利用光纤测温系统提高电缆线路运行能力的实践

周忠义，陈维加

(1.北京兴迪仪器有限责任公司，北京100085;2.福建晋江电力有限责任公司，福建晋江362200)

0 引言

随着电力科技的进步与发展，高压和超高压电力电缆在电力系统中的应用越来越广泛。如何在不改变现有的工程条件下提高电缆的载流量，从而提高电力输送容量，成为电力工程人员急需解决的问题。近年来，以监测高压和超高压电力电缆运行温度为主的在线监测系统不断地发展起来，进而发展成为对电力电缆的剩余负荷能力进行在线连续监测，从而为电力系统调度人员提供关于电缆可利用负载能力的信息，帮助系统调度人员更合理地分配电缆运行负荷，提高电缆线路的运行能力。或者在系统某个局部出现紧急状况时，可以根据系统的拓扑结构和电缆的实际可利用带负载能力，对系统进行快速重新组合，利用剩余负载能力大的电缆在短时间内提供对故障线路的负载支援，以便使系统能够尽快进入紧急运行状态，保证不间断供电。

以下论述的实例是采用分布式光纤测温系统测量电力电缆外护套的温度;通过设计电缆载流量的模型，计算出电缆导体的温度和电缆载流量的相关信息;通过分析计算，在确保电缆的安全可靠运行的基础上，提高线路的最大额定载流量。

1 电缆线路运行情况

福建晋江电力有限责任公司所属110 kV双回路电缆线路罗沟线和清晋II回，回路长度2.17 km。两回110 kV电缆均沿同路径敷设，电缆敷设方式主要是排管、工井、隧道三种方式，另有部分10 kV电缆线路沿同路径敷设。

本电缆线路的一端为沟头变电站，另一端为罗沟线54#(清晋II回21#)架空线铁塔。从沟头变至电缆排管有75 m长的隧道;在架空线的一端也有110 m长的隧道。线路的中间部分约1985 m为排管和工井;线路全程共有电缆工井39个，其中接头井4个。

原设计电缆线路的最大允许载流量为410 A，架空线的最大载流量为494 A，整个线路的运行电流控制在410 A。晋江电力有限责任公司根据市场用电需求，欲将线路的载流量提高至494 A，需对电缆线路的运行状况进行监测和评估。

2 光纤测温及载流量分析系统

在罗沟线和清晋II回两路110 kV电缆上安装了“分布式光纤电缆温度监测与实时载流量分析系统CTM 4000”。该项目从2007年10月底开始施工，至2007年12月完成测温光缆的敷设及测温主机的安装调试;2007年12月至2008年4月完成与沟头变综自系统接口软件的开发、调试以及载流量分析软件的安装调试和载流量软件计算结果的实验和验证。

本系统的测温主机安装在沟头变，感温光缆采用外敷设方式，即沿每相电缆线路敷设1根用于测量环境温度的感温光缆。感温光缆为62.5/125 μm多模光纤，光缆外护套为高性能的低烟无卤阻燃热塑型材料。感温光缆具有优良的热传导特性、机械性能、防水性能及抗腐蚀特性。感温光缆在电缆运行状态下施工，穿管内的光缆不进行绑扎，穿管以外的光缆以绑扎方式固定。感温光缆绑扎固定方式为可拆卸式，固定间距为0.5 m;感温光缆安装在电缆侧面，保证感温光缆与电缆外护套紧密接触。感温光缆采用双环形缠绕方式固定在电缆中间接头处，保证测温光缆与电缆中间接头紧密接触，双环形缠绕光缆展开长度为5～10 m。在电缆终端及每个工井处的感温光缆上都挂设标牌，标识感温光缆起止点变电站站名、感温光缆距起点长度等信息。

2.1 实时载流量分析系统

本系统所安装的基于光纤测温的载流量分析系统基本原理如下:

电缆的载流量是由电缆导体的最高允许温度决定的，而导体的温升则由电缆各层材料的发热、散热条件及周围环境的状态(土壤条件、空气流动状况、环境温度等等)决定。

电缆额定载流量的计算采用IEC 60287系列标准中规定的电缆额定载流量(100%负荷系统)计算方法。在此标准中，与电缆结构材料有关的参数(例如绝缘、护套材料的热阻系数等)给出了代表性数值。由于环境条件取决于电缆敷设现场的条件和状况，其可能变化的范围较大，所以在标准中对与环境条件有关的参数及制造厂与用户之间需协商的参数等的取值未作规定。

导体温升可用下式计算:

式中，Δθ为导体温升(K);I为单根导体中流过的电流(A);R为最高工作温度下导体单位长度的交流电阻(Ω/m);Wd为导体绝缘单位长度的介质损耗(W/m);T1为一根导体与金属套之间单位长度热阻(K·m/W);T2为金属套与铠装之间内衬层单位长度热阻(K·m/W);T3为电缆外护套单位长度热阻(K·m/W);T4为电缆表面和周围介质之间单位长度热阻(K·m/W)，简称环境热阻;n为电缆(等截面并有相同负荷的导体)中载有负荷的导体数;λ1为电缆金属套损耗相对于所有导体总损耗的比率;λ2为电缆铠装损耗相对于所有导体总损耗的比率。由上式变换可得载流量计算公式:

根据本工程所采用的电缆为单芯电缆，则n=1;无金属铠装层，则 T2=0，λ2=0。

电缆的最高工作温度为90℃，则Δθ=90－Te，其中Te为电缆周围的环境温度。

因此，式(1)可以进行相应的简化为:

根据上述热力学方程，可得:

式中，Ts为电缆表面温度;Te为电缆周围的环境温度。式(2)和式(3)中与电缆结构相关的参数T1、T2、T3、λ1、Wd和 R 等均可通过电缆参数准确计算，Ts、Te可以通过分布式光纤测温系统实时准确测量，实时电流参数I可以从变电站系统中取得。这样有了Ts、Te的测量参数以及电流参数I，使得非常复杂的外部热阻计算、载流量计算变得简单和更贴近实际。

实时载流量分析系统，就是根据电缆运行状态下的Ts、Te和I实时测量参数，通过计算预测电缆线路在现在状态下的最大载流量。

2.2 电缆的结构参数(见表1)

3 载流量计算软件的实验和验证

3.1 载流量计算软件项目的验证

验证包括以下三方面:(1)测量电缆表面温度结果的验证;(2)计算导体温度的验证;(3)载流量计算结果的验证。

3.2 验证试验方法简介

表1 电缆的结构参数

(1)系统测温结果的验证。系统测温结果可直接用比对方法进行验证。在电缆测温系统运行时，用传统的测温方法测量光纤所敷设位置的温度，并与测温系统所测的温度进行比对。

(2)导体计算温度的验证。导体计算温度验证的关键是所采用的计算方法是否适用，软件编写有无问题。由于在采用的计算方法中，不涉及外界因素的影响，因此在进行验证时只需在实验室进行即可。

根据光纤测温特性要求，验证时电缆长度要求较长(大于10 m)，否则易受接头温度的影响而产生误差。

验证方法如下:在不同的电流下，用热电偶检测导体温度;用光纤测温系统测量电缆表面的温度并计算导体温度，将导体的实测温度与光纤测温系统计算出的导体温度进行对比。

(3)载流量计算结果的验证。载流量计算结果的验证可用如下方法:

①在实验室中对电缆载流量进行检测，得到的实验结果与同等条件下软件计算结果进行比较;

②在实际运行过程中，对电缆施加软件计算的载流量电流，通过对电缆表面温度的测量，计算到导体温度应为90℃。

本项目的验证试验接线图如图1所示。

图1 载流量计算结果验证试验接线图

3.3 载流量试验验证结果

(1)清晋线II回电缆(YJQ03 1×800)试验。单根电缆在自由空气中敷设，环境温度为16.7℃，计算稳态载流量1 820 A(导体允许温度为90℃)，实际测量结果与系统计算的比较见表2。

表2 YJQ03电缆的单芯载流量预测比对的相关数据

(2)罗沟线电缆(YJLW03 1×800)试验。单根电缆在自由空气敷设，环境温度:17.3℃，计算稳态载流量1 500 A(导体允许温度为90℃)。实际测量结果与系统计算的比较见表3。

表3 YJLW03电缆的单芯载流量预测比对的相关数据

(3)由上述武高院的试验结果可以看出:铅护套电缆(YJQ03)的载流能力明显优于铝护套电缆(YJLW03)，因此我们只需分析罗沟线的YJLW03电缆载流量即可。

(4)CTM4000系统的导体温度计算软件，是在针对YJQ03和YJLW03电缆建立的数学模型的基础上，进行恒定电流的稳态温度计算，其计算值与热电偶直接测量值在90℃以下范围内最大偏差不超过±2℃。

(5)试验电缆在自由空气的敷设条件下，CTM4000系统的载流量计算软件，是在针对YJQ03和YJLW03电缆建立的数学模型基础上，计算出导体温度90℃时的单芯稳态载流量，在该电流下，实测导体稳态运行温度与目标90℃之差小于±2℃。

(6)通过上述验证试验，我们对计算软件中电缆结构参数和性能参数进行了验证和标定，同样可以准确地验证其它敷设条件下的电缆导体温度和载流量。

4 在实际使用环境下的载流量计算和分析

(1)线路载流量瓶颈点及载流量的确定。根据光纤测温系统CTM4000随机采集到的稳态电流:A相为371 A，B相为376 A，C相为371 A情况下的测温曲线分析，罗沟线A、B、C三相电缆的最高表面温度和最高导体温度出现在距离罗沟变电站380 m～400 m的排管敷设处。因此，该处可以被确定为罗沟线载流量的瓶颈点。

按照此时的电缆环境状态，计算电缆最大额定载流量分别为:A相718 A;B相704 A;C相718 A。故按B相的最小值，确定额定载流量为704 A。

此时土壤的环境温度为20℃，计算电缆表面温度为81.8℃(B相)，计算的电缆导体温度为90℃(B相)。

(2)载流量(B相)计算的依据。由式(3)可以对电缆环境热阻进行计算:

式中，Ts为电缆在稳态电流为376 A时测得的表面温度40.9℃;Te为电缆周围土壤的环境温度20℃;I为稳态电流376 A;R为最高工作温度下导体交流电阻。

电缆(B相)其他参数可以根据相关公式计算获得: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，这些参数均经过武高所的试验验证。最后，将有关参数代入上式并计算得到环境温度20℃时的环境热阻T4=3.49 k·m/W。

(3)不同环境温度下和不同运行电流下载流量的计算

当环境温度变化时，利用上述的电缆热阻和损耗参数，以及Ts、Te和I实时测量参数，进行环境热阻和载流量的计算。

5 结论

沿罗沟线、清晋线II回110 kV电缆线路敷设测温光纤光缆，搭建光纤测温系统，可以进行安全运行温度下(电缆导体温度为90℃)的电缆表面温度测试和计算，通过积累和分析记录数据，确定电缆线路运行瓶颈;通过数学模型分析计算电缆的导体温度、电缆运行状态下的实时额定载流量，以及电缆表面温度、电缆导体温度和电缆最大载流量之间变化的关系，可以有效利用电缆设计允许载流量达到经济运行目的。

通过武高所和现场的实验和运行数据分析，可得出以下结论:

(1)由于电缆的结构不同，清晋线II回的载流能力在相同的敷设条件下要优于罗沟线;

(2)罗沟线的载流量瓶颈点为距离罗沟变电站380～400 m处的排管处;

(3)罗沟线在土壤温度为20℃时的长期额定最大载流量为704 A;

(4)基于分布式光线测温的实时载流量分析系统，可以实时预测电缆线路安全运行的最大载流量，在一定范围内提高电缆的设计运行能力。

(5)在光纤测温系统及载流量软件的指导下，清晋线II回和罗沟线最大运行电流可以提高到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］李志坚，李 宁，郝文霞，等.天津某220 kV电缆线路载流量研究［J］.高电压技术，2008，34(增刊2):59-61.

［4］王 立，李华春，薛 强，等.220 kV电缆分布式光纤测温系统运行情况分析［J］.电力设备，2007，8(6):36-41.