1、論文之十七：電力電纜表面溫度監(jiān)控和實時載流量計算系統(tǒng)研究與應(yīng)用嚴(yán)有祥1 蘇雪源1肖傳強(qiáng)2 (1廈門電業(yè)局;2北京興迪公司)摘要：本文介紹了采用分布式光纖測溫技術(shù)開發(fā)的高壓電力電纜表面溫度監(jiān)控和實時載流量計算系統(tǒng)主要原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和特點以及在電纜線路運行監(jiān)測中的應(yīng)用情況，通過分析一次報警實例，說明分布式光纖測溫系統(tǒng)具有測量可靠性，反應(yīng)靈敏性等特點。關(guān)鍵詞：分布式光纖測溫 電力電纜 載流量計算1、前言高壓電纜的表面溫度反映了電纜的運行情況。不論是過負(fù)荷運行還是電纜運行環(huán)境發(fā)生變化或者是電纜線路本身絕緣故障（如主絕緣局部放電或護(hù)層絕緣被破壞后引起的各種故障）都會引起電纜表面溫度發(fā)生變化，因此監(jiān)測電纜

2、表面溫度可以及時發(fā)現(xiàn)電纜異常情況，及時采取措施，避免事故發(fā)生【1】。另一方面，恒定負(fù)載或周期負(fù)載條件下，通過測量電纜表面溫度，可以精確計算出電纜線芯導(dǎo)體溫度【2】，從而為在各種運行環(huán)境下合理制定電纜允許載流量提供科學(xué)依據(jù)，從而使我們能充分利用現(xiàn)有線路的輸送能力。長期的經(jīng)驗數(shù)據(jù)積累，還為我們今后的電纜截面的選擇提供依據(jù)，從而減少不必要的浪費。2005年廈門電業(yè)局和北京興迪儀器公里聯(lián)合研究并開發(fā)了一套新的電纜表面溫度監(jiān)控和實時載流量計算系統(tǒng)(型號CTM4000)。該系統(tǒng)包括電纜表面溫度監(jiān)測系統(tǒng)和電纜導(dǎo)體溫度計算、載流量計算軟件兩部分，其中電纜表面溫度監(jiān)測系統(tǒng)采用分布式OFDR光纖測溫技術(shù)，可以做到

3、在線實時、全程監(jiān)測電纜表面溫度，并記錄電纜表面溫度變化情況，當(dāng)出現(xiàn)電纜表面溫度異常時發(fā)出報警信息，通過對電纜溫度的監(jiān)視，隨時掌握電纜的運行溫度，既可避免電纜在過載的情況下長期運行，又可根據(jù)運行的溫度及時調(diào)整電纜的負(fù)荷，對電力系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟(jì)運行大有益處。電纜導(dǎo)體溫度計算、載流量計算軟件部分，采用國際標(biāo)準(zhǔn)提供的計算方法，可以通過電纜表面溫度計算出電纜導(dǎo)體溫度，通過電纜導(dǎo)體溫度計算載流量，進(jìn)而對電纜最大負(fù)荷做出預(yù)測，為電力調(diào)度提供技術(shù)依據(jù)。提高電纜的傳輸能力，發(fā)揮電纜的最大潛力。 2、系統(tǒng)主要功能和特點2.1溫度測量原理 喇曼散射光波導(dǎo)由攙雜的石英玻璃制成，石英玻璃SiO2分子組成， 熱使分子晶格

4、產(chǎn)生振動，如果光照射在受熱激發(fā)而振動的分子上，聲子和這些分子的電子之間會發(fā)生相互作用。因此光在光波導(dǎo)中會發(fā)生散射，這種效應(yīng)就是所謂的喇曼散射。從光纖散射返回的光包括三部分不同的光譜：- Rayleigh 散射光，光波長為所用激光源的激光波長- Stokes 分量，光的波長更長一些，會產(chǎn)生光子- the anti-stokes 分量， 光的波長較 Rayleigh 散射光的短，其中光子已被吸收。圖 1 喇曼散射和入射光激發(fā)晶格諧振的頻率相比，散射光的譜線頻率發(fā)生了位移。反斯托克斯線的強(qiáng)度和溫度有關(guān)，斯托克斯線和溫度無關(guān), 使用光波導(dǎo)內(nèi)一點的反斯托克斯光和斯托克斯光強(qiáng)度的一種關(guān)系式，即可得到這一點

5、的溫度3。2.1.2 測溫原理 喇曼散射光的分布式測量要求有一個背光散射過程。最著名的背光散射過程就是OTDR (OTDR: 光時域反射測量技術(shù))。使用這種技術(shù)可以定位光纖斷開的位置，對接頭和插頭進(jìn)行評價和定位，定位使用玻璃纖維材料的衰減特性（瑞利散射）。OTDR的測量過程發(fā)射光脈沖，通過檢測光脈沖的發(fā)射和返回的時間差決定光的散射水平和位置，和瑞利光相比，喇曼散射光測量顯示的背光信號只是千分之一左右，使用OTDR技術(shù)的分布式喇曼溫度傳感器必須使用高性能（昂貴的）脈沖激光源（通常固體激光器）或快速信號平均技術(shù)才能實現(xiàn)。本系統(tǒng)所用溫度測量控制系統(tǒng)采用的是光頻域反射法 (OFDR)。OFDR 系統(tǒng)只

6、有在整個測量時間內(nèi)當(dāng)所探測到的背散射信號被測出是頻率的函數(shù)的復(fù)雜形式，并且符合傅立葉變換，才會提供局部特性的信息。OFDR 技術(shù)的最大優(yōu)勢是準(zhǔn)連續(xù)波長的激光探測模式，可以獲得比傳統(tǒng)的脈沖技術(shù)更高的信噪比。這一技術(shù)優(yōu)勢使系統(tǒng)可以用半導(dǎo)體激光二極管和電子器件進(jìn)行組裝。但快速傅立葉變換對電子器件有更高的線性要求。下圖2為 OFDR 喇曼溫度測量系統(tǒng)設(shè)計的示意圖。圖2 OFDR 喇曼溫度測量系統(tǒng)設(shè)計的示意圖溫度測量系統(tǒng)由控制器和作為線形溫度傳感器的玻璃光纖（光波導(dǎo)）組成，而控制器由激光源、光器件、微處理單元組成。它由三個通道組成，兩個測量通道(反斯托克斯和斯托克斯)和一個參考通道，這些背光散射的幅值和

7、各點的喇曼散射光的強(qiáng)度成比例，從兩個測量通道的得到幅值的關(guān)系即可得到沿傳感器電纜的光纖溫度。2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)高壓電力電纜表面溫度監(jiān)控和實時載流量計算系統(tǒng)由測溫系統(tǒng)，載流量分析和計算軟件兩部分構(gòu)成。其中測溫系統(tǒng)包括測溫光纖，多路光轉(zhuǎn)換開關(guān) 帶激光光源的控制器、工業(yè)計算機(jī)和相應(yīng)的軟件構(gòu)成如圖3所示圖 3 測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖光纖測溫系統(tǒng)接入TCP/IP辦公網(wǎng)絡(luò)。在每個相關(guān)人員的電腦上安裝光纖測溫軟件，相關(guān)人員可以通過測溫軟件監(jiān)測電纜的實時溫度，并使用測溫軟件的所有功能。系統(tǒng)從調(diào)度自動化系統(tǒng)WEB發(fā)布的數(shù)據(jù)中獲取被測電纜的電流數(shù)據(jù)，以提供給載流量分析軟件，進(jìn)行載流量分析。光纖測溫載流量分析軟件是基于C/

8、S（Client/Server）結(jié)構(gòu)的軟件系統(tǒng)，整套軟件運行在由當(dāng)?shù)兀ㄗ冸娬荆┖瓦h(yuǎn)程計算機(jī)組成的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)上， 整個光纖測溫的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的分布如下圖4所示圖 4 光纖測溫的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)拓?fù)鋱D2.3系統(tǒng)特點溫度測量精度高，定位精度高。OFDR是90年代以來一項新技術(shù)，它將調(diào)制接收到的頻譜。OFDR系統(tǒng)只有在整個測量時間內(nèi)當(dāng)所探測到的背散射信號被測出是頻率的函數(shù)的復(fù)雜形式，并且符合傅立葉變換，才會提供局部特性的信息。OFDR技術(shù)的最大優(yōu)勢是光學(xué)背散射信號的激光和窄帶探測所用的準(zhǔn)連續(xù)波長模式，借此可以獲得比傳統(tǒng)的脈沖技術(shù)更高的信噪比。這一技術(shù)優(yōu)勢使得半導(dǎo)體激光二極管和電子器件組裝可以用作信

9、號均衡。由于FFT計算(FFT, 快速傅立葉變換)對電子器件有更高的線性要求，這是一種對技術(shù)上比較困難的喇曼散射光測量和比較昂貴的信號處理的彌補。技術(shù)指標(biāo)達(dá)到： 空間分辨率： ±1米 溫度分辨率： ±1為了驗證上述指標(biāo)，我們在武漢高壓研所院做了比對試驗。試驗按照Q/MYXDY001-2006線型分布式光纖感溫火災(zāi)探測系統(tǒng)進(jìn)行，檢測結(jié)果：溫度測量精度在90 范圍以內(nèi)不超過±0.9 ；空間定位精度不超過±0.8 m表1、溫度精度試驗數(shù)據(jù)時 間熱穩(wěn)定時間min標(biāo)準(zhǔn)溫度計測量溫度光纖測溫測量 溫度光纖測溫測量位置m環(huán)境 溫度備注2006-10-28 11：261

10、033.933.725.423.02006-10-28 12：001050.350.925.223.02006-10-28 14：381062.062.225.223.02006-10-29 10：441074.274.025.321.02006-10-29 11：081091.090.125.321.0但在測量電纜的表面溫度時，我們發(fā)現(xiàn)，本測溫系統(tǒng)的溫度測量數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)溫度計測得的數(shù)據(jù)有偏差如表2所示表2、電纜表面溫度測量比較表武高所的溫度測量數(shù)據(jù)A光纖測溫系統(tǒng)的溫度測量數(shù)據(jù)B誤差（A-B）24.825.02-0.430.430.110.2932.632.010.593432.931.0736

11、34.721.2837.935.9242.840.372.4346.643.153.4547.143.963.1449.845.93.9注：環(huán)境溫度：24.8分析上述偏差我們發(fā)現(xiàn)，在電纜表面的溫度接近環(huán)境溫度時，二者的測量誤差在±0.5，電纜表面的溫度越高，二者的測量誤差越大（誤差與電纜表面溫度成正比），誤差的數(shù)值變化與電纜表面溫度的變化基本成線性。如圖5所示圖5 溫度偏差圖造成這種偏差的原因是，光纖測溫的真正感溫部分是位于光纜中心的裸纖，裸纖外圍的包層是為了保護(hù)內(nèi)部的裸纖。光纜與電纜表面的接觸面積有限，光纜的大部分置于周圍的介質(zhì)中，由于電纜表面與周圍的介質(zhì)（環(huán)境）存在一定的溫差，所

12、以從電纜表面到周圍的介質(zhì)形成了一定的溫度梯度，而裸纖感受到的是其所在位置的對應(yīng)的梯度的溫度。由于電纜表面的溫度高于周圍的介質(zhì)（環(huán)境）的溫度，所以形成的是一個遞減的溫度梯度，而隨著電纜表面與周圍的介質(zhì)（環(huán)境）的溫度差越大，電纜表面的散熱梯度也越大，這也是造成電纜表面溫度越高，光纖測溫系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)越來越偏低的根本原因。但由于光纖測溫的測量誤差的數(shù)值變化與電纜表面的溫度化基本成線性，所以對光纖測溫測得的有偏差的溫度數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行線性擬合處理進(jìn)行修正。電纜的實際敷設(shè)情況為排管、直埋、隧道等情況時，電纜的周圍的介質(zhì)（環(huán)境）空氣對流相對很弱，電纜表面與周圍介質(zhì)（環(huán)境）形成的溫度梯度很小，此時可以忽略周圍

13、的介質(zhì)（環(huán)境）的影響，可以認(rèn)為光纖測溫的溫度數(shù)據(jù)就是電纜表面的溫度。隨著電纜制造技術(shù)的發(fā)展，測溫電纜也可以直接埋入電纜金屬護(hù)套和絕緣外屏蔽之間。載流量計算與實測一致性高.。為驗證系統(tǒng)載流量計算和溫度監(jiān)測結(jié)果的正確性，系統(tǒng)在武漢高壓研究院做了長達(dá)兩個月的比對試驗。試驗所用的電纜與現(xiàn)場敷設(shè)的電纜完全一致。試驗回路如圖6所示圖6 實驗回路以下是在一根型號為YJLW03- 220- 1×2000的#1 電纜上進(jìn)行的驗證試驗(一)恒定電流的穩(wěn)態(tài)溫度試驗在#1電纜中施加不同的恒定電流，待電纜達(dá)到熱穩(wěn)態(tài)狀態(tài)后，電纜的表面溫度和實測導(dǎo)體溫度以及根據(jù)軟件計算的導(dǎo)體溫度如下表3和圖7所示：表3：系統(tǒng)測量

14、溫度和計算導(dǎo)體溫度與實際溫度比較表序號環(huán)境溫度,加熱電流,A武高所表面溫度,CTM4000表面溫度,武高所導(dǎo)體溫度,CTM4000導(dǎo)體溫度,1160053.054.21225.6180034.733.666.364.8325.6215036.234.283.982.64426.6230042.840.495.0092.30526.7280049.845.9129.1123.6圖7電纜的穩(wěn)態(tài)電流溫度曲線（二）單芯載流量預(yù)測試驗電纜環(huán)境溫度：26.6 ，計算穩(wěn)態(tài)載流量2250 A(導(dǎo)體允許溫度為90 )。實際測量結(jié)果見下表4表4：電纜的單芯載流量預(yù)測比對數(shù)據(jù)加熱電流武高院實測數(shù)據(jù)系統(tǒng)計算數(shù)據(jù)225

15、0環(huán)境溫度, 26.6導(dǎo)體溫度, 91.890.0表面溫度, 42.840.37（三）緊急負(fù)荷運行時間預(yù)測比對試驗試驗1：初始狀態(tài)：電纜施加80 %的負(fù)載電流（1800 A），電纜運行達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)；實際試驗結(jié)果見下表5表5：電纜的緊急負(fù)荷運行時間預(yù)測比對數(shù)據(jù)狀態(tài)環(huán)境溫度,加熱電流, A武高院實測導(dǎo)體溫度,實測導(dǎo)體到達(dá)90 時間系統(tǒng)計算到達(dá)90 的時間初始狀態(tài)25.6180066.3緊急狀態(tài)26.22750902.18 h2 h緊急狀態(tài)：將電纜電流躍變增加到2750 A, 根據(jù)CTM4000系統(tǒng)計算，2 h后電纜導(dǎo)體溫度達(dá)到電纜導(dǎo)體最大允許溫度90 。武高所實測曲線如圖8所所示圖8：武高院溫度

16、實測曲線上圖中紅色曲線為導(dǎo)體溫度曲線，藍(lán)色曲線為電纜表面溫度曲線，綠色曲線為環(huán)境溫度曲線試驗2 初始條件：電纜施加80%的負(fù)載電流（1800 A），電纜運行達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)；緊急狀況：將試驗電纜上的電流增加到2540 A, 根據(jù)CTM4000系統(tǒng)計算，3 h后電纜導(dǎo)體溫度達(dá)到電纜導(dǎo)體最大允許溫度90 。實際試驗結(jié)果見下表6 表6電纜的緊急負(fù)荷運行時間預(yù)測比對數(shù)據(jù)狀態(tài)環(huán)境溫度,加熱電流,A3 h到達(dá)后實測導(dǎo)體溫度,系統(tǒng)計算3 h到達(dá)后導(dǎo)體溫度,初始狀態(tài)24.31800緊急狀態(tài)25.6254087.990通過上述試驗，表明該系統(tǒng)載流量分析電纜線路運行的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，掌握其運行情況，為電力調(diào)度和電纜線

17、路的選擇提供依據(jù)。3、系統(tǒng)應(yīng)用情況該系統(tǒng)首先在廈門電業(yè)局220kV廈禾變電站得到運用，目前監(jiān)測廈禾變電站220kV電纜2回，110kV電纜1回，10kV電纜1回，運行穩(wěn)定。2007年11月2日以來，廈門局運行人員通過光纖測溫系統(tǒng)每天定時收到的溫度短信，發(fā)現(xiàn)220kV禾半回30#接頭工井處（距廈禾變電站2020米處）電纜的表面溫度開始緩慢持續(xù)上升，維護(hù)人員并開始關(guān)注這一區(qū)域的溫度異常變化；11月7日開始電纜表面溫度上升加快，至11月12日晚6時，30#接頭井內(nèi)電纜表面溫度已達(dá)48。11月13日送電部立即派特巡人員趕赴現(xiàn)場，打開井蓋后發(fā)現(xiàn)30#接頭工井內(nèi)積水嚴(yán)重，水溫異常，初步判斷為交叉互聯(lián)接地箱

18、進(jìn)水引起的短路發(fā)熱。立即組織進(jìn)行抽水處理，此時電纜的表面溫度已達(dá)到設(shè)定的報警溫度58，接頭井表面水的水溫竟高達(dá)84。禾半線電纜全線溫度曲線11.13日30#接頭井溫度報警圖9 溫度報警畫面及溫度曲線從歷史溫度曲線上分析，#30工井溫度持續(xù)升高始于11月2日，開始時緩慢上升，11月7日以后，隨著負(fù)荷的增加溫度上升加快。11月12日晚上6點，電纜表面最高溫度已經(jīng)高達(dá)48°C。如圖10所示。報警前48小時的溫度變化11.811.11日電纜的溫度持續(xù)上升圖10 溫度歷史曲線下圖11為本次搶修過程的溫度曲線，從11月13日10時到11月14日18時電纜表面的溫度變化。我們把整個溫度曲線分成七個

19、區(qū)段進(jìn)行分析：14日12時13日下午電纜溫度恢復(fù)正常29左右14日再次采取措施后溫度恢復(fù)正常溫度29左右13日晚上溫度又升高到48午餐時間溫度上升13日12時13日上午采取抽水降溫圖11：溫度變化曲線第一區(qū)段：11月13日10時-12時，接頭井進(jìn)行抽水處理，溫度從報警的58°C降低至43°C第二區(qū)段：11月13日12時-13時，午餐時間，溫度從43°C回升至45°C第三區(qū)段：11月13日13時-14時，接頭井進(jìn)行強(qiáng)制通風(fēng)，溫度從45°C降低至正常值29°C第四區(qū)段：11月13日14時-19時，接頭井內(nèi)進(jìn)行清理并有間斷強(qiáng)制通風(fēng)，溫度在30°C左右波動第五區(qū)段：11月13日19時-14日10時，接頭井夜間封閉，溫度回升至43°C第六區(qū)段：11月14日10時-12時，接頭井繼續(xù)強(qiáng)制通風(fēng)降溫，溫度從降至正常值29°C第七區(qū)短：11月14日12時后，電纜表面溫度穩(wěn)定在正常值29°C左右，搶修結(jié)束。從以上的搶修期間的溫度分析說明分布式光纖溫度監(jiān)測技術(shù)具有高精度、高分辨率的 特點。我們從溫度的變化曲線上甚至可以看出午餐時間和夜間休息時間。本次搶修過程中，廈門電網(wǎng)正好處在非正常運行方式下，禾半I回和禾半II回負(fù)荷電流達(dá)到560安培，為了確保電纜不至于因過熱而發(fā)生