淺議在配網(wǎng)自動(dòng)化改造中的電纜接頭溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及選取

華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 鐘恒強(qiáng)

0 引言

2009年年8月，國(guó)家電網(wǎng)公司把北京、廈門、杭州、銀川列為了第一批配電自動(dòng)化試點(diǎn)建設(shè)城市。作為實(shí)施方，試點(diǎn)城市均制定了配電自動(dòng)化建設(shè)的總體方案并且在迅速、有序的推進(jìn)建設(shè)。以杭州市電力局為例，配電自動(dòng)化改造采取一次網(wǎng)架改造、配電設(shè)備改造、配電自動(dòng)化主站建設(shè)與改造、配電自動(dòng)化終端建設(shè)與改造的方式進(jìn)行。杭州市目前試點(diǎn)范圍內(nèi)所安裝的中壓配電設(shè)備基本使用空氣絕緣SF6環(huán)網(wǎng)柜及氣體絕緣SF6環(huán)網(wǎng)柜，且中壓網(wǎng)架結(jié)構(gòu)主要以電纜供電為主，少量架空線路為輔，因此如何結(jié)合配電自動(dòng)化改造在事前準(zhǔn)確預(yù)判電纜接頭故障和事后準(zhǔn)確查找電纜故障成為杭州市電力局在配電自動(dòng)化中實(shí)施關(guān)注的一個(gè)課題。

實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和理論分析表明，電纜接頭處發(fā)生的各類故障并不是一個(gè)突發(fā)的過(guò)程，而是因?yàn)榻宇^處溫度不斷升高，使絕緣逐步老化、泄漏電流逐漸增加，到達(dá)一定程度后再發(fā)生擊穿，是一個(gè)由量變到質(zhì)變的過(guò)程。因此，連續(xù)地監(jiān)視電纜接頭溫度的變化，就可以全面準(zhǔn)確地了解其工作狀況，根據(jù)情況適時(shí)進(jìn)行停電檢修。特別是當(dāng)發(fā)現(xiàn)某個(gè)接頭處的溫度過(guò)高(超過(guò)一個(gè)預(yù)先設(shè)定的值)或變化過(guò)快時(shí)，說(shuō)明此處的絕緣已比較薄弱，繼續(xù)運(yùn)行很可能會(huì)引發(fā)嚴(yán)重故障。此時(shí)及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，使值班人員及時(shí)處理，可以有效地避免嚴(yán)重故障的發(fā)生，確保電力系統(tǒng)安全、可靠地工作。對(duì)于未經(jīng)過(guò)自動(dòng)化改造采用地下直埋電纜敷設(shè)方式的城市供配電網(wǎng)，由于電網(wǎng)分布廣、距離長(zhǎng)，監(jiān)測(cè)裝置安裝現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法提供電源，使得現(xiàn)場(chǎng)裝置不能與中控室的上位機(jī)系統(tǒng)建立通信通道，也就無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜接頭運(yùn)行狀態(tài)或故障的遠(yuǎn)方監(jiān)測(cè)。目前經(jīng)過(guò)自動(dòng)化改造后，如何設(shè)計(jì)和選取適合于自動(dòng)化供配電網(wǎng)的電力電纜接頭溫度在線監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)，是本文主要討論的課題。

1 溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體架構(gòu)的設(shè)計(jì)

配電自動(dòng)化通常由安裝于城網(wǎng)調(diào)度中心的主計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱主站)、安裝于配電變電站的變電站遠(yuǎn)程工作站(簡(jiǎn)稱遠(yuǎn)程站)、安裝于線路上的自動(dòng)開(kāi)關(guān)、控制自動(dòng)開(kāi)關(guān)及臺(tái)變附近的控制終端(子站)及安裝于各用戶上的負(fù)荷控制終端幾個(gè)部分組成。對(duì)于電纜接頭溫度在線監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)，參照配電自動(dòng)化的架構(gòu)設(shè)計(jì)，采用主站、終端(子站)二層結(jié)構(gòu),功能的實(shí)現(xiàn)應(yīng)該主要由主站、裝設(shè)在戶內(nèi)開(kāi)關(guān)站或戶外開(kāi)關(guān)站的子站以及裝在環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)的電纜頭溫度測(cè)量裝置和連接這些設(shè)備的信號(hào)傳輸通道構(gòu)成。整體系統(tǒng)示意圖見(jiàn)圖1

2 電纜頭溫度監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的構(gòu)建

電纜接頭溫度在線檢測(cè)子系統(tǒng),主要是針對(duì)環(huán)網(wǎng)柜、開(kāi)關(guān)柜中電纜接頭因絕緣老化或接觸不良等故障的早期預(yù)警而設(shè)計(jì)。單臺(tái)環(huán)網(wǎng)柜電纜頭的監(jiān)測(cè)主要由溫度傳感器、數(shù)據(jù)接收單元，傳輸通道組成。以圖2為例，溫度傳感器將數(shù)據(jù)傳至數(shù)據(jù)接收單元，數(shù)據(jù)接收單元負(fù)責(zé)接收及上傳在其接收范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)。電纜頭溫度監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡(luò)見(jiàn)圖3。

3 纜頭溫度傳感器的選擇

溫度敏感元件法測(cè)量是一種用的較多并且技術(shù)已經(jīng)十分成熟的方法，非常適合分布式點(diǎn)測(cè)量和精度要求較高的情況，城區(qū)電纜接頭的溫度監(jiān)測(cè)就屬于分布式點(diǎn)測(cè)量，所以需要選擇一種比較適合的溫度敏感元件即溫度傳感器對(duì)接頭溫度進(jìn)行測(cè)量。目前數(shù)字溫度傳感器測(cè)溫（信號(hào)無(wú)線傳輸）和光纖光柵傳感器測(cè)溫（信號(hào)光纖傳輸）為代表的接觸式測(cè)量方法為主流測(cè)量方法，在國(guó)內(nèi)的期刊文章中，對(duì)兩種測(cè)量方法的原理也多有比較，在此不再加以贅述。兩種測(cè)量方法的簡(jiǎn)單示意見(jiàn)圖4及圖5。

前者的信號(hào)傳輸通道為無(wú)線傳輸，傳感器和數(shù)據(jù)接收器間無(wú)介質(zhì)聯(lián)系，為獨(dú)立安裝和維護(hù)。后者的信號(hào)傳輸通道為光纖，接收單元與光纖光柵采用光纖連接。一種測(cè)溫方法能否適應(yīng)電力系統(tǒng)高壓設(shè)備的溫度測(cè)量的實(shí)際要求，以及適用于何種場(chǎng)合，可以從測(cè)溫精度及穩(wěn)定度、安裝及維護(hù)難易程度和對(duì)一次設(shè)備運(yùn)行的影響程度等三個(gè)方面來(lái)分析。

3.1 測(cè)溫精度及穩(wěn)定度分析

作為高壓帶電設(shè)備的測(cè)溫設(shè)備，兩種方法都能滿足電力系統(tǒng)測(cè)溫精度（±1℃）的實(shí)際要求，主要從長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性考慮。

(1)光纖光柵測(cè)溫子系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只有光纖光柵溫度傳感器和接收單元兩大主要部分組成，無(wú)中間環(huán)節(jié)，而測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)為全光測(cè)量，完全不受強(qiáng)電場(chǎng)和強(qiáng)磁場(chǎng)的干擾，能夠保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

(2)數(shù)字溫度傳感器測(cè)溫子系統(tǒng)采用等電位溫度傳感器，內(nèi)置CPU和射頻模塊，探頭與電氣接點(diǎn)采用等電位技術(shù)，能夠保護(hù)內(nèi)部電路，使得該系統(tǒng)適用于任何電壓等級(jí)的配電裝置上，溫度傳感器通過(guò)2.4G高頻通訊上傳數(shù)據(jù)，與接收單元間沒(méi)有導(dǎo)線連接，對(duì)供電系統(tǒng)無(wú)任何干擾；

3.2 裝及維護(hù)方便性分析

（1）光纖光柵測(cè)溫子系統(tǒng)

在環(huán)網(wǎng)柜中安裝時(shí)，每面開(kāi)關(guān)柜在3個(gè)電纜接頭上分別安裝一只光纖光柵溫度傳感器，光纖光柵溫度傳感器采用專用的航空膠粘接固定，能經(jīng)受長(zhǎng)期的開(kāi)關(guān)柜分合動(dòng)作及一年污水浸泡測(cè)試。3只傳感器之間引到低壓室內(nèi)光分路器按照星形方式并接在一根光纖上，然后引出與傳輸主光纜進(jìn)行匯接。這樣做的目的首先是開(kāi)關(guān)柜檢修時(shí)不必拆裝光纖光柵溫度傳感器，其次是使開(kāi)關(guān)柜內(nèi)光纖傳輸線路非常整潔、美觀，沒(méi)有光纖迂回纏繞，不會(huì)出現(xiàn)污閃，安裝快速。

在今后維護(hù)方面，光纖光柵傳感器是無(wú)源傳感器，通過(guò)光信號(hào)進(jìn)行溫度測(cè)量和信號(hào)傳輸，無(wú)需供電，也不存在更換電池等維護(hù)問(wèn)題。即使在特殊情況下，需要更換傳感器和光纖，也能夠方便更換。

（2）數(shù)字溫度傳感器測(cè)溫子系統(tǒng)

數(shù)字溫度傳感器底面是感溫面，傳感器測(cè)到的溫度就是該感溫面的溫度，若溫度傳感器放置在空氣中，則測(cè)到的就是環(huán)境溫度。為了準(zhǔn)確測(cè)量物體表面的溫度，需要保證傳感器的感溫面與被測(cè)物體的表面緊密接觸，并用物理的方式將其固定在被測(cè)物體上。在電纜頭測(cè)溫時(shí)，使用金屬扎帶將溫度傳感器捆綁在測(cè)溫線纜上。

數(shù)字溫度傳感器和數(shù)據(jù)接收器間無(wú)介質(zhì)聯(lián)系，可獨(dú)立安裝和維護(hù)。目前已開(kāi)發(fā)的無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)是按分布化設(shè)計(jì)的，測(cè)溫設(shè)備與數(shù)據(jù)接收可以任意組合單個(gè)傳感器的故障不影響整體，用戶可在停電時(shí)自行更換。數(shù)字溫度傳感器發(fā)送信號(hào)需要提供電源，目前一般采用鋰電池供電，雖然電池理論可以可持續(xù)工作10年以上，但始終存在更換與維護(hù)問(wèn)題。且由于監(jiān)測(cè)裝置安裝在高電壓現(xiàn)場(chǎng)，為滿足電氣隔離的安全要求，系統(tǒng)的工作電源不能由二次電源經(jīng)降壓、整流、濾波后提供，不能用導(dǎo)線直接從低壓側(cè)供給，電源供給成為制約這類監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵。

3.3 一次設(shè)備運(yùn)行的影響程度

對(duì)一次設(shè)備運(yùn)行安全的影響是指測(cè)溫器安裝后對(duì)一次系統(tǒng)絕緣的影響：

（1）光纖光柵測(cè)溫子系統(tǒng)

光纖光柵測(cè)溫在用于高壓帶電設(shè)備的測(cè)溫時(shí)，安裝于高壓電纜室內(nèi)的光柵測(cè)溫傳感器至低壓部分的數(shù)據(jù)接收單元間需作光纖連接線。盡管光纖耐壓水平較高，但其套管的耐壓水平與制造廠家生產(chǎn)的質(zhì)量有關(guān)，以往使用運(yùn)行單位擔(dān)心暴露在空氣中的光纖套管在長(zhǎng)期運(yùn)行中會(huì)受到空氣中的灰塵和酸霧的污染，導(dǎo)致絕緣水平減低后會(huì)增加一次側(cè)發(fā)生事故的概率。因此對(duì)光纖光柵測(cè)溫是否能應(yīng)用于中壓配電柜內(nèi)及戶外高壓配電裝置如高壓隔離開(kāi)關(guān)觸頭、中置式開(kāi)關(guān)柜母線、靜觸頭等間依靠空氣的裸露帶電測(cè)溫點(diǎn)還存在爭(zhēng)議。

而在用于電纜室內(nèi)電纜終端頭或電纜溝電纜中間接頭位置處時(shí)，測(cè)溫位置在電纜附件的外絕緣層，光纖連接線與一次電纜接頭裸露導(dǎo)電部分沒(méi)有纏繞和接觸。因此光纖光柵溫度傳感器在測(cè)量電纜接頭不會(huì)降低高壓開(kāi)關(guān)柜自身的絕緣安全等級(jí)，不會(huì)引入安全隱患。

（2）數(shù)字溫度傳感器測(cè)溫子系統(tǒng)

數(shù)字溫度傳感器和數(shù)據(jù)接收器之間無(wú)介質(zhì)聯(lián)系，原理上對(duì)一次系統(tǒng)的安全無(wú)影響。數(shù)字溫度傳感器為等電位溫度傳感器，內(nèi)置CPU和射頻模塊，探頭與電氣接點(diǎn)采用等電位技術(shù)，能很好的保護(hù)內(nèi)部電路，因此只要數(shù)字溫度傳感器的相間安裝距離滿足相應(yīng)的絕緣距離，就能適用于相應(yīng)電壓等級(jí)的配電裝置上。

因此對(duì)測(cè)溫子系統(tǒng)選擇時(shí)言，當(dāng)在應(yīng)用場(chǎng)合為電纜頭測(cè)溫時(shí)，光纖光柵測(cè)溫子系統(tǒng)一方面不存在更換電池等維護(hù)問(wèn)題，另一方面?zhèn)鞲衅靼惭b更方便，更適用于電纜頭測(cè)溫。

4 通訊

在戶內(nèi)或戶外開(kāi)關(guān)站中，環(huán)網(wǎng)柜的數(shù)量一般在10臺(tái)以上，根據(jù)圖3的示意，各臺(tái)環(huán)網(wǎng)柜的溫度數(shù)據(jù)統(tǒng)一傳遞到數(shù)據(jù)匯集器后，由匯集器進(jìn)行信息接收和上傳。數(shù)據(jù)匯集器應(yīng)該至少有以下功能：

（1）接收各數(shù)據(jù)接收單元提供的溫度信息，存儲(chǔ)起來(lái)供DTU讀取；

（2）當(dāng)接收到任一數(shù)據(jù)接收單元上傳來(lái)溫度報(bào)警信息后，立刻將通往DTU的繼電器干接點(diǎn)由常開(kāi)變換到常閉狀態(tài)；

（3）接收到DTU的查詢指令后，將存儲(chǔ)的故障信息上傳給DTU；

匯集器具有遠(yuǎn)程通信接口和本地通信接口及繼電器干接點(diǎn)，通過(guò)這兩個(gè)接口和繼電器干接點(diǎn)，匯集器接收本地安裝的溫度信息和報(bào)警接點(diǎn)遠(yuǎn)傳到站所終端（DTU）上。通信接口同時(shí)起到給匯集器供電的功能。

站所終端（DTU）即采用原開(kāi)關(guān)站內(nèi)設(shè)置的DTU，不需要另外設(shè)置，但需要根據(jù)溫度采集的需要預(yù)留通信接口和繼電器接口。以典型的功能實(shí)現(xiàn)為例，如擴(kuò)展溫度采集功能，則采集的開(kāi)關(guān)柜信號(hào)有環(huán)網(wǎng)柜三遙量和溫度報(bào)警信號(hào)采集，實(shí)時(shí)溫度的信號(hào)采集。

5 待解決問(wèn)題

對(duì)于電纜接頭溫度的監(jiān)測(cè)，主要通過(guò)測(cè)量電纜接頭表面溫度反應(yīng)線芯溫度。在以往國(guó)內(nèi)文章的分析中可知，電力電纜及其終端的表面溫度與內(nèi)部線芯溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系取決于電纜及其終端的結(jié)構(gòu)、材料參數(shù)和負(fù)載電流等。在不同的負(fù)載電流,電纜接頭的表面溫度與線芯溫度呈線性正增長(zhǎng)關(guān)系，因此需要在給出具體的電纜接頭結(jié)構(gòu)和參數(shù)等數(shù)據(jù)的情況下，利用表面溫度與線芯溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系,通過(guò)軟件的程序設(shè)置，在工程中才可有效通過(guò)測(cè)量接頭外表溫度反映接頭內(nèi)部線芯溫度。

因此，如果對(duì)以上方案進(jìn)行試用，有兩種方式來(lái)判斷電纜是否存在問(wèn)題

5.1 方案一

在后臺(tái)設(shè)置電力開(kāi)關(guān)柜光纖在線測(cè)溫系統(tǒng)軟件，自動(dòng)對(duì)光纖光柵溫度傳感器所在區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度監(jiān)控。為了能實(shí)現(xiàn)配電自動(dòng)化的統(tǒng)一監(jiān)控，需在配網(wǎng)主站系統(tǒng)與在線測(cè)溫系統(tǒng)之間設(shè)立程序接口，在兩者之間進(jìn)行數(shù)據(jù)和模型的轉(zhuǎn)換，并對(duì)相關(guān)信息進(jìn)行過(guò)濾，使在線測(cè)溫系統(tǒng)承擔(dān)起數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站的角色，在線測(cè)溫系統(tǒng)的報(bào)警命令傳遞到配網(wǎng)主站，通過(guò)配網(wǎng)主站實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)站進(jìn)出線開(kāi)關(guān)的遙控功能。

5.2 方案二

采用“差分比較法”來(lái)判斷電纜溫度是否越限。即通過(guò)判斷同回路三相探頭溫度的相對(duì)變化,當(dāng)相對(duì)變化超過(guò)一定值后,則認(rèn)為電纜接頭出現(xiàn)溫度過(guò)高情況,立即啟動(dòng)告警過(guò)程,將該信息發(fā)送到數(shù)據(jù)匯集器及DTU。通過(guò)該方案解決了因電纜表皮溫度軟件轉(zhuǎn)化，線路負(fù)荷不同、季節(jié)溫度不同(冬、夏)所造成的溫度告警限值的不同,避免了系統(tǒng)的“故障誤報(bào)”。

6 結(jié)論

建議在配電自動(dòng)化改造試點(diǎn)中，電纜頭溫度監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)選取光纖光柵測(cè)溫子系統(tǒng)，采用“差分比較法”來(lái)判斷電纜溫度是否越限，預(yù)留后臺(tái)測(cè)溫軟件實(shí)時(shí)測(cè)溫?cái)U(kuò)展功能，DTU設(shè)備利用配網(wǎng)自動(dòng)化改造本身本身的設(shè)備。該方案從理論上投入較小，實(shí)用性強(qiáng)，具備試用的價(jià)值。

希望通過(guò)對(duì)該技術(shù)的研究和系統(tǒng)的投入使用,能夠節(jié)省維護(hù)成本,提高事故預(yù)防能力,提高事故響應(yīng)速度,從而提高整個(gè)配網(wǎng)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行水平,提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

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