监测方式，设计可行的温度监测系统，预防电力电缆接头故障发生，保证电力电缆网络安全运行⑿。

中国电力科学研究院高压所及清华大学电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室归纳国内相关研究及应用指出⒀：

目前电缆温度测量方法中，分布式光纤测温应用比较广泛。

该方法主要依据光纤的光时域反射原理及光纤的背向拉曼散射温度效应。

目前北京、上海杭州、天津、广州等城市110kV及220kV电缆线路都不同程度地敷设了分布式光纤测温系统。

综合各地运行经验来看虽然分布式光纤测温系统具有测量距离长、测温精度高等优点，但存在空间分辨率较低、对因各类缺陷造成的局部温升不敏感、易受敷设环境温度、湿度影响等缺点。

红外测温直观且简单易行，但是不能适用于中间接头，也不能适用于高压电缆。

故高压电缆及附件一般采取光纤测温。

早期测温光纤敷设在电缆护套外面（如图1）根据电缆外护套测量的温度采取专门设计的软件来推算电缆导体的运行温度。

后发现这种方式得出的温度误差较大，出现了改进型即将光纤放置在电缆护套内、电缆外屏蔽上面（如图2）。

这种方式（内置式）相比原来（外置式），测温准确度有所提高，但还是要通过特种软件进行一系列的计算推导出电缆导体的实际温度。

图1测温光纤模块外置

图2测温光纤模块内置

我公司研制了一种内置式测温装置，将测温点置于中间接头应力锥部位和电缆终端应力锥部位（如图3）。

特点是测温点与局部放电信号传感器安装在电缆附件的内部，直接安装在电缆附件的核心部件上面。

可以同时实现对电缆运行温度及中间接头局部放电信号的采集。

图3测温、测局放模块置于应力锥位置

2015年7月中国电力企业联合会组织全国相关研究机构及各地供电公司约30名专家在杭州，对浙江新图维电子有限公司于2012年推出通过武高所试验，经相关供电公司近三年试用的一种内置式导体无线测温系统进行了鉴定。

评价认为该系统达到了世界领先技术水平⒁。

该内置式无线测温系统的特点是：

将测温点放在电缆导体连接管上面、该系统测温直观、无需软件推算，测温精度相比于分布式光纤测温系统有明显的提高。

该系统是基于电磁感应的非接触式测温原理，包括了读取器和传感器（如图4）。

图4内置式无线测温系统基本原理

我公司于2015年5月在220kV电缆中间接头上面采用了该测温系统，并在上海电缆研究所进行了型式试验，该系统的应用情况简介如下：

电缆导体直接测温系统由内置测温模块，外置测温中继器和无线测温控制模块三部分组成。

内置测温模块安装在电缆中间接头的导体连接管上面（如图5），由它完成电缆线芯温度数据的采集；外置测温中继器模块为内置无源测温模块提供电能并接收内置无源测温模块传输出来的电缆线芯温度数据信号（如图6）。

无线测温控制模块可以放在电缆智能接地箱内或者电缆隧道内固定点（如图7）它用来协调各块无线测温信号采集模块工作，通过MODBUS协议向上级传送数据。

图5安装内置导体测温装置

图6安装外置测温中继器

图7测温显示和无线发射单元放在智能接地箱内

我们在公司通过这套测温系统的客户终端，可以随时查看被测接头线芯温度的变化情况。

图8为截取的2015年6月13日的被测电缆接头线芯的24小时温度曲线变化。

该温度曲线的变化与上海电缆研究所高压电缆试验大厅按照常规方式在试验辅助回路电缆上面测量的温度基本相同。

图8远程显示的220kV被测中间接头温度曲线

这种内置式导体无线测温系统安装在220kV中间接头内部顺利通过了按照国标GB/Z18890-2002《额度电压220kV（Um=252kV）交联聚乙烯绝缘电力电缆及附件》进行的型式试验，说明该系统不影响中间接头的电气性能及密封性能。

220kV中间接头型式试验部分指标

检测项目

标准要求

检测结果

室温局部放电试验

190KV局部放电试验：

在5pc或更优灵敏度下无可检测的放电

未检测出

放电

热循环电压试验

254kV、95℃－100℃加热8h、冷却16h，共20个循环

通过

冲击电压试验

1050kV,正负极性各10次；不击穿，不闪络

通过

工频电压试验

淋雨460KV1min；干态254kV15min；不击穿，不闪络

通过

接头外保护层试验

浸水循环20次以后：

两端金属套之间；两端金属套对地之间：

直流耐压25kV，1min不击穿

冲击试验：

两金属套之间施加95kV±10次；两端金属套对地之间施加47.5kV±10次，不击穿

通过

通过

我们通过ansys有限元软件对安装测温装置的电缆接头和未安装测温装置的电缆接头电场分布情况进行模拟对比，从电缆接头电场模拟图示（图9~图12）可见：

内置测温传感器的220kV电缆接头与未安装测温装置的220kV电缆接头的电场分布和最高场强无区别，说明内置的测温传感器不影响中间接头原有的电场分布。

电场分布情况模拟分析及对比

图9未安装测温装置的220kV电缆接头场强分布

图10未安装测温装置的220kV电缆接头高压电极屏蔽表面的曲线分析

图11安装测温装置的220kV电缆接头场强分布

图12安装测温装置的220kV电缆接头高压电极屏蔽表面的曲线分析

通过我公司在上海电缆研究所进行的220kV内置导体测温型电缆接头的型式试验，我们总结该内置式导体无线测温系统实现了以下几个方面创新：

1、实现了电力电缆线芯运行温度的直接监测，不需要通过软件分析推算；

2、先进的无源温度传感器，不需要电源、电池；

3、无线传输温度信号，温度信号可以穿透中间接头绝缘橡胶和导电橡胶屏蔽，不影响电缆接头本身的电气性能和运行可靠性。

4、整体结构不改变中间接头原来的电场分布状态，不影响电力电缆线路的正常运行。

国家电网运检部2014年下发了电力电缆及通道运维检修综合管理指导意见，要求在建设重要电缆隧道时宜同步建设综合监控系统、包括电缆温度、接地环流等监控功能。

我们的试验证明将这种内置式电缆导体测温装置及其综合监控系统应用于220kV电力电缆线路是可行的，结合吴建德在“2013国际大电网委员会亚太区域理事会技术会议”上所发表论文⒂及杭州供电公司、厦门电力公司等近3年来在110kV电力电缆系统使用该测温装置及其监控系统的经验⒃来看，将该系统应用于我国高压电力电缆输电线路是可靠的。

我们认为使用该系统将有利于提高我国高压电缆输电线路运行状态监测的效果。

参考文献

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[10]胡娟、巫京励、程文婷电力电缆无线测温系统研究四川电力技术 2010.33（12）

[11]杨平,王威电力电缆接头温度无线监测前端装置设计仪表技术与传感器2011.6

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[13]周远翔、赵健康等高压／超高压电力电缆关键技术分析及展望高电压技术2014.40（9）：

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[14]WCCT内置式电缆接头导体测温系统新产品鉴定证书中电联鉴字[2015]第49号

[15]WuJiande、WuChengcaiTheExperimentalVerificationofDirectMeasurementTechnologyforConductorOperatingTemperaturesinPowerCableJointsBasedonElectromagneticCouplingAORC-CIGRETechnicalMeeting20132013.9AORC-E-8-0006

[16]内置式电缆接头导体测温系统技术交流会资料汇编国网电力科学研究院智能电气装备事业部2015.09.16

作者简介

柯德刚

1953-，男，高级工程师上海永锦电气技术股份有限公司

主要从事电力电缆附件设计、应用及相关研究工作

E-mail：

kdg5353@.

杜成龙

1988-，男，助理工程师上海永锦电气技术股份有限公司

主要从事电力电缆附件设计、应用工作

E-mail：

duaiwang@.

宋健瑛

1977-，男，工程师上海永锦电气集团有限公司

主要从事电力电缆附件应用工作

E-mail：

sjy0008@.

吴星法

1974-，男，工程师上海永锦电气技术股份有限公司

主要从事电力电缆附件设计、应用工作

E-mail：

wuxingfa@.