淺議在配網(wǎng)自動化改造中的電纜接頭溫度監(jiān)測系統(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，配電自動化改造采取一次網(wǎng)架改造、配電設(shè)備改造、配電自動化主站建設(shè)與改造、配電自動化終端建設(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化中實(shí)施關(guān)注的一個課題。

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突發(fā)的過程，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，是一個由量變到質(zhì)變的過程。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)情況適時進(jìn)行停電檢修。特別是當(dāng)發(fā)現(xiàn)某個接頭處的溫度過高(超過一個預(yù)先設(shè)定的值)或變化過快時，說明此處的絕緣已比較薄弱，繼續(xù)運(yùn)行很可能會引發(fā)嚴(yán)重故障。此時及時發(fā)出報(bào)警信號，使值班人員及時處理，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。對于未經(jīng)過自動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，監(jiān)測裝置安裝現(xiàn)場無法提供電源，使得現(xiàn)場裝置不能與中控室的上位機(jī)系統(tǒng)建立通信通道，也就無法實(shí)現(xiàn)對電纜接頭運(yùn)行狀態(tài)或故障的遠(yuǎn)方監(jiān)測。目前經(jīng)過自動化改造后，如何設(shè)計(jì)和選取適合于自動化供配電網(wǎng)的電力電纜接頭溫度在線監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)，是本文主要討論的課題。

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

配電自動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)(簡稱主站)、安裝于配電變電站的變電站遠(yuǎn)程工作站(簡稱遠(yuǎn)程站)、安裝于線路上的自動開關(guān)、控制自動開關(guān)及臺變附近的控制終端(子站)及安裝于各用戶上的負(fù)荷控制終端幾個部分組成。對于電纜接頭溫度在線監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)，參照配電自動化的架構(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)開關(guān)站或戶外開關(guān)站的子站以及裝在環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)的電纜頭溫度測量裝置和連接這些設(shè)備的信號傳輸通道構(gòu)成。整體系統(tǒng)示意圖見圖1

2 電纜頭溫度監(jiān)測子系統(tǒng)的構(gòu)建

電纜接頭溫度在線檢測子系統(tǒng),主要是針對環(huán)網(wǎng)柜、開關(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)。單臺環(huán)網(wǎng)柜電纜頭的監(jiān)測主要由溫度傳感器、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)測子系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡(luò)見圖3。

3 纜頭溫度傳感器的選擇

溫度敏感元件法測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)測量和精度要求較高的情況，城區(qū)電纜接頭的溫度監(jiān)測就屬于分布式點(diǎn)測量，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接頭溫度進(jìn)行測量。目前數(shù)字溫度傳感器測溫（信號無線傳輸）和光纖光柵傳感器測溫（信號光纖傳輸）為代表的接觸式測量方法為主流測量方法，在國內(nèi)的期刊文章中，對兩種測量方法的原理也多有比較，在此不再加以贅述。兩種測量方法的簡單示意見圖4及圖5。

前者的信號傳輸通道為無線傳輸，傳感器和數(shù)據(jù)接收器間無介質(zhì)聯(lián)系，為獨(dú)立安裝和維護(hù)。后者的信號傳輸通道為光纖，接收單元與光纖光柵采用光纖連接。一種測溫方法能否適應(yīng)電力系統(tǒng)高壓設(shè)備的溫度測量的實(shí)際要求，以及適用于何種場合，可以從測溫精度及穩(wěn)定度、安裝及維護(hù)難易程度和對一次設(shè)備運(yùn)行的影響程度等三個方面來分析。

3.1 測溫精度及穩(wěn)定度分析

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

(1)光纖光柵測溫子系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)簡單，只有光纖光柵溫度傳感器和接收單元兩大主要部分組成，無中間環(huán)節(jié)，而測量現(xiàn)場為全光測量，完全不受強(qiáng)電場和強(qiáng)磁場的干擾，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的配電裝置上，溫度傳感器通過2.4G高頻通訊上傳數(shù)據(jù)，與接收單元間沒有導(dǎo)線連接，對供電系統(tǒng)無任何干擾；

3.2 裝及維護(hù)方便性分析

（1）光纖光柵測溫子系統(tǒng)

在環(huán)網(wǎng)柜中安裝時，每面開關(guān)柜在3個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)受長期的開關(guān)柜分合動作及一年污水浸泡測試。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關(guān)柜檢修時不必拆裝光纖光柵溫度傳感器，其次是使開關(guān)柜內(nèi)光纖傳輸線路非常整潔、美觀，沒有光纖迂回纏繞，不會出現(xiàn)污閃，安裝快速。

在今后維護(hù)方面，光纖光柵傳感器是無源傳感器，通過光信號進(jìn)行溫度測量和信號傳輸，無需供電，也不存在更換電池等維護(hù)問題。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)字溫度傳感器測溫子系統(tǒng)

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

數(shù)字溫度傳感器和數(shù)據(jù)接收器間無介質(zhì)聯(lián)系，可獨(dú)立安裝和維護(hù)。目前已開發(fā)的無線測溫系統(tǒng)是按分布化設(shè)計(jì)的，測溫設(shè)備與數(shù)據(jù)接收可以任意組合單個傳感器的故障不影響整體，用戶可在停電時自行更換。數(shù)字溫度傳感器發(fā)送信號需要提供電源，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)問題。且由于監(jiān)測裝置安裝在高電壓現(xiàn)場，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

對一次設(shè)備運(yùn)行安全的影響是指測溫器安裝后對一次系統(tǒng)絕緣的影響：

（1）光纖光柵測溫子系統(tǒng)

光纖光柵測溫在用于高壓帶電設(shè)備的測溫時，安裝于高壓電纜室內(nèi)的光柵測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期運(yùn)行中會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增加一次側(cè)發(fā)生事故的概率。因此對光纖光柵測溫是否能應(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關(guān)觸頭、中置式開關(guān)柜母線、靜觸頭等間依靠空氣的裸露帶電測溫點(diǎn)還存在爭議。

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，測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)電部分沒有纏繞和接觸。因此光纖光柵溫度傳感器在測量電纜接頭不會降低高壓開關(guān)柜自身的絕緣安全等級，不會引入安全隱患。

（2）數(shù)字溫度傳感器測溫子系統(tǒng)

數(shù)字溫度傳感器和數(shù)據(jù)接收器之間無介質(zhì)聯(lián)系，原理上對一次系統(tǒng)的安全無影響。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)電壓等級的配電裝置上。

因此對測溫子系統(tǒng)選擇時言，當(dāng)在應(yīng)用場合為電纜頭測溫時，光纖光柵測溫子系統(tǒng)一方面不存在更換電池等維護(hù)問題，另一方面?zhèn)鞲衅靼惭b更方便，更適用于電纜頭測溫。

4 通訊

在戶內(nèi)或戶外開關(guān)站中，環(huán)網(wǎng)柜的數(shù)量一般在10臺以上，根據(jù)圖3的示意，各臺環(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，存儲起來供DTU讀取；

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

（3）接收到DTU的查詢指令后，將存儲的故障信息上傳給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)，通過這兩個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。通信接口同時起到給匯集器供電的功能。

站所終端（DTU）即采用原開關(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，則采集的開關(guān)柜信號有環(huán)網(wǎng)柜三遙量和溫度報(bào)警信號采集，實(shí)時溫度的信號采集。

5 待解決問題

對于電纜接頭溫度的監(jiān)測，主要通過測量電纜接頭表面溫度反應(yīng)線芯溫度。在以往國內(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應(yīng)關(guān)系,通過軟件的程序設(shè)置，在工程中才可有效通過測量接頭外表溫度反映接頭內(nèi)部線芯溫度。

因此，如果對以上方案進(jìn)行試用，有兩種方式來判斷電纜是否存在問題

5.1 方案一

在后臺設(shè)置電力開關(guān)柜光纖在線測溫系統(tǒng)軟件，自動對光纖光柵溫度傳感器所在區(qū)域進(jìn)行實(shí)時溫度監(jiān)控。為了能實(shí)現(xiàn)配電自動化的統(tǒng)一監(jiān)控，需在配網(wǎng)主站系統(tǒng)與在線測溫系統(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，并對相關(guān)信息進(jìn)行過濾，使在線測溫系統(tǒng)承擔(dān)起數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站的角色，在線測溫系統(tǒng)的報(bào)警命令傳遞到配網(wǎng)主站，通過配網(wǎng)主站實(shí)現(xiàn)開關(guān)站進(jìn)出線開關(guān)的遙控功能。

5.2 方案二

采用“差分比較法”來判斷電纜溫度是否越限。即通過判斷同回路三相探頭溫度的相對變化,當(dāng)相對變化超過一定值后,則認(rèn)為電纜接頭出現(xiàn)溫度過高情況,立即啟動告警過程,將該信息發(fā)送到數(shù)據(jù)匯集器及DTU。通過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

建議在配電自動化改造試點(diǎn)中，電纜頭溫度監(jiān)測子系統(tǒng)選取光纖光柵測溫子系統(tǒng)，采用“差分比較法”來判斷電纜溫度是否越限，預(yù)留后臺測溫軟件實(shí)時測溫?cái)U(kuò)展功能，DTU設(shè)備利用配網(wǎng)自動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)，具備試用的價值。

希望通過對該技術(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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