1、電纜導體無線測溫與電纜運行狀態監測系統的應用柯德剛 杜成龍 宋健瑛 吳星法 上海永錦電氣技術股份有限公司上海永錦電氣集團有限公司摘要： 在建設智能電網的大背景下，為了既能充分提升電力電纜線路的輸送能力，又能使其安全穩定的運行，對電纜運行溫度進行監控是一種比較直觀的方法。而導體無線測溫技術相比紅外測溫、電纜外皮光纖測溫、電纜外屏蔽光纖測溫、電纜接頭表面及應力錐部位測溫等具有更高的測溫精度，更能真實的反應出電纜的運行狀態。關鍵詞： 電力電纜導體運行溫度；無線測溫技術；電纜狀態監測；The Wireless temperature of cable conductor and the applica

2、tion 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: under the background of building a smart grid, in order to fully enhance the transmission capacity of po

3、wer 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 tem

4、perature measurement, cable connector and stress-position measuring has higher pre cision, more real response out of the cable run.Key words: Power cable conductor operating temperature; wireless temperature measurement technology; cable condition monitoring;近年來在建設堅強智能電網的背景下，我國城市輸配電電纜線路發展迅速，電力電纜使用數量

5、逐年增長，其中高壓和超高壓電力電纜，已成為城市輸電網絡的主要組成部分，在北京、上海、廣州、天津、深圳等經濟發達的城市及大部分省會城市，都建成了規模龐大的地下電纜供電系統。既保證電力電纜供電系統的安全穩定運行、又充分發揮電力電纜輸送電能量是當下一個重要的任務。電力電纜線路尤其是交聯聚乙烯（XLPE ） 絕緣電力電纜因其具有良好的電氣性能，敷設容易、運行維護簡單等優點而被廣泛應用。但偶發的電纜線路故障不可避免，我國電力電纜輸電線路的故障率目前仍高于國際上的發達國家。電纜線路的故障發生以后，一般的結果都比較嚴重，如：停電，甚至起火。據統計2000 年中國發生的火災中因電氣原因引發的數量為 31933

6、 起，占火災總數的 26.1%，其中因電纜線路引起的火災占整個電氣火災數量的50%以上 。（估計近年來這個比例在大幅下降）引起交聯電纜線路故障的原因有電纜本體、 電纜附件、 電纜敷設、 附件安裝、 外力破壞、電纜線路接地系統設計、電纜線路過載等。相關統計資料反映電纜線路主要故障原因是外力破壞，占比 58%。除去外力破壞，電纜附件發生的故障率高于電纜本體，電纜中間接頭故障率高于電纜終端。引起中間接頭故障的主要原因是因安裝不當，另外電纜中間接頭導體連接金具與電纜線芯配合不合理也是一個原因狀老化擊穿和過載。 ；引起電纜本體故障的原因一般是電纜本體樹枝為防止電纜線路發生惡性故障有必要加強對電纜線路的監

7、控。其中對電纜運行溫度的監控是一個比較直觀的方法。電力電纜的 運行溫度是一個重要參數。當電纜在額定負荷下運行時，線芯溫度達到允許值；電纜一旦過負荷，線芯溫度將急劇上升，加速絕緣老化，甚至發生熱擊穿。有研究發現，當交聯聚乙烯 （XLPE ）電纜的工作溫度超過允許值的8%時，其壽命將減半； 如果超過15%，電纜壽命將只剩下 1/4 。另外一個方面由于早期電纜線路設計、建設工作經驗不足，一般比較保守，導致很多高壓電纜線路的實際載容量遠低于允許容量，空置了較多的輸送能力。而現在社會經濟發展需要增加電能的供應，輸電空間走廊又受限，提升原來建設的電纜線路的輸送能力成為電力系統的一個重要工作。因為從提高電纜

8、線路安全穩定運行水平，防止發生嚴重故障的角度需要對電纜線路的運行溫度進行監測，從實現動態增容的角度也要對電纜運行溫度進行監測。所以近年來有較多大學（西安交通大學、華北電力大學、 重慶大學、 電子科技大學等） 、研究院所 （中國電科院、國網電科院、南網電科院等）、供電公司（北京、上海、廣東、杭州、天津等）都在電纜運行溫度檢測方面進行了研究與應用。華南理工大學、湖北省電力公司、廣東電網公司在完成國家重點基礎研究計劃（973 計劃 2009CB-724507 ）中 提出了實現電纜動態增容的方法，并模擬電纜的隧道敷設環境設計了110kV 交聯聚乙烯單芯電纜的正常負荷、滿負荷、超負荷等階躍電流溫升實驗。

9、發現：實驗得到的電纜導體溫升時間與理論計算得到的導體溫升時間基本相符；電纜增加的容量在電纜正常負荷運行范圍內，根據供電需求可以長時間對電纜進行動態增容 。上海市電力公司在保證電纜溫度不越限的前提下，通過建立電纜導體實時溫度模型，配合溫度監測技術，提出可行的短時動態增容方案，使得電纜線路能在一定時間內發揮其最大的輸電能力。已在上海楊建2145 等四回 220 kV 電纜上試應用 。河北科技大學在河北省科技支撐計劃（10213557）資助下完成了：利用有限元計算地下電纜的焦耳損耗和溫度場分布；利用迭代法實現地下電纜溫度場和電磁場間的耦合計算，提高了地下電纜溫度場計算的精度；利用迭代法確定地下電纜的

10、載流量。耦合計算結果比非耦合計算結果更接近試驗結果，可滿足工程實際的需要。文獻 6-11 中提出了相關的電纜導體溫度暫態計算與應用研究、電纜表面溫度推算導體溫度的熱路簡化模型暫態誤差分析、電力電纜接頭溫度無線監測前端裝置設計、電纜在線監測及檢測技術研究、電力電纜及其接頭運行溫度監測技術研究等研究及應用。相關研究人員也提出希望加強對電纜接頭的運行溫度在線監測的研究，以期在電纜接頭運行溫度在線監測領域取得突破，提出有效的溫度監測方式，設計可行的溫度監測系統，預防電力電纜接頭故障發生，保證電力電纜網絡安全運行。中國電力科學研究院高壓所及清華大學電力系統及發電設備控制和仿真國家重點實驗室歸納國內相關研

11、究及應用指出 ：目前電纜溫度測量方法中，分布式光纖測溫應用比較廣泛。該方法主要依據光纖的光時域反射原理及光纖的背向拉曼散射溫度效應。目前北京、上海杭州、天津、廣州等城市110kV 及 220kV 電纜線路都不同程度地敷設了分布式光纖測溫系統。綜合各地運行經驗來看雖然分布式光纖測溫系統具有測量距離長、測溫精度高等優點，但存在空間分辨率較低、對因各類缺陷造成的局部溫升不敏感、易受敷設環境溫度、濕度影響等缺點。紅外測溫直觀且簡單易行，但是不能適用于中間接頭，也不能適用于高壓電纜。故高壓電纜及附件一般采取光纖測溫。早期測溫光纖敷設在電纜護套外面（如圖1）根據電纜外護套測量的溫度采取專門設計的軟件來推算

12、電纜導體的運行溫度。后發現這種方式得出的溫度誤差較大，出現了改進型即將光纖放置在電纜護套內、電纜外屏蔽上面（如圖2）。這種方式（內置式）相比原來（外置式），測溫準確度有所提高，但還是要通過特種軟件進行一系列的計算推導出電纜導體的實際溫度。圖 1 測溫光纖模塊外置圖 2 測溫光纖模塊內置我公司研制了一種內置式測溫裝置，將測溫點置于中間接頭應力錐部位和電纜終端應力錐部位（如圖3）。特點是測溫點與局部放電信號傳感器安裝在電纜附件的內部，直接安裝在電纜附件的核心部件上面?？梢酝瑫r實現對電纜運行溫度及中間接頭局部放電信號的采集。圖 3 測溫、測局放模塊置于應力錐位置2015 年 7 月中國電力企業聯合會

13、組織全國相關研究機構及各地供電公司約 30 名專家在杭州，對浙江新圖維電子有限公司于 2012 年推出通過武高所試驗， 經相關供電公司近三年試用的一種內置式導體無線測溫系統進行了鑒定。評價認為該系統達到了世界領先技術水平 。該內置式無線測溫系統的特點是：將測溫點放在電纜導體連接管上面、該系統測溫直觀、無需軟件推算，測溫精度相比于分布式光纖測溫系統有明顯的提高。該系統是基于電磁感應的非接觸式測溫原理，包括了讀取器和傳感器（如圖4）。圖 4 內置式無線測溫系統基本原理我公司于2015 年 5 月在 220kV 電纜中間接頭上面采用了該測溫系統，并在上海電纜研究所進行了型式試驗，該系統的應用情況簡介

14、如下：電纜導體直接測溫系統由內置測溫模塊，外置測溫中繼器和無線測溫控制模塊三部分組成。內置測溫模塊安裝在電纜中間接頭的導體連接管上面（如圖5），由它完成電纜線芯溫度數據的采集；外置測溫中繼器模塊為內置無源測溫模塊提供電能并接收內置無源測溫模塊傳輸出來的電纜線芯溫度數據信號（如圖6）。無線測溫控制模塊可以放在電纜智能接地箱內或者電纜隧道內固定點（如圖7）它用來協調各塊無線測溫信號采集模塊工作，通過MODBUS協議向上級傳送數據。圖 5 安裝內置導體測溫裝置圖 6 安裝外置測溫中繼器圖 7 測溫顯示和無線發射單元放在智能接地箱內我們在公司通過這套測溫系統的客戶終端，可以隨時查看被測接頭線芯溫度的變

15、化情況。圖 8 為截取的 2015 年 6 月 13 日的被測電纜接頭線芯的24 小時溫度曲線變化。 該溫度曲線的變化與上海電纜研究所高壓電纜試驗大廳按照常規方式在試驗輔助回路電纜上面測量的溫度基本相同。圖 8 遠程顯示的 220kV 被測中間接頭溫度曲線這種內置式導體無線測溫系統安裝在220kV 中間接頭內部順利通過了按照國標GB/Z18890-2002額度電壓220kV(Um=252kV)交聯聚乙烯絕緣電力電纜及附件進行的型式試驗，說明該系統不影響中間接頭的電氣性能及密封性能。220kV 中間接頭型式試驗部分指標檢測項目標準要求檢測結果室溫局部放電試未檢測出190KV 局部放電試驗：在 5

16、pc 或更優靈敏度下無可檢測的放電驗放電熱循環電壓試驗254kV 、 95 100 加熱 8h、冷卻 16h ，共 20 個循環通過沖擊電壓試驗1050kV, 正負極性各 10 次；不擊穿，不閃絡通過工頻電壓試驗淋雨 460KV 1min ；干態 254kV 15min ；不擊穿，不閃絡通過浸水循環 20 次以后：接頭外保護層試兩端金屬套之間； 兩端金屬套對地之間： 直流耐壓 25kV ，1min 不擊穿通過驗沖擊試驗：兩金屬套之間施加95kV±10 次；兩端金屬套對地之間施加通過47.5kV ±10 次，不擊穿我們通過ansys 有限元軟件對安裝測溫裝置的電纜接頭和未安裝

17、測溫裝置的電纜接頭電場分布情況進行模擬對比，從電纜接頭電場模擬圖示（圖 9圖 12）可見：內置測溫傳感器的 220kV 電纜接頭與未安裝測溫裝置的 220kV 電纜接頭的電場分布和最高場強無區別， 說明內置的測溫傳感器不影響中間接頭原有的電場分布。電場分布情況模擬分析及對比圖 9未安裝測溫裝置的220kV 電纜接頭場強分布圖 10未安裝測溫裝置的220kV 電纜接頭高壓電極屏蔽表面的曲線分析圖 11安裝測溫裝置的220kV 電纜接頭場強分布圖 12安裝測溫裝置的220kV 電纜接頭高壓電極屏蔽表面的曲線分析通過我公司在上海電纜研究所進行的220kV 內置導體測溫型電纜接頭的型式試驗，我們總結該

18、內置式導體無線測溫系統實現了以下幾個方面創新：1、實現了電力電纜線芯運行溫度的直接監測，不需要通過軟件分析推算；2、先進的無源溫度傳感器，不需要電源、電池；3、無線傳輸溫度信號，溫度信號可以穿透中間接頭絕緣橡膠和導電橡膠屏蔽，不影響電纜接頭本身的電氣性能和運行可靠性。4、整體結構不改變中間接頭原來的電場分布狀態，不影響電力電纜線路的正常運行。國家電網運檢部2014 年下發了電力電纜及通道運維檢修綜合管理指導意見，要求在建設重要電纜隧道時宜同步建設綜合監控系統、包括電纜溫度、接地環流等監控功能。我們的試驗證明將這種內置式電纜導體測溫裝置及其綜合監控系統應用于 220kV 電力電纜線路是可行的，結

19、合吳建德在“ 2013 國際大電網委員會亞太區域理事會技術會議”上所發表論文 及杭州供電公司、廈門電力公司等近3 年來在110kV電力電纜系統使用該測溫裝置及其監控系統的經驗來看，將該系統應用于我國高壓電力電纜輸電線路是可靠的。我們認為使用該系統將有利于提高我國高壓電纜輸電線路運行狀態監測的效果。參考文獻1 郭英軍、孫麗華等電纜熱老化壽命的預測研究河北科技大學學報2007.28 (1) ： 34-362 陳永仁、柯德剛等高壓電力電纜導體及導體連接金具相關標準分析高電壓技術2013第 39 卷 增刊： 73-773 楊洋、周韞捷等超高壓輸電電纜動態增容計算及雙線增容策略華東電力2014 （9）4

20、 雷成華、劉剛、阮班義、劉毅剛根據導體溫升特性實現高壓電纜動態增容的實驗研究（ J）高電壓技術 2012.38（ 6）：1397-14025王巧玲，楊玉平，梁永春基于熱電耦合的 10kV XLPE 地下電纜群溫度場數值計算（ J）電工電能新技術 2012.31（ 2）： 2-66任麗佳、盛戈 皞、曾奕等動態提高輸電線路輸送容量技術的導線溫度模型（ J）電力自動化 2009.33（5）： 40-447朱曉輝，杜伯學 ,周風爭等高壓交聯聚乙烯電纜在線監測及檢測技術的研究現狀絕緣材料 2009.42（ 5）： 58-638徐濤、李艷飛、 徐研、朱妮妮 基于有限元法的單芯電纜導體溫度暫態計算與應用研究（ J）高電壓技術 2014.40： 39-439劉剛、雷成華、劉毅剛根據電纜表面溫度推算導體溫度的熱路簡化模型暫態誤差分析（ J）電網技術 2011.35（ 4）： 212-21710 胡 娟、巫京勵 、程文婷 電力電纜無線測溫系統研究四川電力技術 2010.33（12）11楊平 ,王威 電力電纜接頭溫度無線監測前端裝置設計儀表