电力电缆温度实时在线监测.pdf

2 0 1 1 年第 1期 No 1 2 011 电 线 电 缆 E l e c t ric Wi r e C a Me 2 0 1 1 年 2月 Fe b， 2 01 1 电力电缆温度实时在线监测 孙静 ， 赵子 玉 ( 上海交通大学 ， 上海 2 0 0 2 4 0 ) 摘要 ： 通过对各种 己经广泛应用的电缆温度检测方法 的性 能比较讨论 ， 引出了一种以光频域反 射 ( O F D R) 为 基本原理设计而成的分布 式光纤温度在 线监测 系统 ， 并简要介绍 了该 系统的基本原理和特性。还介绍 了将此 系统应 用在 2 2 0 k V上海长江隧桥 一 隧道工程 中的具体布 置、 光 纤铺 设、 如何 实现等 问题 。此 系统配合软件 设 置可以完成人工设置， 实现温度报警功能。工程 实践证 明， 此系统可 以有效监测 高压 电统 实时温度 ， 为分析 电 缆是否出现故障提供有效的参考数据， 在一定程度上避免由于电缆绝缘降低而造成的火灾事故。 关键词 ： 分布式光纤测温； 在 线监 测；电力电缆绝缘 中图分类号 ： T M2 4 7 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 2 -6 9 0 1 ( 2 o r 1 ) o l 4 0 4 0 - 0 4 On- l i n e M o ni t o r i ng of t h e Te mpe r a t ur e o f Po we r Ca bl e SUN J i n ge t a l ( S h a n g h a i J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， S h a n s h a i 2 0 0 2 4 0 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：Th e pa p e r di s c us s e s t h e o n- l i n e t e mp e r a t u r e mo n i t o rin g s y s t e m o f d i s t ribu t e d o p t i c a l fib e r d e s i g ne d b a s i c a l - l y a c c o r d i n g t o O F D R( o p t i c a l f r e q u e n c y d o m a i n r e f l e c t o m e t r y )b y c o m p a r i n g a n d d i s c u s s i n g p e rf o r m a n c e s o f k i n d s of me t h o d s o f c a b l e t e mp e r a t u r e d e t e c t i o n wh i c h h a v e b e e n wi d e l y a c c e p t e d，a n d b r i e f l y i n t r o d u c e s t h e b a s i c p ri n c i p l e s a n d c h a r a c t e r i s t i c s o f t he s ys t e mThi s p a p e r a l s o p r e s e n t s t h e a pp l i c a t i o n i n t h e 22 0 k V s h a ng ha i Ya ng t z e riv e r t u n n e l p r 0 j e e t ，s u c h a s s p e c ifi c a r r a n g e m e n t s o f t h e s y s t e m， h o w t o l a y o p ti c al fi b e r a n d h o w to a c h i e v e t h e f u n c t i o n s a n d S O o n I n c o mb i n a t i o n wi t h S o f t w a r e t h i s s y s t e m c a n r e a l i z e t h e f u n c ti o n o f t e mp e r a t u r e a l a rm b y ma n u al s e t t i n g s T h e a p p l i c a t i o n o f t h e s y s t e m p r o v e s t h a t th i s s y s t e m c a u e ff e c t i v e l y m o n i t o r th e re a l t m e t e m p e r a t u r e o f h i g I I v o l t a g e c a me a n d p rov i d e s e ff e c t i v e ref e r e n c e d a t e f o r a n a l y z i n g wh e t h e r t h e c a b l e h a s s o me p rob l e ms S O a s t o a v o i d f i re a c c i d e n c a u s e d b y t h e d e c r e a s e o f c a b l e i n s u l a t i o n t o s o me e xt e n t Ke y wor d s：di s t r b ut e d o p t i c a l fib e r t e mpe r a t u r e s y s t e m；0 1 1 - l i ne mo n i t o rin g；c a b l e i ns u l a t i o n O 引 言 电力电缆故障往往是绝缘水平下降， 泄露电流 增大 ， 损耗增加 ， 导致温度升高； 温度升高又进一步 使绝缘老化 ， 泄露电流增大， 温度再升高 ， 最终导致 绝缘击穿， 或者发生火灾。温度升高是引起 电缆事 故 的个主要因素， 因此可将其作为反映电缆运行 情况的参量 。无论是从 电力 电缆 自身安全运行角 度 ， 还是从 电力系统调度需要的角度出发， 都需要对 电力电缆的运行状况进行实时监测。为了保障电缆 无故障运行， 提高电缆利用率 ， 对 电缆的实时监测越 来越重要 ， 因此获取实时导体温度信息就有其更积 极的作用。 目前国内外所采取的电缆温度测试方法 主要有电信号传感 系统和光信号传感系统两种 ， 前 收稿 日期 ： 2 0 1 0 - 0 8 1 7 作者简介： 孙静( 1 9 8 4一) ， 女， 硕士生 作者地址 ： 上海市东川路 8 0 0号 2 0 0 2 4 0 者主要包括热电偶传感器和集成性传感器， 后者 主要包括传统的红外测温 、 基 于光纤光栅原理的 测温系统 、 基 于拉曼散 射原理 的分布 式测温 系 统 制。 本文采用一种新型的分布式光纤测温技术来对 电力电缆的温度进行实时连续的监测。通过监测记 录电缆的运行温度 ， 积累数据 ， 寻找电缆运行温度在 不同季节和每天不 同时段的变化规律 ， 监视电缆的 运行状况 ， 为实行状态检修提供依据 ， 并提供异常报 警功能。在测温系统 中， 光纤作为温度信息的传播 媒介 ( 这种光纤不受电磁的影 响， 可 以使用在严酷 的环境中) ， 将信号进行后继处理 ， 通过软件包分析 得到实时温度曲线 ， 实现实时温度的可视化。 1 电缆测温系统性能 在各种传感技术 中， 光纤传感器是近几年迅速 发展的技术， 目前已经能够用 于实现压力 、 温度、 电 流、 电压、 磁场等物理量检测 。这些应用都归功于光 2 0 1 1年第 1期 No 1 2 Ol1 电 线 电 缆 El e c t r l c Wi r e Ca bl e 2 0 1 1年 2月 Fe b， 2 011 纤固有的特点： 结构简单、 使用亢便、 耐高压、 耐高 温、 抗 电磁干扰和高灵敏度。 。 分布式光纤传感系统是一种用于实时测量空问 场分布的高新技术产品。它不仅具有普通光纤传感 器的优点 ， 还具有对光纤沿线各点 的待测信息的分 布式传感能力。利用这种特点可以连续实时测量光 纤沿线几千米 内各点的待测信息 ， 定位精度 1 0 m， 测温精度可达 1 o C的水平 ( 这些优点 已经由很多实 验得到充分 的证 明) ， 非常适用于大范 围多点测温 的高压电力电缆应用场合 。在这些场合如果采用传 统分散式的传感器逐点监测 ， 不仅安装 困难 ， 而且整 个系统的结构庞大、 使用不便， 电力设施 的强电磁干 扰也会影响测量的可靠性。分布式光纤温度传感系 统与传统温度传感器的性能比较见表 1 。 裹 1 分布式光纤温度传感 系统与传统温度传感器的性能 比较 分布式光纤沮度传感系统 传统温度传感器 传感器分布 检测点连续 ， 检测范围大 探头接触才能检测 ， 检测范围小 ， 不连续 检测量 可 同时测量温度和应变( 布里渊系统 ) 只可测一种待测量 ( 温度 、 应变等 ) 电子传感器， 有 电路通 道 ， 极 易受 电磁 干扰 ， 对高压设备 的绝 探头 光纤 ，抗干扰， 耐高压， 没有击穿、 烧毁现象 缘要求高 ，检修维护 困难 检溯信号输出 光信号 ， 不受 电力设备 的电磁干扰 弱电信 号， 极易受到 电磁干扰 信号通道 光纤 ， 抗 干扰， 耐高压 ， 系统简单安全 电路 ， 对 高压设备 的绝缘要求特别高 ， 检修 维护困难 信号处理 检测光 电技术 ， 传输光信号 ， 高速数字处理技术 检溯模拟信号 ， 传输弱电信号 ， 数字处 理技术 系统可靠性 高 ， 取决于 主机 低 ， 受探头 、 信号传输通道、 主机 等设备影响 方便 ， 能在恶劣环境下 安装 ， 布线 简单 ， 基本 不需 不方便 ， 许多地方无法实施 甚至无 法安装 ， 布线复 杂， 维护 困 施 工、 安装 要维护 难 不带电 ， 抗射频和电磁干扰 ， 能在各种有害的环境 其他特点 技术成熟 ，已被广泛 接受 中工作 2 电缆测温 系统原理 这里提出的光纤测温原理是依据背向喇曼散射 的温度效应。喇曼散射效应可以用入射光与散射介 质的相互作用、 能量转移加 以解释 ， 入射光与散射介 质发生非弹性碰撞， 在相互作用时 ， 入射光可以放出 或吸收一个与散射介质分子振动相关 的高频声子 ， 称作为斯托克斯光 ( S t o k e s ) 或反斯托克斯光 ( A n t i S t o k e s ) 。长波一侧波长为 A ( A ， =A 。 + A) 的谱线 称为斯托克斯线 ( s t o k e s ) ， 短波一侧波长为 A 。 ( A 。 = A 一 厶 A) 的谱线称为反斯托克斯线 ， 其 中斯托克斯 光与温度无关 ， 而反斯托克斯 光的强度则随温度变 化。测量入射光和反射光之 间的时间差 ， 可得发射 散射光的位置距入射端 的距离 ， 这样就实现了分布 式的测量 。 用反斯托克斯光和斯 托克斯光 的 比值表示温 度 ： ， ，l 、4 R ( r )= =f l e x p ( h c l t l k T )( 1 ) 、 。 式中， ， ， J 分别是 S n t i - S t o k e s和 S t o k e s的光强度 ， A l 、 A 分别为 A n t i - S t o k e s 和 S t o k e s 的波长； h为普朗 克 常量 ； c 为 光速 ； 为每米 波数 ； JI 为波 尔兹曼 常 数 ； T为绝对 温度 。 实际的测量 中， 这两种不同波长光的衰减差异 和探测器对这两种光 的响应差异， 要通过设定定标 区来消除 ， 定标区设置在光纤的前 2 0 0 IT I ， 把它放入 恒温箱作为参考光纤 ， 设置其温度为 ， 则： p _ ( 一 专 ) 】 在测温系统标定之后 ， 通过测量 ( ) 就可确 定沿光纤各测量点的温度值。光频域反射 ( O F D R ) 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。系统结构 如 图 1 所示 。 热 Q 斯光申 ，肋 翩 匹 图 1 分布式温度传感器原理 图 2 0 1 1 年第 1期 No 1 2O1 1 电 线 电 缆 E l e c t r i c Wi r e Ca b l e 2 0 1 1 年 2月 。Fe b， 201 1 3 系统应用 这种实时的温度监测系统应用在上海长江隧道 的电缆 中， 已经正 式 投 入运 行 。工 程起 于 上 海市 浦 东新区的五好沟 ， 经长兴岛到达崇明县的陈家镇 ， 全 长 2 5 5 k m。具体情况如下 ： ( 1 )在 线监测 市 政桥 梁 段 电缆 ： 双 回路 双拼 电 缆共 1 2根电缆 ， 每根电缆长度约 9 4 k m， 离 2 2 0 k V 长兴站 2 7 k m。测温 主机安装在大桥侧 竖井 内。 工控机、 显示屏等指定安装 在 2 2 0 k V长兴变 电站 内。测温主机和工控机通过通信光缆连接 ， 传输信 号( 通信光缆为外固定敷设) 。 ( 2 )在线 监测 市政 隧道段 电缆 ： 双 回路双 拼 电 缆共 1 2根 电缆 ， 每根 电缆长 度约 7 4 k m， 离 2 2 0 k V 长兴 站约 5 k m。测 温主机 可安装 在 隧道 侧 竖井 内 。 工控机、 显示屏等指定安装在 2 2 0 k V长兴变电站 内。测温主机和工控机通过通信光缆连接 ， 传输信 号( 通信光缆为外固定敷设) 。 测温光纤既可安装在电缆内部亦可安装在电缆 外部 ， 但 是安 装在 电缆 内部需 要 在 电缆 制 造 过程 中 实现 ， 所 以我 们采用 光 纤 用塑 料 扎 带将 带有 不 锈 钢 管子的专用光缆与超高压电缆绑缚牢靠的方式来布 置， 安装简单 ， 电缆制造和安装成本低 ， 光纤接点少 ， 具有更佳的光纤衰减， 可在运行多年后加装 ， 可替 换。采用三相电缆上布置一条光缆 ， 间距为 1 m以 光缆 固定件安 装 ， 在 电缆 中间接头处 以波 浪式捆绑 ， 光缆接 头盒也要 捆 绑 在 电缆 表 面 ， 不 可 放 置在 支 架 或是地面， 具备高防水密封功能， 如图 2所示 。这种 方法也带来了诸如离线芯距离远缺陷， 但在温度计 算和载流量模型上可以解决 。 图 2接头 区域温控光缆照片 由于光纤式 布温度检测系统可测量的范围 大 ， 所 以在一 条 电缆 回路 只需 要 装 设一 台测 温 主 机 就可以实现整条线路的温度在线监控。现在上海长 江隧道所采用的系统 已投入运行， 时刻提供电力电 缆长度沿线和温度变化， 其 中零通道为本相 ( O 1曲 线) ， 1 通道 为甲相 ( 1 曲线 ) 。从运行结 果 可以看 出， 系统可测量的范围约为 1 0 k m( 基本可以全程监 测 ) ， 可 以得 到 电缆 沿线 的精 确 的温 度 变 化 。一 旦 达到温度上限， 系统会启动报警功能， 适时通报相关 工作 人员进行 相关 安全措施 。 电缆长度 图 3 上海长江隧道电缆在线测温 系统一相 电缆温度监测曲线 4 结束 语 f ： 基于 O F D R的测温技术 ， 可以实现电缆全程温 度在线检测， 基本满足 1 1 0 k V及以上电力电缆 的线 路运行温度在线检测的技术要求。由光纤得到信号 再配合一系列的信号处理、 软件开发、 模型设计等， 可以计算出电缆沿线随着时间变化 的温度变化 ， 温 度误差小， 响应时间短， 运行可靠且能精确定位故障 点。上海长江隧道工程在应用本系统时， 2月 l 2日 l 7时 5 7分 l 0秒突然检测到 2 3 电缆接头( 距离光 纤起点大概 8 0 0 m) 处温度逐渐升高 ， l 8时O 4分时 ， 光缆已经断裂。通过计算和事后检测电缆 ， 发现两 者基本符合。这将对于提高我国电力系统的运行具 有举足轻重的作用。 参考文献 1 林君， 丁宇涛 热电偶测温和红外澜温的比较研究n 工 业加热 ， 2 0 1 0， 3 9 ( 1 ) ： 5 7 - 6 0 2 李忠旺， 王庆维 电力 电缆温度 的在线监 测 J 包 钢科技 ， 2 0 0 7 ， 3 3 ( 3 ) ： 4 I - 4 3 3 刘建胜， 李铮， 张其善 光纤完全分布式温度传感系统研究 进展 J 电子科技导报 ， 1 9 9 9 ( 3 ) ： l O 一 1 3 ， 3 8 4 于强敏 分布式光纤 测温系统研究 D 北京 ： 北京航空航天 大学出版社 ， 1 9 9 9 f 下转第 4 6页 ) 2 0 1 1 年第 1期 No 1 2 01 1 电 线 电 缆 El e c t r i c Wi r e Ca b l e 2 0 1 1 年 2月 Fe b， 2 01 1 为从 工程开 工这一年 起 的年份 。 新建线路工程经济适用年限一般为 2 5年， 改造 后为 5年 或 l 0年。广 西 南 宁市 电 网的最 大 负荷 利 用小 时数 按 5 0 0 0 h计 算； 设 备运 行维 护费率 为 1 4 ； 电力工程 回收率 r 0 按 工程 投资 的 8 ； 电 价为 0 5 0元 k W h ( 落 地 电价 ) 计 ， 采 用 大 截 面导 线 和 线和耐热导线是两种技术成熟的导线， 且其配套的 附件 和金具等 在我 国也能 自主生产 。 一 、 本文以南宁市一条具 体线路林 五线 为研 究对象 ， 通过静态投资和动态投资分析， 并采用年费 用最小法最终确定耐热导 线为增 容改造 的优 选方 案 。 耐 6 所 km 。参考 ： 表 两种方案的经济性评价指标 ( 单位 ： 万元 ) 一 由以上分析 可知 ， 根据年 费用法 ， 无论改 造后 的 线路经济适用年限是 5年或 l 0年， 耐热导线方案的 年费用都是最小的， 这说明耐热导线方案是技术经 济最优的。但是我们也应该看到 ， 随着经济年限增 大， 大截面导线的年费减少的幅度大于耐热导线 ， 这 也印证 了大截 面导线 与耐热 导线相 比具有更 好节 能 的特 点。 3 结束语 增容导线可以节约土地资源， 充分利用原有线 路 杆塔等 资源 ， 同时还 能提高 电 网运 行安全 等级 ， 整 个 工程经 济性 较好 。在 众 多增 容 导 线 中 ， 大 截 面导 2 1 _0 1 1 S a k a b e S ， Mo r i N， e t e De v e l o p me n t o f e x t r e me l y - l o w- s a g i n v a r r e i n f d r c e d AC S R ( X T A C I R ) J I E E E T r a n s a c ti o n s 0 n P o w e r Ap pa r a t u s a n d S y s t e ms ， Vo 1 P AS - 1 0 0， N o 4， Ap ri l 1 9 8 1： 1 5 0 5 一 l 5l 1 黄崇祺 ， 李文浩 ， 丁关森等 架空电力线路用增容导线 J 电 线电缆 ， 2 0 0 5 ( 4) ： 9 - l 3 易辉 ， 何慧雯 我国架 空线路新 型输 电技 术 的发 展及展 望 J 电器工业 ， 2 0 0 7 ( 1 1 ) ： 1 2 - 1 6 陈海勇 大截面导线张力架线的施 工工 艺及机具谜 择 J 】 江 西电力 ， 2 0 0 4， 2 8 ( 3 ) ： 3 2 - 3 4 刘真云， 马立群 ， 丁毅 薪型耐热 铝合金架空导线 的发展和 应用 J 电线电缆 ， 2 0 0 8 ( 3 ) ： 2 5 - 2 7 聂端 ， 黄华勇， 游洲等 大截面导线在 重庆 1 1 0 k V电网改 造应用 的技术经济分析 J ， 中国电力 ， 2 0 0 7， 4 0 ( 8 ) ： 4 5 47 D L T 5 0 9 2 1 9 9 9 1 1 0 - 5 0 0 k V架空 送 电线 路设计 技术 规程 s 许建安 3 5 - 1 1 0 k V输电线 路设计 M 北 京 ： 中国电力 出版 社， 2 0 0 3 陕西电力建设定 额站电力建设 1 1 0 k V 及以下送变电工程 限额设计参考造 价指标 ( 2 0 0 3年水乎 ) M 北京 ： 中国水 利水电出版社 ， 2 0 0 4 D L T 6 8 6 1 9 9 9电力 网电能损耗计算导刚 S 黎沙我国电网建设 的新突破一深圳妈湾电厂大截面输电 线路的技 术经 济 分析 e J 数 量 经济 技 术经 济 研究 ， 1 9 9 6 ( 5 ) ： 8 2 1 6 ( 上接第 4 2页) 5 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 ， 2 0 0 6， 3 2 ( 8 ) ： 4 3 -4 5 6 曲鸿章 电缆头 温度在线监测系统的可用性 J 煤 炭技术 ， 2 0 0 3， 2 2 ( 1 ) ： 2 4 - 2 5 7 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 ， 2 0 0 7， 3 3 ( 1 ) ： 1 6 9 1 7 2 8 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 ， 2 0 0 2 ， 2 3 ( 1 0 ) ： 3 1 _ 3 4 9 刘英 ， 曹晓珑 电力电缆 在线测温及 载流量 监测 的研究 进 展与应用 J 电网与水利发电进展 ， 2 0 0 7 ， 2 3 ( 8 ) ： 1 1 - 1 4 1 O T h o ma s S t r e h l ，L e mk e Di a g n o s t i c s ，G e r ma n y I n s t r u m e n t a t i o n a n d c o n c e p t o f p a r ti a l d i s c h a r g e a n d t e mp e r a t u r e c a b l e mo n i t o rin g P 2 0 0 4 I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n P o w e r S y s t e m t e c h n o l o g y ， 2 0 0 4 1 2： 1 4 2 2 - 1 4 2 7 4 6 1 2 1 3 1 4 1 5 S t e v e n J o n e s ，Ge o r g e B u c e a ，An d r e w Mc Al p i n e ， Ma s a h a rn Na - k a n i s h i ，S h o j i Ma s h i e ，H i d e h i k o K o m e d a ， A t s u h i d e J i n n o C o n d i t io n m o n i t o r i n g s y s t e m f o r t r a n s G r i d 3 3 0 k V p o w e r c a b l e P 2 0 0 4 I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n Po we r S y s t e m t e c h n o l o gy ， 2 0 0 4， 1 2： 1 2 8 2 1 2 8 7 杨耿杰 ， 苏爱 国， 郭谋发 ， 等 应用 G P R S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 ， 2 0 0 9， 2 1 ( 4 )： 1 0 0 1 0 5 严有祥 ， 苏雪源 ， 肖传强 电力电缆表面温 度监控和实时载流 量计算系统 J 供用 电， 2 0 0 8 ， 2 5 ( 5 ) ： 4 8 - 5 3 楼开宏 ， 秦一涛 ， 施才华 ， 等 基 于光纤测温 的电缆 过热在线 监测及预警系统 J 电力系统 自动化 ， 2 0 0 5 ， 2 9 ( 1 9 ) ： 9 7 -9 9 陈金福 ， 杨宝祥 光纤测温技 术在韶关 发电厂 电缆 防火 中的 应用 J 高电压技术 ， 2 0 0 4 ， 1 2 ( 3 0 ) ： 6 Y - 6 6 纠 引 i f ：