基于內嵌式光纖電力電纜溫度場試驗研究

陳江源,劉同同,張 航,吳文克,敖 明

(1.東北電力大學 電氣工程學院,吉林 吉林 132012; 2.吉林省電力有限公司 電力科學研究院,長春 130021)

基于內嵌式光纖電力電纜溫度場試驗研究

陳江源1,劉同同1,張 航1,吳文克1,敖 明2

(1.東北電力大學 電氣工程學院,吉林 吉林 132012; 2.吉林省電力有限公司 電力科學研究院,長春 130021)

為充分發揮電力電纜的裕量,同時確保電纜安全運行,討論了內嵌式光纖電力電纜原理,并進行了66 kV 1×1 200 mm2XLPE電纜試驗研究。試驗結果表明,纜芯、光纖誤差均在2.5 ℃以內。同時也證明了有限元模型的正確性,以及內嵌式光纖測溫技術具有誤差小、精度高、運行可靠等特點。

內嵌式光纖; 有限元; 電力電纜; 溫度測量

隨著城市建設進程的加快,電力電纜得到越來越廣泛的應用[1]。迅速擴大的規模和不斷提高的電壓等級,使電纜運行的安全、可靠性問題日益凸顯,建立一個有效的在線監測平臺勢在必行。所以分布式光纖測溫系統(DTS)憑借強大的抗電磁干擾能力、較遠的測量距離、較高的靈敏度、較長的使用壽命、誤報和漏報率低等特點,被迅速運用于電纜的溫度監測中,且在重要線路的高壓和超高壓電纜均已經沿線安裝。

DTS主要有3種類型:1)外置式,即在電纜外護層表面貼測溫光纖;2)內嵌式,即在緩沖層植入測溫光纖;3)光纖植入導體,由于生產困難,光纖易斷裂,目前尚處于研究階段。本文基于有限元法對恒定負荷和周期性負荷下的電纜運行情況和光纖測溫進行了分析,并在高壓實驗室對一根含內置光纖的單芯66 kV 1×1 200 mm2XLPE電纜進行了研究,以驗證模型的正確性和光纖測溫的準確性。

1 有限元中電纜溫度場計算原理

1.1 溫度場控制方程

電纜施加的載流量越高則導體的溫度越高,XLPE電力電纜纜芯在不損壞其絕緣特性情況下的溫度上限為90 ℃。超過此溫度,就會使絕緣層加速老化,從而縮短電纜的使用壽命。因此需要進行溫度場的計算,確保科學、高效施加載流量[2-5]。

溫度場有限元模型控制方程為

式中:qx=-kx(?T/?x),qy=-ky(?T/?y),qz=-kz(?T/?z);kx、ky、kz為導熱系數,W/(m·k);qb為熱源單位體積和單位時間下微元體內部所產生的熱量;ρ為材料密度,kg/m3;c為材料的比熱,J/(kgK)。

1.2 初始條件和邊界條件

按照物體邊界熱傳遞特點,可分為三種類型的邊界條件。

第一種為已知邊界上的溫度:

式中:λ為導熱系數，W/(m·K);q為熱流密度W/m2。

第三種為已知是環境溫度和對流換熱系數:

式中:h為對流換熱系數;Tf為流體溫度。

1.3 電纜溫度場的求解

在求解的過程中,三角形基本單元是有限元計算電纜溫度場最常用的劃分單元,它對電纜各層的圓形邊界具有很好的適應性,所以劃分網格時,采用三角形單元劃分。

假設在三角形單元中,其子單元的溫度是與m、n相關的線性函數,即

T=b1+b2m+b3n

式中：b1、b2、b3是待定常數,它們可以由節點上的溫度值通過插值法來確定。

1.4 溫度場的損耗計算

在電力電纜運行的過程中,電纜的各層都會產生損耗,從而使電力電纜運行溫度升高。當電纜產熱和散熱達到動態平衡時,纜芯溫度達到最高允許工作溫度90 ℃。金屬護套應用交叉互聯接地方式,有效減小了感應電壓,從而減小護套損耗。為了方便計算,這里只計及纜芯的損耗:

SQ=I2R′(1+ys+yp)

R′=R0[1+α20(θc-20)]

式中:R0為20 ℃時單位長度纜芯的直流電阻;θc為纜芯溫度;yp為臨近效應系數;ys為集膚效應系數;α20為20 ℃時纜芯電阻的溫度系數。

2 內嵌式光纖測溫原理

由于光纖極易發生斷裂,為提高光纖抗壓和抗拉強度,在光纖充油束管左右各布置一股銅條,使光纖具有良好的機械性能,避免光纖安裝和運行中斷裂[6-8]。

激光脈沖入射到光纖的傳播過程中與光纖發生非線性散射,該散射由瑞利散射、布里淵散射和拉曼散射組成,如圖1所示[9-11]。本次試驗所使用的光纖測溫儀器采用拉曼散射的原理。

圖1 后向散射光分析

當激光光源向待測光纖施加脈沖后,其中的一小部分拉曼散射光(包含Stokes Light和Anti-stokes Light)通過光纖返回光端機。反射光的強度與被測量點的溫度有關,所以測量反射光的光強就可以得到被測點的溫度。光子的強度與被測點溫度之間的關系為

(Ias/Is)∞exp(hcσ/kT)

l=vt/2

式中:Ias、Is是Anti-stokes Light和Stokes Light的光子強度,s-1/sr;h是普朗克常數;c是真空中的光速,m/s;k是波爾茲曼常數;σ是波數,m-1;T是絕對溫度度,K;v是光波在光纖中的傳播速率,m/s;t是入射光和反射光之間的時間差,s;l是被測點的空間距離,m。

目前,基于拉曼散射技術的光纖傳感測溫長度可達到近30 km,測量精度可達到0.5 ℃,空間分辨率可達到0.5 m。

3 有限元計算模型的試驗驗證

為證明有限元模型的正確性,在高壓實驗室進行了66 kV 含內置光纖電力電纜空氣中敷設溫升試驗。試驗設備接線如圖2所示。試驗采用含內嵌式光纖電力電纜,其結構如圖3所示。

該實驗恒定負荷持續24 h,通入電流1 800 A;變負荷持續34 h,施加2 000 A電流6 h、1 000 A電流4 h、1500 A電流4 h、800A電流3 h、1 200 A電流3 h、1 000 A電流4 h、1 500 A電流4 h、1 800 A電流4 h、800 A電流2 h。采用熱電偶測量了纜芯、絕緣層、鋁護套和外皮的溫度,采用光端機測量了光纖溫度。利用有限元程序模擬計算了電纜各層以及纜芯的溫度,計算結果和試驗結果如圖4、圖5所示,采用的電纜各層參數如表1所示。

圖2 電纜導體溫升試驗原理接線

Fig.2 Principle wiring diagram of cable conductor temperature rising test

圖3 內嵌式光纖電纜截面

表1 66 kV 1200 mm2 電力電纜參數

從圖4、圖5可以看出,無論是在恒定負荷以及變負荷的情況下,用熱電偶測量的纜芯、鋁護套、外皮溫度,以及光端機測量的光纖試驗測量值都與有限元計算值十分接近。在恒定負荷的情況下,纜芯的最大誤差為2 ℃,光纖最大誤差為0.9 ℃,鋁護套最大誤差為1.5 ℃,外皮最大誤差為1.58 ℃;在變負荷的情況下,纜芯的最大誤差為2.27 ℃,光纖的最大誤差為2.4 ℃,鋁護套最大誤差為2.15 ℃,外皮的最大誤差為1.5 ℃。

圖4 66 kV空氣中敷設內嵌式光纖電纜恒定負荷下溫升曲線

Fig.4 Temperature rise curve 66 kV cables in the air under constant load

圖5 66 kV空氣中敷設內嵌式光纖電纜變負荷下溫升曲線

Fig.5 Temperature rise curve 66 kV cables in the air under variable load

4 光纖測溫的實際應用

電纜線路在實際運行過程中突發故障,會引起電纜本體甚至周圍附件溫度的升高。當溫度上升到一定程度時,就會導致絕緣層損壞直至擊穿。因此引發電纜輸電線路起火,從而造成人員傷亡和慘痛的經濟損失,產生惡劣的社會影響。

在實際運行過程中,電纜絕緣出現問題時,往往會伴隨一些特殊訊號,如在即將擊穿的部位附近溫度會升高很快。如果使用含內置光纖的電力電纜,通過光端機讀出實時光纖溫度,配合根據實際工況建立的模型就可以推斷出故障所在點的實時溫度,將隱患盡早排除。在正常運行的情況下,可以通過光纖溫度推出電纜載流量,在安全運行的前提下,最大程度地提高載流量,提高經濟效率。

5 結 論

1) 電纜的空氣中敷設試驗驗證了有限元含內嵌式光纖模型的正確性。

2) 光纖試驗數據和計算數據誤差在2.4 ℃以內,驗證了光端機讀數的準確性。

3) 根據不同工況建立的有限元模型加上光端機的實時讀數,方便了運行部門確定載流量以及故障排查,有效提高了電網運行水平。

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(責任編輯 郭金光)

Research on temperature field of power cable based on embedded fiber

CHEN Jiangyuan1, LIU Tongtong1, ZHANG Hang1, WU Wenke1, AO Ming2

(1.Electrical Engineering of College,Northeast Dianli University,Jilin 132012,China; 2. Electric Power Research Institute,Jilin Electric Power Company Limited,Changchun 130021,China)

In order to make full use of power cable allowance, and to ensure the safe operation of the power cable at the same time, this paper discusses the principle of power cable based on embedded fiber, and carries out the test to verify the result of calculation of a 66 kV 1×1200 mm2XLPE cable.The experimental results shows that it is confirmed that errors of cable and fiber are within 2.5 ℃, the finite element model is accurate and it enjoys the advantages of the embedded fiber temperature sensing,such as small error, high accuracy and high reliability.

embedded fiber; finite element; power cable; temperature sensing

2015-03-14。

陳江源(1990—),男,在讀碩士研究生,研究方向為高電壓與絕緣技術。

TM726.4

A

2095-6843(2015)04-0339-04