电缆导体无线测温与电缆运行状态监测系统的应用模板

1、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 杜成龙 宋健瑛 吴星法 上海永锦电气技术股份有限公司上海永锦电气集团有限公司摘要： 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；The Wireless temperature of cable conductor and the application of the condition monitoring of cable runsKe DegangDu ChenglongSong JianyingWu XingfaShanghai Yongjin electric technology Limited by Share Ltd Shanghai Yongjin Electric Group Co.Ltd.Abstract: unde

2、r 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 o ptical fiber temperature measurement, cable connector and stress-position measuring has higher pre cision, more real

3、 response out of the cable run.Key words: Power cable conductor operating temperature; wireless temperature measurement technology; cable condition monitoring;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

4、 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 。（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状老化击穿和过载。 ；引起电缆本体故障的原因一般是电缆本体树枝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 1/4 。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

5、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 。上海市电力公司在保证电缆温度不越限的前提下，通

6、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 220 kV 电缆上试应用 。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。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。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

7、究及应用指出 ：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 。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

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