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1、电缆温度监测和寿命评估系统设计说明书第一章 绪论1.1选题背景和意义1.1.1 选题背景电力电缆就是在城市地下敷设的输电电缆，是国家电网基础设施最重要的组成部分之一；随着我国城市化进程的加速，电力电缆的覆盖率和资产规模正在以空前的速度增加。以成都市为例，到目前为止：220kV电缆已有15回，总长73.75千米；110kV电缆107回，总长263千米；35kV电缆39回，总长32千米；10kV电缆399回，总长963千米。为保证庞大的网路的安全、可靠、智能地运行，人工巡检方法和常规的监测设备已经无法胜任；为满足这一显著的需求，一些新型的传感检测设备被开发并且开始应用于电力电缆的在线状态监测，包括
2、：DTS分布光纤温度温度传感器：通过背向散射原理，可以检测到一根长达几千米到几十千米光纤的温度分布，采样点距离可达到1.0m至2.0m，最小检测周期可达10s。将该测温光纤沿电缆长度方向布置，则可以获得电缆的长度方向上的温度分布。光纤本身有石英制成，具有极佳的电磁惰性。就这些技术特征和最近几年的实践看，DTS已被证实是目前火警、电缆温度异常、电缆热负荷在线监测的最佳手段。分布式局部放电在线检测器：采用高频数据采集卡检测电缆附件的屏蔽电流高频部分或超声波信号，提供电缆绝缘状态的在线监测的基础条件。与传统的传感器不同，它们的实时输出的状态变量不是由一个或几个模拟量构成，而通常是一个长度很大的模拟量
3、序列构成，称为大数组输出；以DTS为例，检测10千米电缆的分布温度，按照1.0m的采样空间，每次的检测输出为一个长度为10,000的浮点数组。基于这些数组输出，一些功能强大但也相当的复杂的算法被开发用于分析和透视蕴含在这些庞大数据的关键信息；如一种称为动态载流量DCR算法可根据持续输入的电缆表面分布温度（由DTS提供）和回路负荷电流，实时地计算电缆线芯温度（电缆线芯温度是电缆负荷安全状态的关键指标，其许用值为90C）和计算短时许用电流；另一种算法成为电缆载流量专家系统，可基于历史的电缆表面温度和负荷电缆信息，计算电缆中长期的安全负荷电流。目前现有的电力监测监控体系无法有效支持以上应用；表现在：
4、在变电站自动化系统中，现有的通讯协议不能有效传输大数组，SCADA数据库设计不能实现对这些大数组的输入输出和存贮，现有体系在集成复杂算法方面考虑甚少，等等；另外，现有的电力监控系统和本文的电缆在线监测在功能需求上有很大的差别：前者实时监控关键电网变量，执行保护操作，要求高度可靠、快速、简洁；而后者对实时性要求不高(10s)，处理的主要是非电状态量，其输出主要是PC机界面上丰富的信息、短消息报警等，基本上不要求输出执行。目前，北京、上海、成都、广州均在开发和建设这种电缆电缆温度监测和寿命评估系统，发现诸多问题：如是否或多大程度上将算法嵌入在检测设备上（以减轻上位机的计算负荷和复杂性）、现场设备向
5、中心设备怎么通讯、数据库保存什么数据（原始大数组、中间数据还是计算结果）、怎么为整个系统分层、复杂算法部署在哪一层、提供怎么样的用户终端形式（一个主监测中心视图还是WEB发布）、扩展性和兼容性怎么设计、等等。归根结底是怎样解决复杂性、可靠性之间的矛盾。显然，根据电缆在线监测应用的特征，结合目前的工程实践经验，设计和开发一个有效的系统方案和理论体系已经成为当务之急的任务。1.1.2研究意义智能电网的建设已列为国家电网“十二五”的核心工作任务；智能电网的的基本特征为：使用健全的双路通信、高级的传感器和分布式计算机，改善电力传送的使用的效率、可靠性和安全。一个设计良好的电缆电缆温度监测和寿命评估系统
6、可为智能电网提供一个可以有效响应动态负荷需求、高度可靠的输配电物质环境。特别地，具有以下功效：实时的动态负荷能力，有效提高电缆资产的利用效率；可靠的在线状态监测，有效预防故障和降低运行成本。本文研究将为目前在建的和未来的电缆电缆温度监测和寿命评估系统的项目提供设计指导和行动指南，解决实际工程问题，缩短项目周期，并为相关行业（设备制造、软件系统开发、集成、服务等）提供技术路线图，创建可持续发展的态势。从技术本质上看，这些型新传感器和复杂算法的在技术快速进步的今天出现具有必然性，事实上提出了一个具有广泛意义和价值的工程问题，可以抽象为：以怎样的方法集成先进硬件和软件，以达到最佳的智能监测的目的。因
7、此，通过本课题的研究，可以为其它大规模的智能监测（如智能电网的其它监测系统、交通监测管理、地球环境监测等物联网）提供理论参考。电缆温度监测和寿命评估系统设计说明书第二章 电力电缆监测相关理论2.1引言 对于电力电缆的敷设，通常存在着多种敷设方式，常用的有排管敷设、直埋敷设、电缆隧道敷设、电缆沟敷设等，在这些敷设方式中，以直埋敷设的方式应用最为广泛。由于电缆大多敷设于地下，使得对电缆故障的检测和解决不能直接进行。传统的检测基本以离线方式为主，需要断电之后检测人员携带仪器进行检测。这种方式不仅需要多个检测水平较高的技术人员，消耗的人力物力较大，而且其检测过程会受到电缆敷设环境等多方面因素的影响。为
8、了解决这种难点，近年来有着很多带电检测的新技术和方法出现。这些方法能够同归对电缆绝缘的下降情况进行判断并提前预警，实现事前预防的作用。现阶段，在线带电检测的方法常用的主要有直流分量法、直流叠加法等。2.2监测任务介绍（1）电缆接头（表皮）温度在线监测电力电缆中间接头制作质量不良、压接不紧、接触电阻过大，长期运行造成电缆头过热烧穿绝缘层，导致火灾，影响供电造成事故。通过接触式（或者红外线温感模块）温感模块（根据用户所需监测电缆数量安装不同数量模块）的对重点部位实时在线监测，当温度异常时即刻报警，上传实时数据起到过热预警数据分析功能，及时发现并消除发热造成的隐患，避免事故发生。（2）可燃气体、有害
9、气态在线监测针对井沟内容易产生有害气体、可燃气体（或燃气井泄漏气体串井）在线监测，对气体含量浓度进行分析评估，当井沟内有害气体、可燃气气体值超出设定安全范围值时及时发现并预警，避免重大爆炸事故或伤人事故发生（检修人员下井沟巡检）。（3）环境温湿度在线监测有效地对设备运行环境温度湿度、井沟内水位进行实时监测，上传有效数据。管理人员对井沟环境状况及时了解，方便调度管理。（4）火灾探测仪（感烟）监测在线监测电缆井沟内烟雾及火焰的产生，第一时间掌握电缆井沟内火灾发生，及时报警预防造成重大的事故。2.3 DTS和载流量计算介绍2.3.1 分布式光纤温度传感技术这种技术起源于20世纪70年代，是一种新型的
10、测温技术，由于信息是在光信号的基础上传送的，其优势主要体现于能够不受电磁干扰。从工作原理的角度来看，可以将光纤温度传感器分为传输型和功能性两种。传输型光纤温度传感器中光纤只对光信号进行传输，而功能型传感器则能够在传输光信号的同时传输温度信息和光纤感应信息。现阶段，应用较广的光纤温度传感器主要包括光纤光栅、光纤温度、光纤荧光、干涉型光纤温度传感器，其中光纤光栅温度传感器和光纤温度传感器应用最为广泛。早在1981年，英国南安普顿大学就提出了分布式光纤温度传感器。在光纤传送中，激光的反射光主要分为以下几种：拉曼散射(Raman scatter)、瑞利散射(Rayleigh scatter)以及布里渊
11、散射(Brillouin scatter)。具体反射情况见下图2.1。此类型传感器从最初的在后向瑞利散射基础之上的液芯光纤分布式温度监控系统，逐步发展为在光时域(OTDR)拉曼散射基础之上的光纤测温系统，此外还有建立在光频域拉曼散射基础上的光纤测温系统(ROFDA)等。目前，分布式光纤温度传感器的测量距离可以达到三十千米，测量精度极高，达到了O5，对于温度的分辨率可以达到001。分布式光纤温度传感技术有着极大的优势，具体体现于以下场合的应用：第一，当进行全面监测，需要设置诸多监测点时，光纤DTS有着便于安装的有点，而且其一条光纤能够取代多个点式的温度传感器。第二，在电磁干扰较大的条件下，采用光
12、纤DTS能够读取精确的光学数据，避免电磁干扰的影响。第三，光纤DTS的安全性能较好，能够更好的应用于易燃易爆等特殊环境下。现阶段，在电力系统温度监测中，分布是光线温度传感技术已经逐步开始应用，而且对于电力电缆的动态流量计算、电缆故障、电缆接头温度监测等方面有着极其广泛的应用前景。图2.1 分布式光纤温度传感器基本原理2.3.2 电力电缆的结构通常而言，电力电缆的结构有着绝缘层、导体线芯、外护层。随着目前电力系统典雅等级的不断提高，PVS2010聚乙烯绝缘、油纸绝缘、丁基橡胶绝缘等电缆已经不能完全适应高电压，需要与电压等级提高的相应绝缘电缆结构。已经得以应用且效果较好的是交联聚乙烯绝缘电力电缆，
13、这种电缆多为三芯和单芯，电压等级较高的电缆通常都为单芯。其结构图如下：图2.2 64/110KV 1X630mm2交联聚乙烯绝缘电力电缆结构图1-导体；2-导体屏蔽；3-绝缘层；4-绝缘屏蔽；5-半导体无纺布带；6-铝护套；7-沥青+半导体无纺布带；8-PVS2010外护层三芯电缆的每单芯结构与单芯电缆基本相同，但在线芯的外切圆中并没有填充，而且外层多加了一层铠装层，对线芯位置进行固定。其结构具体见下图2.3：图2.3 三芯XLPE绝缘水底电缆结构图1-导体；2-导体屏蔽层；3-绝缘层；4-绝缘屏蔽层；5-金属屏蔽；6-填料；7-包扎带；8-内护套；9-丝铠装；10-外护套本文中笔者主要对交联
14、聚乙烯绝缘电力电缆的载流量计算问题进行了探讨。2.3.3 采用热路模型计算电力电缆载流量单芯XLPE电力电缆通常包括绝缘层、铝线芯、金属屏蔽层、外护层以及内衬层等部分。进行此电缆热炉模型构建时，应该重点考虑以下几点：1.热力模型的热源；2.热量从热源中如何散发，如何传播；3.对于热量传播而言，电力电缆的组成部分能够起到什么作用；在电力电缆中，线芯是最主要的发热体，此外，电缆本身的损耗也是一种热量散发，如果电缆外部设有铠装层，还会有铠装损耗，因此，电力电缆的热力模型应该具备解释损耗、线芯、铠装损耗以及金属屏蔽损耗等热源。在线芯热量散发过程中，要经过所有介质损耗的部分，金属屏蔽损耗产生的热量要经过
15、其他介质层的热量，而铠装层损耗而散发的热量则只经过外护层。由于线芯的材质是由铜、铝等热的良导体，因此，其热阻可以忽略，只对线芯的热熔进行考虑；绝缘层不仅可以储存热量，还可以对热量传播形成阻碍。因此，金属屏蔽层和内衬层也可以只考虑热阻和热容。下面对热力模型和电路中的物理量进行对比，为下文的计算分析做准备。表2-1 热路模型和电路相关物理量对应表根据电力电缆热源的性质差异，能够将热源进行分类，主要分为两种：外部环境的恒压源和内部热源的恒流源。下面笔者采用参数法对两种热源进行建模，并采用ICE计算标准进行热炉模型计算，具体见下图3.3。图3.4 电力电缆暂态热路模型在上图中，T1到T4指的分别是等效
16、绝缘层热阻、等效内衬层热阻、等效外护层热阻以及等效外部环境热阻；分别表示这些部位的温度，以及单位长度的下导体功率、介质、金属屏蔽、铠装损耗因数；Q1到Q4分别代表以下内容：Qc, Qi, Qs, Qcp, Qj分别指的是导体、绝缘层、内衬层、铠装、外护层热容；p和p分别表示绝缘层和外护层的热容分配比例因数；Di指的是绝缘层直径, dc指的是导体直径,De指的是电缆外径, Ds指的是外护层内径。综上所述，我们可以得知，热流与电流相对应，在模型中，热流是恒流源，但有时会发生突然的改变。温度与电压相对应，相当于模型中的恒压源。但不会发生改变。热阻与电阻相对应，对热量的传播起到阻碍作用。热容与电容相对应，能够存储热量。综合考虑，绝缘层既相当于热源，还能够储存热量，并能够对热量的传播起到阻碍作
