應(yīng)用光纖傳感技術(shù)的高壓電纜護(hù)層絕緣監(jiān)測系統(tǒng)

丁薇霞

（上海電纜研究所，上海200093）

應(yīng)用光纖傳感技術(shù)的高壓電纜護(hù)層絕緣監(jiān)測系統(tǒng)

丁薇霞

（上海電纜研究所，上海200093）

高壓電纜護(hù)層絕緣監(jiān)測系統(tǒng)利用光纖光柵傳感技術(shù)，運用光纖光柵電流傳感器實時監(jiān)測運行電纜的接地電流、運行電流。通過對測試必要性及測試原理的分析，詳細(xì)介紹了測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、性能及優(yōu)勢。經(jīng)工程應(yīng)用表明，該系統(tǒng)能滿足實際應(yīng)用的需要。

護(hù)層絕緣；監(jiān)測系統(tǒng)；光纖光柵；電流傳感器

0 引 言

35 kV以上電壓等級的高壓干式電纜，大多數(shù)采用單芯結(jié)構(gòu)。單芯電纜的線芯與金屬護(hù)套的關(guān)系，可看作一個空心變壓器。當(dāng)單芯電纜線芯通過交流電流時就會有磁力線交鏈金屬護(hù)套，使兩端出現(xiàn)感應(yīng)電壓。感應(yīng)電壓的大小與電纜線路的長度及流過導(dǎo)體的電流成正比，電纜很長時，護(hù)套上的感應(yīng)電壓疊加起來可達(dá)到危及人身安全的程度，因此高壓電纜需采用合適的接地措施，使感應(yīng)電壓處于安全電壓范圍內(nèi)［1］。

通常短線路單芯電纜的金屬護(hù)層采用一端直接接地和另一端經(jīng)間隙或保護(hù)電阻接地的方式；長線路單芯電纜金屬護(hù)層則采用三相分段交叉互聯(lián)兩端接地的方式。不論采用哪種接地方式，良好的護(hù)層絕緣都是必要的。當(dāng)護(hù)層絕緣發(fā)生損傷時：

（1）金屬護(hù)套上會形成很高的感應(yīng)電壓，電壓過高時甚至可能擊穿護(hù)套絕緣，并在擊穿點持續(xù)放電，造成電纜外護(hù)套溫度升高甚至著火燃燒。

（2）護(hù)套絕緣的損傷將使金屬護(hù)套多點接地，從而產(chǎn)生護(hù)套循環(huán)電流，增加護(hù)套損耗，影響電纜載流能力，嚴(yán)重時甚至?xí)闺娎|發(fā)熱而燒毀。

（3）護(hù)層絕緣的損傷導(dǎo)致水分易侵入，主絕緣水樹老化的概率增加，對電纜壽命產(chǎn)生嚴(yán)重影響。且主絕緣在金屬護(hù)層被腐蝕處電場集中，易產(chǎn)生局部放電和引發(fā)電樹枝，對電纜運行安全造成威脅［2］。

因此高壓電纜護(hù)層絕緣監(jiān)測是電力電纜最重要的監(jiān)測內(nèi)容之一。

1 現(xiàn)有護(hù)層絕緣檢測方法

傳統(tǒng)的檢測手段主要是通過停電測量護(hù)層絕緣電阻或帶電用鉗形電流表測量護(hù)層接地電流（人工巡檢）。近年來，為了提高輸電線路的可靠性指標(biāo)，高壓電纜停電檢修的機會越來越少。由于地下電纜所處環(huán)境復(fù)雜，采用傳統(tǒng)的人工巡檢測量護(hù)層接地電流越來越困難，需要花費大量的人力物力［3］。

現(xiàn)在已有應(yīng)用電流互感器（CT）的電流自動采集設(shè)備，應(yīng)用無線傳輸?shù)耐ㄐ偶夹g(shù)組合而成的智能化護(hù)層絕緣監(jiān)測系統(tǒng)。其缺陷在于：護(hù)層接地電流測試點環(huán)境復(fù)雜、潮濕，存在較強電磁干擾，嚴(yán)重影響電流采集設(shè)備的測試準(zhǔn)確性、壽命及無線傳輸數(shù)據(jù)的可靠性及持續(xù)性。也有廠商采用有線傳輸?shù)姆绞?，但有線傳輸相對于光纜傳輸模式，在傳輸距離、傳輸質(zhì)量上都會存在較大差距。

2 應(yīng)用光纖傳感技術(shù)的高壓電纜護(hù)層絕緣監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)方案

2.1 測試原理

圖1為高壓電纜護(hù)層絕緣監(jiān)測示意圖。

圖1 高壓電纜護(hù)層絕緣監(jiān)測示意圖

高壓電纜護(hù)層絕緣監(jiān)測系統(tǒng)利用光纖光柵傳感技術(shù)，運用光纖光柵電流傳感器實時監(jiān)測運行電纜的接地電流、運行電流。通過對電纜接地線、電纜本身的連續(xù)監(jiān)測，提供實時護(hù)層電流與導(dǎo)體電流監(jiān)測數(shù)據(jù)，顯示護(hù)層電流與導(dǎo)體電流比例及歷史曲線；通過反映護(hù)層接地良好程度、線芯負(fù)荷大小變化等情況，實現(xiàn)對電纜本體和電纜通道運行情況的實時監(jiān)控，預(yù)測電纜的運行狀況及故障趨勢，及時為電纜故障的定位和檢修提供指導(dǎo)，避免發(fā)生重大事故。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由測試現(xiàn)場、信號傳輸和監(jiān)控中心組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

（1）測試現(xiàn)場。測試現(xiàn)場包括被測電纜的現(xiàn)場環(huán)境及光纖光柵電流傳感器。

（2）信號傳輸。將采集信號通過多芯光纜傳入監(jiān)控中心。

（3）監(jiān)控中心。光柵解調(diào)儀：實現(xiàn)被測電流量的解調(diào)。局域網(wǎng)：通過組網(wǎng)方式實現(xiàn)控制目標(biāo)的集中管理?？刂浦行模和ㄟ^數(shù)學(xué)模型的建立實現(xiàn)控制目標(biāo)智能化管理。

2.3 光纖光柵電流傳感器

光纖光柵溫度自補償電流傳感器采用光纖光柵作為測量電流的敏感元件。采用高性能導(dǎo)磁體材料感應(yīng)被測電纜中被測電流的大小，產(chǎn)生的電磁力使光纖光柵傳感器的波長發(fā)生變化，通過解調(diào)光纖光柵的波長變化測量電流。傳感器內(nèi)帶溫度自補償裝置，避免了溫度變化對測試結(jié)果的影響。

光纖光柵電流傳感器作為光學(xué)傳感器，具有無需電源、絕緣、響應(yīng)速度快等特性。傳感器內(nèi)無任何電子元器件，具有耐水防潮性強、可靠性高、壽命長等優(yōu)點，可長期工作于潮濕環(huán)境中；并可實現(xiàn)信號遠(yuǎn)距離傳輸及解調(diào)。

圖3為光纖光柵電流傳感器實物圖。安裝時可帶電操作，將電流傳感器卡入被測電纜即可。

圖3 光纖光柵電流傳感器

2.4 光纖光柵解調(diào)儀

光纖光柵電流傳感器將電流信號轉(zhuǎn)化為光信號，通過通信光纜將信號傳入控制中心。光纖光柵解調(diào)儀實現(xiàn)光信號的解調(diào)，獲取實時電流信號。解調(diào)系統(tǒng)實現(xiàn)信號采樣、解調(diào)電流，通過全球定位系統(tǒng)（GPS）授時實現(xiàn)時鐘同步；可同時用于電網(wǎng)質(zhì)量分析。

2.5 監(jiān)控中心

監(jiān)控中心平臺是系統(tǒng)的“大腦”，也是系統(tǒng)的核心所在。獲取傳感數(shù)據(jù)只是實現(xiàn)電纜護(hù)層絕緣在線監(jiān)測的必要條件。對數(shù)據(jù)的合理分析與使用，全方位開展電纜狀態(tài)在線監(jiān)測工作，依據(jù)電纜、設(shè)備狀態(tài)統(tǒng)籌安排生產(chǎn)、調(diào)度、檢修任務(wù)，實現(xiàn)電纜安全風(fēng)險過程管控。同時，通過對不同電纜、不同狀況的歷史數(shù)據(jù)對比分析，既可實現(xiàn)當(dāng)前的護(hù)層絕緣在線診斷分析，又能將來在一定數(shù)據(jù)量和理論分析指導(dǎo)基礎(chǔ)上建立專家分析及預(yù)警系統(tǒng)。

2.6 系統(tǒng)性能

高壓電纜護(hù)層絕緣監(jiān)測系統(tǒng)采用聲光、短信等報警方式，實現(xiàn)對高壓電纜護(hù)層絕緣的自動監(jiān)測，同時可準(zhǔn)確報告接地線的偷盜。

電流測試精度0.25%F.S；檢測距離＞20 km；檢測、定位和報警時間＜1 min。

3 應(yīng)用光纖傳感技術(shù)的高壓電纜護(hù)層絕緣監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用

應(yīng)用光纖傳感技術(shù)的高壓電纜護(hù)層絕緣監(jiān)測系統(tǒng)目前已在某電業(yè)局現(xiàn)場應(yīng)用。圖4為運行電流、接地電流監(jiān)測現(xiàn)場實際安裝效果圖。圖5為48 h內(nèi)A相運行電流、接地電流實測結(jié)果圖。

圖4 電流監(jiān)測現(xiàn)場實際安裝效果圖

圖5 48 h內(nèi)A相運行電流、接地電流實測結(jié)果圖

4 結(jié)束語

光纖傳感技術(shù)是現(xiàn)代通信技術(shù)的產(chǎn)物，是隨著光纖及通信技術(shù)的發(fā)展而逐步發(fā)展起來的一門嶄新學(xué)科，是以光波為載體，光纖為媒質(zhì)，感知和傳輸外界被測量信號的新型傳感技術(shù)。

應(yīng)用光纖傳感技術(shù)的高壓電纜護(hù)層絕緣監(jiān)測系統(tǒng)測試現(xiàn)場無需電源，具有很強的抗電磁干擾能力；傳感系統(tǒng)可嵌入性強，便于與計算機和光纖系統(tǒng)相連，易于實現(xiàn)系統(tǒng)的遙測和控制。系統(tǒng)實時監(jiān)測高壓電纜運行電流、接地電流，通過對數(shù)據(jù)的分析，實現(xiàn)對電纜護(hù)層絕緣狀態(tài)的在線監(jiān)測，確保電纜線路安全運行。與電流互感器監(jiān)測系統(tǒng)相比，具有可靠性更高、壽命更長、監(jiān)測范圍更廣的優(yōu)勢，更有利于智能電網(wǎng)信息化、數(shù)字化的發(fā)展趨勢。經(jīng)工程應(yīng)用表明，該系統(tǒng)能滿足實際應(yīng)用的需要。

［1］ 徐文剛.高壓單芯電纜護(hù)層絕緣接地保護(hù)簡述［J］.水電站機電技術(shù)，2005，28（1）：45-46.

［2］ 任廣振，張 禮，賓齊輝.XLPE電力電纜金屬護(hù)層絕緣環(huán)流在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究［C］//2011年全國電力電纜安裝與運行經(jīng)驗交流會論文集.2011.159-163.

［3］ 嚴(yán)有祥.高壓電纜護(hù)層絕緣監(jiān)測系統(tǒng)的研制與應(yīng)用［J］.供用電，2009，26（4）：74-76.

The Insulation M onitoring System of the HV Cable Sheath w ith Fiber Grating Sensing Technology

DINGWei-xia
（Shanghai Electric Cable Research Institute，Shanghai200093，China）

The insulation monitoring system of the HV cable sheath，which takes advantage of fiber grating sensing technology，uses fiber grating current sensor to real-time monitor grounding current and load current of the running cable.The article introduces the structure，function and advantage of themonitoring system in detail by analyzing the necessity and theory of themonitoring.It's proved by engineering application that the system can meet the needs of practical application.

sheath insulation；monitoring system；fiber grating；current sensor

TN818

A

1672-6901（2014）05-0022-03

2014-05-22

丁薇霞（1971-），女，高級工程師.

作者地址：上海市軍工路1000號［200093］.