电力电缆及其接头运行温度监测技术研究.pdf

2011 年第 4 期 No 42011 电 线 电 缆 Electric Wire Cable 2011 年 8 月 Aug ， 2011 电力电缆及其接头运行温度监测技术研究 吴畏 1， 杨博麟1， 王轶群2， 汪 1 ( 1 湖南大学电气与信息工程学院， 长沙 410082; 2 湖北省电力公司黄冈供电公司， 湖北 黄冈 438000) 摘要: 分别阐述电力电缆以及电缆接头使用的多种运行温度监测技术， 包括点式温度监测、 光纤温度监测和红 外温度监测等。介绍了每种运行温度监测技术的工作原理、 优缺点以及这些运行温度监测技术的适用场合， 同时也对某些运行温度监测技术在实际中的具体实现和实际使用效果进行了说明。 关键词: 电力电缆及其接头; 绝缘状况; 运行温度监测技术; 运行温度监测系统 中图分类号: TM247文献标识码: A 文章编号: 1672- 6901( 2011) 04- 0041- 04 Research of Techniques for Monitoring the Operation Temperature of the Power Cable and Cable Joints WU Wei，et al ( College of Electrical and Information Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China) Abstract:A variety of monitoring technologies for operating temperature that have been used for the power cable and cable joints are discussed，the monitoring technologies based on distributed temperature sensors，optical fiber and in- frared rays are included The working principles， advantages and disadvantages as well as scopes of application of these technologies are introduced，and it is also described that practical implementation and actual effects about some moni- toring technologies Key words:power cable and cable joints;insulation conditions;monitoring technologies for operatingtemperature; monitoring systems for operating temperature 收稿日期: 2010- 11- 17 基金项目: 长沙市科技计划( 重点) ， 编号 K0902010- 11 作者简介: 吴畏( 1985 ) ， 男， 硕士研究生 作者地址: 湖南长沙市岳麓山 410082 0引言 随着我国城市电网的升级改造和电力电缆制造 技术的不断提高， 电力电缆在城市电网中得到广泛 使用， 特别是高电压等级电力电缆的使用数量在现 有电网设备中已占据较大比重。然而统计数据显 示， 由电力电缆及其接头引发的各种故障和事故正 呈增长趋势。文献 1 统计了长沙地区电缆近 7 年 间的电缆故障次数， 见表 1。表 1 中数据显示电缆 故障次数逐年升高。 由上述数据可见， 对电力电缆及其接头的运行 状况监测问题进行研究十分必要。对电力电缆及其 接头的运行温度进行监测可以帮助运行人员了解和 掌握电力电缆及其接头的绝缘状况， 计算和调整电 缆载流量等， 做到提早发现隐患， 避免类似图 1 所示 的各类故障发生。 由于温度测量技术的多样性和电力设备的不同 表 1长沙地区电缆故障统计 ( 单位: 次) 年份 单相故障跳闸故障 城区郊县城区郊县 2000511163 2001182313 2002184372 2003243652 2004242584 2005405945 2006348927 图 1 35 kV 电缆终端被击穿 2 要求， 电力设备运行温度监测的方式各有不同。本 文描述并总结了几种应用于电力电缆及其接头的运 行温度监测技术。 1电缆本体的运行温度监测 1 1点式温度监测 点式温度监测是指将若干个温度传感器分散安 置于电缆上重要的监测部位， 然后将测得的温度数 据传回， 对其分析并得出结论， 从而达到监测电缆运 行温度的目的。因温度传感器呈点状分散分布， 故 称为点式温度监测。 点式温度监测法是一种传统的测温方法， 早期 主要是使用热电偶或热敏电阻作为感温装置。现在 多采用更为先进的数字式温度传感器作为感温装 置， 结合微处理器以及控制用计算机等实现运行温 度在线监测、 温度超限自动报警和历史数据存储等 功能。 文献 3利用数字式温度传感器 DS1820 作为 感温装置， 以 89C51 单片机管理并控制温度传感器， 使用 RS- 485 总线完成单片机与主控计算机之间的控 制连接， 实现对电力电缆的运行温度的多点在线监 测。文献 4 中同样采用点式温度监测方法， 通过不 同的元件实现了对电缆运行温度的在线监测。 点式温度监测方法的特点是对电缆本体的运行 温度进行多点同时测量， 其优点是成本较低、 实用性 强， 但其缺点也显而易见， 即无法对电缆本体进行整 体测温; 而且由于多采用的是接触式传感器进行表 面测温， 不能准确反映电缆本体内部的实际温度。 1 2线型感温电缆式温度监测 线型感温电缆式温度监测是指以线型感温探测 器( 多为电缆式) 作为温度传感器， 将其按某种形式 与待测的电力电缆敷设在一起， 使用信号总线连接 感温电缆与主控计算机， 实现对电缆全线的运行温 度连续监测和测量温度超限即断线报警的功能。 线型感温电缆的工作原理是， 感温电缆中有两 根按一定扭力绞合在一起的， 外层包裹着特殊热敏 绝缘材料的弹性钢丝， 当感温电缆所接触的物质的 某一部位温度上升， 钢丝间的绝缘材料受其影响发 生变化直至两钢丝间短路， 进而向控制主机发出超 温报警信号。线型感温电缆实物如图 2 所示。线型 感温电缆的敷设方式一般采用正弦波接触式， 如图 3 所示。 文献 5 中提到邯钢在煤气回收电缆隧道中使 用线型感温电缆取得了良好的效果。 利用线型感温电缆对电缆进行温度监测的优点 是: ( 1) 测量覆盖范围大; ( 2) 对工作环境要求低， 适 合在空间狭小、 恶劣的环境下使用; ( 3) 安装简单、 成本低、 维护量小; ( 4) 安全性及可靠性较高。其缺 点有: ( 1) 无法准确定位具体发热点; ( 2) 测量精度 有限。 图 2线型感温电缆 图 3线型感温电缆的敷设方式 1 3光纤式温度监测 光纤式温度监测由于其独特的优势受到研究人 员重点关注和研究， 是新兴的温度监测方式。光纤 式温度监测与其他温度监测方式的不同之处在于特 殊的温度传感器， 光纤式温度监测是建立在分布式 温度 传 感 ( DTS， 即 Distributed Temperature Sens- ing) 6 技术之上的。 分布式光纤温度传感器的工作原理是光纤的光 时域反射( OTDR) 7 以及光纤的后向拉曼散射温度 效应 8 。拉曼背向散射光由称作反斯托克斯光和 斯托克斯光的入射光组成。这两种光的波长不同， 光强比例可以转换成温度读数， 其公式为: Ias/Is exp( hcv/kT) 式中， Ias为斯托克斯光强度; Is为反斯托克斯光强 度; h 为普朗克常数; c 为真空中的光速; v 为波数; k 为波尔兹曼常数; T 为绝对温度。分布式光纤温度 传感器的测量原理如图 4 所示。 图 4光纤测量温度原理图9 24 2011 年第 4 期 No 42011 电 线 电 缆 Electric Wire Cable 2011 年 8 月 Aug ， 2011 光纤温度传感器的安装方式、 入射光强度、 系统 噪声、 拉曼散射系数、 叠加次数与温度分辨率等因素 对测量精度都有直接影响。为保证测量精度， 必须 综合考虑上述各种因素。光纤温度传感器的安装方 式通常有表贴式和内绞合式两种， 如图 5 所示。 图 5测温光纤安装方式示意图10 由光纤特有的物理特性而决定的光纤式温度监 测方式比其他温度监测方式有更多的优点: ( 1) 可 取代大量点式传感器， 实现实时测量、 故障监测和预 报; ( 2) 质量轻、 柔性好、 安装方便; ( 3) 抗电磁干扰 能力强、 绝缘性能高， 可以工作在高电压、 大电流等 恶劣环境中; ( 4) 可测距定位、 重复使用、 报警温度 可调。但光纤式温度监测方式也存在缺点: 实现成 本较高及实现技术难度较大。 光纤式温度监测方式已在高电压等级电缆运行 温度在线监测领域得到了一定应用。文献 11使 用分布式光纤温度传感器( FODT sensor) 12 对地下 电力电缆故障进行检测定位。最大可测距离为 10 km， 定位精度为 1 m， 定位时间不超过 30 s， 效果良 好， 具有一定的实用性。文献 13 应用光纤测温技 术对装在超高压电缆实验室里的 220 kV 电力电缆 进行了 2 个月的现场试验。试验表明， 利用光纤测 温技术可以进行长距离和精确的温度测量， 为电力 电缆最佳和最安全载流量的确定提供直接数据。试 验布局如图 6 所示。文献 14将光纤测温技术与 GPRS 网络结合在一起设计出可对220 kV 电力电缆 进行在线监测并采用无线方式传输数据的监测系 统。文献 15中设计的电力电缆分布式光纤在线 监测温度装置已在杭州、 北京和厦门等城市超过 50 条 220 kV 电力电缆线路上投入运行。 1 4红外式温度监测 前述三种温度监测方式均为接触式， 温度传感 器需与待测物接触， 而红外测温技术的优势在于不 需与待测物接触。但红外测温传感器受工作环境的 影响较大， 不宜在灰尘多、 强电磁场等环境下工作。 因此尤其是地下电力电缆的运行温度在线监测中， 使用红外测温技术的高电压等级电缆运行温度在线 监测方式较为少见。 图 6试验布局 2电缆接头的运行温度监测 电缆接头是电力电缆网络的重要组成部件之 一。多年的运行经验显示 90% 以上的电缆运行故 障是由接头故障引发的， 而接头温度过高是造成电 缆接头绝缘老化、 易发故障的主要原因16 。研究人 员针对以上情况设计出电缆接头运行温度在线监测 系统。这些系统的共同点是多采用点式温度监测方 式， 而区别在于系统各部分间的不同的连接方式。 2 1有线连接方式 采用有线连接方式的电缆接头运行温度在线监 测系统的结构大致相同， 与应用于电缆本体的点式 温度监测系统类似， 由温度传感器、 数据总线、 单片 机和主控计算机组成。有线连接方式是指在温度传 感器和主控计算机间采用单片机和数据总线完成连 接， 实现数据传输和管理控制功能。 文献 17设计的电缆接头运行温度监测系统 采用点式温度监测方式， 系统中各部分采用总线连 接， 属于典型的有线连接的电缆接头点式温度监测 系统。然而这种温度监测系统存在不足: ( 1) 有线 连接方式限制此种系统只适合在范围小、 待测量点 密集的场合; ( 2) 安装工作量大， 实现较困难; ( 3) 出 现故障维护较困难。因此该系统适合在发电厂或变 电站等待测设备相对集中的场所应用。 2 2无线连接方式 为了更好地对在城市电网中使用的电缆接头进 行温度在线监测， 研究人员提出了采用无线连接的 电缆接头运行温度在线监测系统。 文献 18中设计的电缆接头温度监测系统的 组成如图 7 所示。整个系统具有完整的数据采集、 传输、 处理、 显示、 打印及远距离通信能力， 并配有强 34 2011 年第 4 期 No 42011 电 线 电 缆 Electric Wire Cable 2011 年 8 月 Aug ， 2011 大的软件支持， 不但能监测电缆的工作状态， 也能为 分析电缆故障隐患提供帮助。 图 7城市地下电缆接头温度监测系统的组成 无线连接方式较之有线连接方式有以下优势: ( 1) 不受距离限制， 可应用于大范围的温度监测; ( 2) 不必进行数据传输线的布线接线等繁重复杂工 作， 减少了工作量; ( 3) 适用性较广、 经济性较好。 通过电缆外护套表面实测温度及电缆结构参数 等数据就能够计算出电缆导体实际温度。上述几种 电缆接头运行温度在线监测系统就是利用上述原理 测量的。尽管可以利用电缆接头的表面温度与内部 线芯温度存在的对应关系 19 对电缆接头进行状态 监测， 但由于电缆接头受到的特殊影响20 如: ( 1) 由 强电场引起的介质损耗; ( 2) 接触电阻; ( 3) 密封等 问题， 导致现行电力电缆接头运行温度在线测量方 法存在准确性差、 易受外部环境影响等缺点。 3结束语 对电力电缆本体运行温度进行在线监测的几种 技术的发展已较成熟。根据这些技术设计出的温度 监测系统已在实际应用中按电压等级的高低形成一 个体系， 且取得了成效。点式温度监测可用于较低 电压等级的电缆运行温度在线监测， 而正在迅速发 展中的光纤式温度监测则可在高电压等级的电力电 缆运行温度在线监测领域得到逐步地应用和推广。 电缆接头运行温度在线监测的方式显得较为单 一， 实际应用也不广泛。对电缆接头的运行温度在 线监测的研究应得到更多投入， 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。 参考文献: 1张勇， 陈凤 长沙地区配电运行事故统计分析J 中国 电力， 2007， 40( 5) : 28- 31 2Zoltan T，Balint N，Istvan K，Richard C Complex examination of a cable terminalC Electrical Insulation，2008 Conference Record of the 2008 IEEE International Symposium， 2008: 47- 49 3李书权 电力电缆运行温度在线监测系统D 大连: 大连理 工大学硕士学位论文， 2002 4王津明 电力电缆运行温度在线监测系统的研究与开发D 沈阳: 东北大学硕士学位论文， 2002 5李卫红 缆式线型感温探测器在电缆隧道中的应用J 安防 科技， 2009( 5) : 31- 33 6Jones S，Bucea G，McAlpine A Condition monitoring system for transfers 330 kV power cableC International Conference on Power System Technology Singapore， 2004 7Kawai T，Takinami N，Chino T，et al A new approach to cable fault location using fiber optic technologyJ IEEE Transaction on Power Delivery， 1995， 10( 1) : 85- 91 8Grass N，Hartmann W，Klochner M Application of Different Types of High- voltage Supplies on Industrial Electrostatic Precipi- tators J IEEE Trans On Industry Applications， 2004， 40( 6) : 1513- 1520 9袁志文 光纤测温在变电站一次设备中的应用J 华东电 力， 2009， 37( 4) : 621- 622 10陈军， 李永丽 应用于高压电缆的光纤分布式温度传感新 技术 J 电力系统及其自动化学报， 2005， 17( 3) : 47- 49 11张晓虹， 蒋雄伟， 王振华， 等 分布式光纤温度传感器在交联 聚乙烯绝缘地下电缆故障检测中的应用J 电网技犬， 1999， 23( 12) : 36- 38 12Boiarski A A， Pilate O， Fink T， et al Temperature measurement in power plant equipment using distributed fiber optic sensing J IEEE Transaction on Power Delivery， 1995， 10( 4) : 1771 13彭超， 赵健康， 苗付贵 分布式光纤测温技术在线监测电缆 温度 J 高电压技术， 2006， 32( 8) : 43- 45 14杨耿杰， 苏爱国， 郭谋发， 等 应用 GPRS 及光纤测温技术的电 力电缆监测系统J 电力系统及其自动化学报， 2009， 21 ( 4) : 100- 105 15罗俊华， 周作春， 李华春， 等 电力电缆线路运行温度在线检 测技术应用研究 J 高电压技术， 2007， 33( 1) : 169- 172 16王新超， 王葵 电力电缆接头运行中的实时监测J 继电 器， 2001， 29( 8) : 46- 48 17肖洪， 潘贞存 电力电缆接头运行温度的在线监测J 自 动化仪表， 2002， 23( 10) : 31- 34 18张德铭， 梁明， 王生明， 等 新型电力电缆接头故障监测系 统的设计 J 电气应用， 2005， 24( 1) : 29- 31 19成永红， 谢恒， 衣立东 基于热效应的电力电缆及其终端在 线检测技术J 高电压技术， 1999， 25( 3) : 4- 6 20Nakamura S，Morooka S，Kawasaki K Conductor temperature monitoring system in underground power transmission XLPE cable jointsJ IEEE Transaction on Power Delivery，1992， 7( 4) : 1688- 1697 44 2011 年第 4 期 No 42011 电 线 电 缆 Electric Wire Cable 2011 年 8 月 Aug ， 2011