1. 當前位置:網站首頁 資訊中心 技術論文 高壓電纜分布式光纖測溫 正文 高壓電纜分布式光纖測溫

      城市高壓電纜分布式光纖測溫技術應用現狀(缺點等)

      四川桂豐源科技 2020-04-22 高壓電纜分布式光纖測溫 7044 ℃ 0 評論

      摘 要: 對分布式光纖測溫技術在國內外的研究及應用現狀進行論述, 重點對分布式光纖測溫系統在城市電網運行過程中存在的問題及不足進行了分析, 并提出了針對性的應對措施, 對于提高電纜線路的運行可靠性具有重要意義。關鍵詞: 分布式光纖測溫; 高壓電纜; 城市電網; 可靠性,吳 科, 熊 剛, 鄧旭東, 殷業成, 趙柏橋, 李政澤(國網重慶市電力公司檢修分公司, 重慶 400039),收稿日期:2019-07-08
      作者簡介: 吳科(1990-), 碩士, 從事高壓電纜試驗及局放檢測工作: 熊剛(1976-), 碩士, 高級工程師, 研究方向為高壓電纜狀態檢測; 鄧旭東(1976-), 高級工程師, 從事高壓電纜試驗及局放檢測工作。

      0 引言
      高壓電纜是城市輸電線路的重要組成部分, 與架空線相比具有結構緊湊、 占地少、 電氣-機械性能優異及使用壽命長等優點, 隨著城市化進程的不斷推進, 在城市電網中應用得越來越廣泛。 高壓電纜運行電壓高、 輸送容量大, 且運行過程中故障具有隨機性強、 預測難度大等特點, 一旦電纜發生絕緣擊穿或短路故障就將誘發火災, 擴大故障影響范圍, 損失巨大。 傳統電纜故障查找和處理均在電纜停電或故障狀態下進行, 不能對運行電纜線路中的潛在故障進行檢測和判斷。 近幾年的高壓電纜故障統計表明, 電纜發生絕緣擊穿或短路故障前, 電纜本體會出現局部過熱現象。 為此, 通過監測電纜表面溫度變化情況, 及時掌握電纜運行狀態對于提高電纜線路運行可靠性具有實際工程意義。
      目前, 傳統測溫技術將點式溫度傳感器安裝于重要部位進行測溫, 溫度測量范圍有限, 不能實現整條電纜線路的溫度監測。 基于拉曼(Raman) 散射原理的分布式光纖測溫技術逐漸發展起來, 并在電纜表面溫度監測中得到廣泛應用。 對于光纖測溫, 國內外學者進行了大量研究, 然而過去的研究主要針對光纖測溫原理及分布式光纖測溫系統, 對于城市電纜通道中電纜表面溫度測量實際應用過程中存在的問題及改進措施還需進一步研究。 為此, 本文針對電纜線路運行過程中光纖測溫系統存在的問題, 提出針對性解決措施, 以提高電纜線路運行可靠性, 減少電纜故障。
      1 光纖測溫基本原理
      激光脈沖在光纖中傳播時, 與光纖分子相互作用, 發生瑞利(Rayleigh)散射、 布里淵(Brillouin)散射和拉曼散射等。 其中, 拉曼散射受光纖分子振動頻率的調制, 光纖分子受到熱振動時, 會產生一個比光源波長長的光(斯托克斯 Stokes) 和一個比光源波長短的光( 反斯托克斯 Ant-iStokes)。 由于瑞利散射光強比反斯托克斯光強強, 不利于檢測反斯托克斯光強, 因此通常采用斯托克斯光強與反斯托克斯光強的比值實現沿光纖溫度場的分布測量。 反斯托克斯光強與斯托克斯光強比值與溫度關系為:

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      與傳統溫度檢測技術相比, 分布式光纖測溫系統具有抗電磁干擾能力強、 體積小、 重量輕、 耐化學腐蝕、 靈敏度高及響應速度快等優勢。 分布式測溫不局限于有限測試點的溫度測量, 可實現電纜線路全線的溫度分布測量, 掌握電纜實際運行工況。
      2 光纖測溫技術應用現狀
      光纖測溫基于光纖拉曼散射現象, 根據測溫光纖放置位置的不同, 可分為內置式和外置式。 內置式分為以下兩種。 一種是將測溫光纖置于線芯分割導體的間隙, 可直接測量導體溫度, 同時避免對測溫光纖結構造成損傷。 但此種工藝存在兩個問題: 一是電纜接頭制作過程中, 線芯導體需要進行壓接, 不可避免會對測溫光纖結構造成損傷;二是線芯導體處于高電位, 光纖接出如何保證接頭各部分之間的絕緣強度, 目前還沒有較好的解決辦法。 另一種是將測溫光纖放置于電纜絕緣屏蔽表面, 介于阻水緩沖層與絕緣屏蔽之間。 結合近幾年高壓電纜故障統計, 絕緣屏蔽與鋁護套之間接觸不良形成空氣間隙, 進而引發局部放電, 導致電纜絕緣擊穿是引發高壓電纜故障頻發的重要原因, 目前也未有較好的解決辦法。 上述兩種測溫光纖在工程實際應用中存在較大困難, 目前工程應用案例較少。
      外置式測溫光纖用于測量電纜表面溫度。 電纜在不同負荷狀態下, 線芯導體發熱情況不同, 導體電阻損耗產生的熱量通過絕緣層向外傳遞, 受環境溫度及周圍運行電纜的影響, 電纜表面溫度分布存在差異。 測溫光纖沿電纜全線(本體+接頭)敷設, 其布置方式如圖 1 所示

      t1.png圖1 電纜本體及附件測溫光纖布置

      圖 1(a)中, 高壓電纜敷設主要有“一”字型和“品”字型敷設。 高壓電纜采用“一”字型敷設時, 測溫光纖置于其中一相或三相電纜表面, 與電纜通過尼龍繩或其他絕緣繩進行固定, 從而保證二者表面緊密接觸。 圖 1(b)中, 電纜接頭處測溫光纖通過纏繞的方式將電纜兩端金屬尾管及接頭主絕緣部分進行覆蓋, 保證測溫電纜與接頭表面可靠接觸。
      隨著城市化進程的不斷加快, 城市電纜化率不斷提高, 帶來分布式光纖測溫系統的廣泛使用。 目前, 北京、上海、 江蘇、 廣州及重慶等城市高壓電纜回路數及線路長度位于國內前列。 其中, 北京高壓電纜分布式光纖測溫系統覆蓋率高達 86%, 在光纖測溫系統的使用和維護上具有豐富的運行經驗。
      3 光纖測溫技術現存問題
      3. 1 傳動校驗方法不足
      由于高壓電纜線路較長, 測溫光纖可監測任意區段電纜本體表面溫度的變化情況, 因此測溫光纖作為預防電纜故障的重要技術手段。 一種傳統傳動試驗是將預留的感溫光纖放入熱水中, 由于測溫光纖取樣間隔為 1~2 m, 為保證傳動校驗效果, 通常取 5~6 m 光纖放入熱水中, 保持10~15 min 提高光纖本體溫度, 實現光纖工作狀態的檢測。 結合我國城市地形特點, 平原城市電纜隧道深度較淺, 平均深度介于 5~10 m, 因此在平原城市可廣泛應用該方法。 但西南大部分地區及西北部分地區, 電纜隧道落差大, 隧道平均深度介于 30~50 m, 部分地區落差高達數百米, 且通道內部地勢起伏大、 轉彎多, 傳動校驗開展較困難, 如圖 2 所示。

      t2.png圖2 光纖傳動校驗及高落差電纜隧道


      實際運行過程中, 電纜隧道較長, 電纜線路回數多,多回路測溫光纖傳動校驗過程中存在水溫下降問題。 不同電纜回路測試期間水溫變化如圖 3 所示。 由此可知, 水溫基本呈線性下降, 下降原因在于測試過程密封不嚴, 導致熱量散失, 另一部分熱量用于加熱測溫光纖。 由于通道內電纜回路數較多, 測溫光纖材質及重量存在差異, 因此每次測試的熱量損失及水溫下降程度不盡相同。 同時發現測試第 4 回電纜測溫光纖時, 水溫低于 40 ℃, 與環境溫度差異不大, 不能繼續進行測試, 測試回路有限。 另外, 由于僅在電纜接頭和終端處有預留測溫光纖, 因此傳動試驗點的選擇較為固定、 單一, 難以實現全線測溫光纖的隨機測試, 局限性較大, 可靠性難以保證。

      t3.png另一種傳動試驗通過吹風進行加熱, 但實際運行過程中電纜運行環境濕度大、 積漏水現象較普遍, 且通道內相隔數百米設置一個電源箱, 電源點有限, 電源電壓隨著電源點距離增加, 存在電壓降, 影響設備正常工作。 該方法存在取電困難, 檢測點固定、 單一, 加熱過程中散熱速度快, 不能有效保溫。 測溫光纖不同位置及溫度與風速關系如圖 4 所示

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      由圖 4 可發現, 空氣溫度與空氣流速沿測溫光纖表面呈線性下降趨勢。 空氣溫度沿測溫光纖長度接近 1 m 時溫度下降至 40°C, 溫度下降迅速, 光纖長度達到 2 m 時, 熱空氣溫度與環境溫度保持一致。 測溫光纖取樣間隔為 1~2 m, 光纖首末兩端溫度差異較大, 不利于其工作狀態檢測, 同時加熱過程對電纜外護套絕緣性能存在一定安全隱患。
      3. 2 涂料包覆
      高壓電纜與架空線路相比, 具有占地少、 傳輸容量大及便于運行維護等優勢, 因而在城市電網中得到了廣泛應用。 為保證電纜線路安全穩定運行, 避免不同線路間發生故障后相互影響及電纜發生絕緣擊穿故障后外護套延燃,電纜表面涂刷防火涂料, 厚度約為 0. 5 ~1 mm, 如圖 5所示。

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      圖 5 中, 測溫光纖表面涂刷一層防火涂料, 涂料硬化后, 測溫光纖與電纜本體接觸較緊密。 防火涂料具有一定的隔熱和阻燃性能, 涂料涂覆于測溫光纖表面, 使得電纜表面溫度變化不能及時傳遞給測溫光纖, 存在延遲和滯后。 涂料涂刷厚度與熱量傳熱時間變化規律如圖 6 所示。

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      由圖 6 可發現, 傳熱時間的增長隨涂料厚度的增加可分為兩個階段。 測溫光纖表面涂料厚度介于 0~0. 4 mm 時為第一階段, 傳熱時間較短且增長較緩慢, 電纜表面溫度傳至測溫光纖時間差 Δt = 1 min; 涂料厚度介于 0. 4~1mm 時為第二階段, 傳熱時間較長且增長速度較快, 電纜表面溫度傳至測溫光纖時間差 Δt=4 min。 隨著涂料厚度的進一步增加, 電纜表面溫度傳熱至測溫光纖時間越長,同時會損失熱量, 造成測試溫度偏低或無法檢測, 進一步導致電纜發生故障時不能及時處理。

      3. 3 排管段電纜溫度監測盲區
      目前, 高壓電纜通道主要有隧道、 電纜溝、 排管及直埋等敷設形式。 其中, 隧道、 電纜溝結構尺寸較大, 電纜測溫光纖可全線覆蓋, 實現電纜本體溫度實時監測。 實際上, 高壓電纜敷設路徑通常由兩種或多種通道形式構成,城市地區地下空間資源有限, 大部分地區高壓電纜采取排管敷設。 結合電纜敷設方式, 高壓電纜由牽引設備施加牽引力牽引通過排管, 排管內徑通常為單根電纜外徑或多根電纜包絡外徑的 1. 5 倍, 實際上電纜牽引過程中受牽引力大小、 方向、 排管筆直度及管內雜物的影響, 電纜敷設后排管內部空間急劇縮小, 測溫光纖難以穿過和敷設, 如圖7 所示。

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      由圖 7 可發現, 高壓電纜采用排管敷設時, 部分區域與排管內壁接觸, 難以進行光纖敷設, 同時測溫光纖與電纜表面未能進行有效接觸, 難以監測表面溫度, 從而形成排管段電纜表面溫度監測盲區。
      4 改進措施及發展趨勢
      4. 1 傳動校驗改進措施
      受到電纜隧道地勢特征、 電纜運行環境及加熱裝置取電等問題的限制, 電纜隧道內測溫光纖的傳動校驗開展難度較大。 結合電纜實際運行工況, 高壓電纜三相中間接頭呈相互錯開方式布置, 如圖 8 所示。

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      由圖 8 可發現, 高壓電纜三相接頭布置位置錯開, 接頭處三相測溫光纖無法同時進行傳動校驗, 需逐相進行,測試效率和試驗可靠性進一步降低; 同時, 受到電纜通道寬度、 電纜支架層間距離及防火隔板的影響, 測溫光纖傳動校驗空間進一步壓縮。 高壓電纜測溫光纖傳統裝置改進措施如下。
      (1)便攜式電加熱裝置代替傳統校驗方法, 續航時間長, 攜帶方便, 適用于電纜隧道等特殊使用環境。
      (2)電纜通道由多種形式構筑物構成, 且通道經過路徑及埋設深度不同, 不同電纜區段環境溫度不同, 因此加熱裝置具有恒溫及保溫作用, 以適應不同的測試環境。
      (3)加熱裝置可對隧道內任意區段內電纜本體處測溫光纖進行校驗, 可同時進行三相測溫光纖校驗, 提升測試效率。

      4. 2 涂料包覆改進措施
      涂刷過程中, 在涂料自身重力影響下, 測溫光纖表面涂料厚度不同, 進一步加劇了傳熱過程的延后。 涂料包覆影響傳熱的改進措施如下。
      (1)涂刷電纜防火涂料時將測溫光纖予以防護, 待涂料硬化后去除防護層, 確保電纜表面溫度準確測量。
      (2)電纜防火涂料硬化后進行測溫光纖敷設, 消除其對測溫光纖的檢測影響。
      4. 3 排管段電纜溫度監測盲區改進措施
      電纜敷設過程中電纜本體及排管筆直度難以保證, 加之排管內殘留異物, 導致電纜測溫光纖難以穿過, 形成電纜測溫盲區。 其改進措施為測溫光纖沿電纜本體一同敷設, 通過電纜排管段前做好測溫光纖的防護措施, 防止敷設過程損傷光纖
      5 結語
      國內外對分布式光纖測溫系統研究開展較早, 分布式光纖測溫技術已較成熟, 目前在國內一線城市電纜隧道內覆蓋率較高, 應用范圍廣。 但城市電纜通道內光纖測溫系統的運行維護普遍存在傳動試驗方法不足、 涂料包覆影響傳熱及排管段監測盲區等問題。 通過改進傳動校驗設備、敷設順序及采取保護手段等方法, 可提高分布式光纖測溫系統工作可靠性和電纜線路運行可靠性。

      參考文獻
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