利用光纖測溫系統提高電纜線路運行能力的實踐

周忠義，陳維加

(1.北京興迪儀器有限責任公司，北京100085;2.福建晉江電力有限責任公司，福建晉江362200)

0 引言

隨著電力科技的進步與發展，高壓和超高壓電力電纜在電力系統中的應用越來越廣泛。如何在不改變現有的工程條件下提高電纜的載流量，從而提高電力輸送容量，成為電力工程人員急需解決的問題。近年來，以監測高壓和超高壓電力電纜運行溫度為主的在線監測系統不斷地發展起來，進而發展成為對電力電纜的剩余負荷能力進行在線連續監測，從而為電力系統調度人員提供關于電纜可利用負載能力的信息，幫助系統調度人員更合理地分配電纜運行負荷，提高電纜線路的運行能力。或者在系統某個局部出現緊急狀況時，可以根據系統的拓撲結構和電纜的實際可利用帶負載能力，對系統進行快速重新組合，利用剩余負載能力大的電纜在短時間內提供對故障線路的負載支援，以便使系統能夠盡快進入緊急運行狀態，保證不間斷供電。

以下論述的實例是采用分布式光纖測溫系統測量電力電纜外護套的溫度;通過設計電纜載流量的模型，計算出電纜導體的溫度和電纜載流量的相關信息;通過分析計算，在確保電纜的安全可靠運行的基礎上，提高線路的最大額定載流量。

1 電纜線路運行情況

福建晉江電力有限責任公司所屬110 kV雙回路電纜線路羅溝線和清晉II回，回路長度2.17 km。兩回110 kV電纜均沿同路徑敷設，電纜敷設方式主要是排管、工井、隧道三種方式，另有部分10 kV電纜線路沿同路徑敷設。

本電纜線路的一端為溝頭變電站，另一端為羅溝線54#(清晉II回21#)架空線鐵塔。從溝頭變至電纜排管有75 m長的隧道;在架空線的一端也有110 m長的隧道。線路的中間部分約1985 m為排管和工井;線路全程共有電纜工井39個，其中接頭井4個。

原設計電纜線路的最大允許載流量為410 A，架空線的最大載流量為494 A，整個線路的運行電流控制在410 A。晉江電力有限責任公司根據市場用電需求，欲將線路的載流量提高至494 A，需對電纜線路的運行狀況進行監測和評估。

2 光纖測溫及載流量分析系統

在羅溝線和清晉II回兩路110 kV電纜上安裝了“分布式光纖電纜溫度監測與實時載流量分析系統CTM 4000”。該項目從2007年10月底開始施工，至2007年12月完成測溫光纜的敷設及測溫主機的安裝調試;2007年12月至2008年4月完成與溝頭變綜自系統接口軟件的開發、調試以及載流量分析軟件的安裝調試和載流量軟件計算結果的實驗和驗證。

本系統的測溫主機安裝在溝頭變，感溫光纜采用外敷設方式，即沿每相電纜線路敷設1根用于測量環境溫度的感溫光纜。感溫光纜為62.5/125 μm多模光纖，光纜外護套為高性能的低煙無鹵阻燃熱塑型材料。感溫光纜具有優良的熱傳導特性、機械性能、防水性能及抗腐蝕特性。感溫光纜在電纜運行狀態下施工，穿管內的光纜不進行綁扎，穿管以外的光纜以綁扎方式固定。感溫光纜綁扎固定方式為可拆卸式，固定間距為0.5 m;感溫光纜安裝在電纜側面，保證感溫光纜與電纜外護套緊密接觸。感溫光纜采用雙環形纏繞方式固定在電纜中間接頭處，保證測溫光纜與電纜中間接頭緊密接觸，雙環形纏繞光纜展開長度為5～10 m。在電纜終端及每個工井處的感溫光纜上都掛設標牌，標識感溫光纜起止點變電站站名、感溫光纜距起點長度等信息。

2.1 實時載流量分析系統

本系統所安裝的基于光纖測溫的載流量分析系統基本原理如下:

電纜的載流量是由電纜導體的最高允許溫度決定的，而導體的溫升則由電纜各層材料的發熱、散熱條件及周圍環境的狀態(土壤條件、空氣流動狀況、環境溫度等等)決定。

電纜額定載流量的計算采用IEC 60287系列標準中規定的電纜額定載流量(100%負荷系統)計算方法。在此標準中，與電纜結構材料有關的參數(例如絕緣、護套材料的熱阻系數等)給出了代表性數值。由于環境條件取決于電纜敷設現場的條件和狀況，其可能變化的范圍較大，所以在標準中對與環境條件有關的參數及制造廠與用戶之間需協商的參數等的取值未作規定。

導體溫升可用下式計算:

式中，Δθ為導體溫升(K);I為單根導體中流過的電流(A);R為最高工作溫度下導體單位長度的交流電阻(Ω/m);Wd為導體絕緣單位長度的介質損耗(W/m);T1為一根導體與金屬套之間單位長度熱阻(K·m/W);T2為金屬套與鎧裝之間內襯層單位長度熱阻(K·m/W);T3為電纜外護套單位長度熱阻(K·m/W);T4為電纜表面和周圍介質之間單位長度熱阻(K·m/W)，簡稱環境熱阻;n為電纜(等截面并有相同負荷的導體)中載有負荷的導體數;λ1為電纜金屬套損耗相對于所有導體總損耗的比率;λ2為電纜鎧裝損耗相對于所有導體總損耗的比率。由上式變換可得載流量計算公式:

根據本工程所采用的電纜為單芯電纜，則n=1;無金屬鎧裝層，則 T2=0，λ2=0。

電纜的最高工作溫度為90℃，則Δθ=90－Te，其中Te為電纜周圍的環境溫度。

因此，式(1)可以進行相應的簡化為:

根據上述熱力學方程，可得:

式中，Ts為電纜表面溫度;Te為電纜周圍的環境溫度。式(2)和式(3)中與電纜結構相關的參數T1、T2、T3、λ1、Wd和 R 等均可通過電纜參數準確計算，Ts、Te可以通過分布式光纖測溫系統實時準確測量，實時電流參數I可以從變電站系統中取得。這樣有了Ts、Te的測量參數以及電流參數I，使得非常復雜的外部熱阻計算、載流量計算變得簡單和更貼近實際。

實時載流量分析系統，就是根據電纜運行狀態下的Ts、Te和I實時測量參數，通過計算預測電纜線路在現在狀態下的最大載流量。

2.2 電纜的結構參數(見表1)

3 載流量計算軟件的實驗和驗證

3.1 載流量計算軟件項目的驗證

驗證包括以下三方面:(1)測量電纜表面溫度結果的驗證;(2)計算導體溫度的驗證;(3)載流量計算結果的驗證。

3.2 驗證試驗方法簡介

表1 電纜的結構參數

(1)系統測溫結果的驗證。系統測溫結果可直接用比對方法進行驗證。在電纜測溫系統運行時，用傳統的測溫方法測量光纖所敷設位置的溫度，并與測溫系統所測的溫度進行比對。

(2)導體計算溫度的驗證。導體計算溫度驗證的關鍵是所采用的計算方法是否適用，軟件編寫有無問題。由于在采用的計算方法中，不涉及外界因素的影響，因此在進行驗證時只需在實驗室進行即可。

根據光纖測溫特性要求，驗證時電纜長度要求較長(大于10 m)，否則易受接頭溫度的影響而產生誤差。

驗證方法如下:在不同的電流下，用熱電偶檢測導體溫度;用光纖測溫系統測量電纜表面的溫度并計算導體溫度，將導體的實測溫度與光纖測溫系統計算出的導體溫度進行對比。

(3)載流量計算結果的驗證。載流量計算結果的驗證可用如下方法:

①在實驗室中對電纜載流量進行檢測，得到的實驗結果與同等條件下軟件計算結果進行比較;

②在實際運行過程中，對電纜施加軟件計算的載流量電流，通過對電纜表面溫度的測量，計算到導體溫度應為90℃。

本項目的驗證試驗接線圖如圖1所示。

圖1 載流量計算結果驗證試驗接線圖

3.3 載流量試驗驗證結果

(1)清晉線II回電纜(YJQ03 1×800)試驗。單根電纜在自由空氣中敷設，環境溫度為16.7℃，計算穩態載流量1 820 A(導體允許溫度為90℃)，實際測量結果與系統計算的比較見表2。

表2 YJQ03電纜的單芯載流量預測比對的相關數據

(2)羅溝線電纜(YJLW03 1×800)試驗。單根電纜在自由空氣敷設，環境溫度:17.3℃，計算穩態載流量1 500 A(導體允許溫度為90℃)。實際測量結果與系統計算的比較見表3。

表3 YJLW03電纜的單芯載流量預測比對的相關數據

(3)由上述武高院的試驗結果可以看出:鉛護套電纜(YJQ03)的載流能力明顯優于鋁護套電纜(YJLW03)，因此我們只需分析羅溝線的YJLW03電纜載流量即可。

(4)CTM4000系統的導體溫度計算軟件，是在針對YJQ03和YJLW03電纜建立的數學模型的基礎上，進行恒定電流的穩態溫度計算，其計算值與熱電偶直接測量值在90℃以下范圍內最大偏差不超過±2℃。

(5)試驗電纜在自由空氣的敷設條件下，CTM4000系統的載流量計算軟件，是在針對YJQ03和YJLW03電纜建立的數學模型基礎上，計算出導體溫度90℃時的單芯穩態載流量，在該電流下，實測導體穩態運行溫度與目標90℃之差小于±2℃。

(6)通過上述驗證試驗，我們對計算軟件中電纜結構參數和性能參數進行了驗證和標定，同樣可以準確地驗證其它敷設條件下的電纜導體溫度和載流量。

4 在實際使用環境下的載流量計算和分析

(1)線路載流量瓶頸點及載流量的確定。根據光纖測溫系統CTM4000隨機采集到的穩態電流:A相為371 A，B相為376 A，C相為371 A情況下的測溫曲線分析，羅溝線A、B、C三相電纜的最高表面溫度和最高導體溫度出現在距離羅溝變電站380 m～400 m的排管敷設處。因此，該處可以被確定為羅溝線載流量的瓶頸點。

按照此時的電纜環境狀態，計算電纜最大額定載流量分別為:A相718 A;B相704 A;C相718 A。故按B相的最小值，確定額定載流量為704 A。

此時土壤的環境溫度為20℃，計算電纜表面溫度為81.8℃(B相)，計算的電纜導體溫度為90℃(B相)。

(2)載流量(B相)計算的依據。由式(3)可以對電纜環境熱阻進行計算:

式中，Ts為電纜在穩態電流為376 A時測得的表面溫度40.9℃;Te為電纜周圍土壤的環境溫度20℃;I為穩態電流376 A;R為最高工作溫度下導體交流電阻。

電纜(B相)其他參數可以根據相關公式計算獲得:R=2.87 ×10－5Ω/m;Wd=1.57 W/m;λ1=0.106 8;T1=0.523 K·m/W;T3=0.87 K·m/W，這些參數均經過武高所的試驗驗證。最后，將有關參數代入上式并計算得到環境溫度20℃時的環境熱阻T4=3.49 k·m/W。

(3)不同環境溫度下和不同運行電流下載流量的計算

當環境溫度變化時，利用上述的電纜熱阻和損耗參數，以及Ts、Te和I實時測量參數，進行環境熱阻和載流量的計算。

5 結論

沿羅溝線、清晉線II回110 kV電纜線路敷設測溫光纖光纜，搭建光纖測溫系統，可以進行安全運行溫度下(電纜導體溫度為90℃)的電纜表面溫度測試和計算，通過積累和分析記錄數據，確定電纜線路運行瓶頸;通過數學模型分析計算電纜的導體溫度、電纜運行狀態下的實時額定載流量，以及電纜表面溫度、電纜導體溫度和電纜最大載流量之間變化的關系，可以有效利用電纜設計允許載流量達到經濟運行目的。

通過武高所和現場的實驗和運行數據分析，可得出以下結論:

(1)由于電纜的結構不同，清晉線II回的載流能力在相同的敷設條件下要優于羅溝線;

(2)羅溝線的載流量瓶頸點為距離羅溝變電站380～400 m處的排管處;

(3)羅溝線在土壤溫度為20℃時的長期額定最大載流量為704 A;

(4)基于分布式光線測溫的實時載流量分析系統，可以實時預測電纜線路安全運行的最大載流量，在一定范圍內提高電纜的設計運行能力。

(5)在光纖測溫系統及載流量軟件的指導下，清晉線II回和羅溝線最大運行電流可以提高到494 A。

［1］IEC 60287-1-1:2006 Electric cables—Calculation of the current rating-Part 1-1:Current rating equations(100%load factor)and calculation of losses-General［S］.

［2］IEC 60287-1-3:2002 Electric cables—Calculation of the current rating-Part 1-3:Current rating equations(100%load factor)and calculation of losses:Current sharing between parallel single-core cables and calculation of circulating current［S］.

［3］李志堅，李 寧，郝文霞，等.天津某220 kV電纜線路載流量研究［J］.高電壓技術，2008，34(增刊2):59-61.

［4］王 立，李華春，薛 強，等.220 kV電纜分布式光纖測溫系統運行情況分析［J］.電力設備，2007，8(6):36-41.