堅強(qiáng)智能電網(wǎng)高壓電纜芯暫態(tài)溫度實時監(jiān)測方法研究

索濤

(國網(wǎng)新疆電力有限公司昌吉供電公司， 新疆 昌吉 831100)

0 引言

近年來，社會發(fā)展進(jìn)步，用電量劇增，當(dāng)電纜長時間運(yùn)行時，電纜芯溫度會隨之提高，可擊穿絕緣介質(zhì)，影響電纜使用壽命的同時，也會造成電力損失與經(jīng)濟(jì)損失[1-3]。因此電路安全已成為國家關(guān)注重點(diǎn)，高壓電纜芯作為電力系統(tǒng)重要組成部分，為保障電力系統(tǒng)運(yùn)行安全，有必要監(jiān)測其實時溫度。

現(xiàn)代監(jiān)測高壓電纜芯溫度方法眾多，付明星等[4]提出基于Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的高壓電纜導(dǎo)體溫度動態(tài)計算方法，該方法采用粒子群算法優(yōu)化人工網(wǎng)絡(luò)的初始權(quán)值和閾值，但是其受電纜芯物理參數(shù)影響，需進(jìn)行大量計算，用時長、效率低；徐濤等[5]提出的基于歷史測量數(shù)據(jù)的高壓電纜導(dǎo)體溫度預(yù)測，該方法以歷史數(shù)據(jù)為測量依據(jù)，眾所周知，歷史數(shù)據(jù)是使用老舊儀器、方法等測量得到的結(jié)果，其數(shù)據(jù)本身精確度不高，以該數(shù)據(jù)為依據(jù)測量所得出的數(shù)據(jù)精確度較低；郭文強(qiáng)等[6]研究基于有限元的電力電纜纜芯溫度預(yù)測方法，該測溫方法采用可直接測量的電纜外護(hù)套溫度并與環(huán)境參數(shù)、負(fù)荷參數(shù)等相結(jié)合實現(xiàn)纜芯溫度預(yù)測，但其受樣本數(shù)據(jù)量的影響較大，數(shù)據(jù)量較大情況下高壓電纜芯溫度監(jiān)測精度較差。針對一系列溫度監(jiān)測中出現(xiàn)的問題，本文提出堅強(qiáng)智能電網(wǎng)電纜芯暫態(tài)溫度實時監(jiān)測方法。

1 高壓電纜芯暫態(tài)溫度監(jiān)測原理

電纜芯可按照導(dǎo)體界面分為圓形、扇形、橢圓、中空圓形等形狀，由單根導(dǎo)線制作小截面(≤16 mm2)電纜芯，由多根導(dǎo)線組成大截面(≥25 mm2)電纜芯[7]。監(jiān)測電纜芯暫態(tài)溫度基于背向拉曼效應(yīng)(Raman scattering)原理，也稱背向拉曼散射，是指光波被散射后頻率發(fā)生改變的現(xiàn)象。由散射介質(zhì)分子相關(guān)的高頻聲子可被入射光吸收或放出，部分光能轉(zhuǎn)化成為熱能，該發(fā)出的光比原來的波長大，即為斯托克斯光，反之則為反斯托克斯光[8-9]。其中λs(λs=λ0+Δλ)代表長波一端的波長譜線，稱為斯托克斯線，λa(λa=λ0-Δλ)代表短波一端的波長譜線，稱為反斯托克斯線。要實現(xiàn)電纜芯溫度監(jiān)測，需要依據(jù)入射光與反射光的時間差，判斷散射光發(fā)射位置與入射點(diǎn)距離[10]。

以反斯托克斯光與斯托克斯光比值代表溫度：

(1)

式中，Ia代表反斯托克斯光，Is代表斯托克斯光，λa代表反斯托克斯線長度，λs代表斯托克斯線長度，μ、h、c、T分別代表波數(shù)/米、普朗克常量、光速、絕對溫度，k代表溫度靈敏度系數(shù)。

利用擬定定標(biāo)區(qū)與探測器對斯托克斯光和反斯托克斯光的響應(yīng)差異進(jìn)行消除。將定標(biāo)區(qū)擬定在高壓電纜芯的前300 m，由T0表示其溫度，如式(2)：

(2)

式中，T代表電纜溫度變化值。經(jīng)過測量R(T)溫度值可監(jiān)測高壓電纜芯測量點(diǎn)暫態(tài)溫度值。測量光頻域反射(OFDR)過程中，會發(fā)射光脈沖，檢測光脈沖發(fā)射和返回時間差可確定光的位置和散射水平。該電纜芯暫態(tài)溫度監(jiān)測結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電纜芯暫態(tài)溫度檢測結(jié)構(gòu)

2 數(shù)學(xué)模型建立

建立高壓電纜芯暫態(tài)熱路模型，如圖2所示。

圖2 高壓電纜芯暫態(tài)熱路模型圖

圖2中，Q0、C0、T0、Q1、C1、T1、R1分別代表電纜芯損耗(KW)、絕緣層損耗(F)、電纜芯溫度(℃)、絕緣層損耗(KW)、絕緣層熱容(F)、絕緣層溫度(℃)、絕緣層熱阻(Ω)。

3.1 模型簡化

根據(jù)圖2高壓電纜芯暫態(tài)熱路模型，按照3.1小節(jié)假設(shè)條件，可將電纜芯暫態(tài)熱路模型簡化，如圖3所示。

圖3 簡化高壓電纜芯暫態(tài)熱路

結(jié)合電纜芯、電纜芯溫度、絕緣層、絕緣層溫度等損耗，以及絕緣層溫度和絕緣層損耗的時域關(guān)系，使用頻域分析法計算電纜芯暫態(tài)溫度，則有：

(3)

(4)

式中，s代表恒溫值。對式(3)、式(4)，使用頻域分析法，進(jìn)行拉普拉斯轉(zhuǎn)換，則有：

A(s)+BQ(s)+Θ(0)=sΘs

(5)

式中，A代表導(dǎo)熱系數(shù)，B代表對流換熱系數(shù)，Q(s)代表流體溫度，Θ代表熱流溫度。

(6)

(7)

(8)

(9)

對式(5)進(jìn)行拉普拉斯反變換，可計算頻域解為

θ(t)=L-1[(s-A)-1Θ(0)]+L-1[(s-A)-1BQ(s)]

(10)

式中，L代表金屬屏蔽損耗系數(shù)。運(yùn)用式(10)，輸入響應(yīng)與狀態(tài)響應(yīng)為零時，可獲得該狀態(tài)公式的時域解，將絕緣層溫度值與電纜芯電流帶入該公式，比較電纜芯溫度實際測量數(shù)值，可知二者誤差。

3 實驗與分析

以某堅強(qiáng)智能電網(wǎng)中的某段長為200 m的高壓電纜芯為實驗對象，在MATLAB仿真平臺中驗證本文方法的溫度監(jiān)測效果，并從暫態(tài)升溫實驗、溫度監(jiān)測精度、電磁干擾測試、濾波前后的溫度監(jiān)測效果等方面進(jìn)行方法驗證。

3.1 暫態(tài)升溫實驗

對該實驗對象的高壓電纜芯實施暫態(tài)升溫實驗，統(tǒng)計線芯電流為76.5 A時，本文方法監(jiān)測到的不同電流加載時間下的絕緣層溫度和線芯溫度數(shù)據(jù)，結(jié)果如表1所示。

表1 線芯電流為76.5 A時的溫度監(jiān)測結(jié)果

分析表1數(shù)據(jù)可知，當(dāng)線芯電流大小為76.5 A時，隨著電流加載時間逐漸上升，絕緣層溫度和線芯溫度均呈現(xiàn)上升趨勢。其中線芯的溫度上升所產(chǎn)生的熱量可通過絕緣層的溫度直觀體現(xiàn)。因此外界環(huán)境溫度、絕緣層溫度以及線芯溫度之間具有一定的關(guān)聯(lián)性。

選取部分暫態(tài)升溫實驗數(shù)據(jù)，統(tǒng)計不同線芯電流大小下本文方法監(jiān)測到的線芯溫度和實際線芯溫度的對比溫度曲線，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同線芯電流下的溫度監(jiān)測結(jié)果

分析圖4數(shù)據(jù)可知，隨著線芯電流大小的增加，電纜線芯溫度逐漸增大，本文方法監(jiān)測獲取的電纜線芯溫度曲線與實際溫度曲線變化一致，且曲線重合度極高，總體誤差控制在允許范圍內(nèi)，可以滿足工程實際應(yīng)用需求，具備較好暫態(tài)溫度監(jiān)測效果。

3.2 溫度監(jiān)測精度實驗

利用本文方法監(jiān)測其溫度，并分別與文獻(xiàn)[4](基于Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的高壓電纜導(dǎo)體溫度動態(tài)計算方法)、文獻(xiàn)[5](基于歷史測量數(shù)據(jù)的高壓電纜導(dǎo)體溫度預(yù)測)、文獻(xiàn)[6]方法(基于有限元的電力電纜纜芯溫度預(yù)測方法)對比，統(tǒng)計4種方法監(jiān)測到的不同時間的電纜芯溫度，并與線路實際溫度做對比，對比結(jié)果如表2所示。

分析圖5可得出，高壓電纜芯的實際溫度隨時間的增加而增加，且當(dāng)時間在6～8 h時，溫度增長較緩慢。其中本文方法的溫度監(jiān)測結(jié)果與實際值之間的誤差保持在±0.1之間。

圖5 電纜芯溫度監(jiān)測結(jié)果對比

3.3 電磁干擾測試

高壓電纜線在工作過程中會出現(xiàn)電磁干擾，影響電纜芯溫度監(jiān)測效果，為此統(tǒng)計分別采用4種方法監(jiān)測不同電磁干擾條件下的溫度變化情況，其中圖6為電磁干擾為50 Hz時溫度曲線。圖7為電磁干擾為100 Hz時溫度曲線。

圖6 電磁干擾是50 Hz時測溫曲線

圖7 電磁干擾是100 Hz時測溫曲線

分析圖6可看出，電磁干擾是50 Hz條件下，電磁干擾會影響溫度監(jiān)測數(shù)值，但本文方法監(jiān)測溫度曲線與實際溫度曲線相差不大，部分曲線基本重合。分析圖7可知，電磁干擾是100 Hz條件下，監(jiān)測溫度的精確度隨著電磁干擾的增加而降低；其中文獻(xiàn)[5]方法監(jiān)測溫度高于實際溫度，文獻(xiàn)[4]與文獻(xiàn)[6]方法監(jiān)測溫度均低于實際溫度；本文方法溫度曲線與實際溫度曲線有差別，但相差不大，100 Hz電磁干擾會對本文方法溫度監(jiān)測精準(zhǔn)度產(chǎn)生微小影響，但影響不大。

3.4 濾波前后溫度監(jiān)測

運(yùn)用本文方法監(jiān)測高壓電纜芯在濾波前與濾波后的溫度變化，并與文獻(xiàn)[4]、文獻(xiàn)[5]、文獻(xiàn)[6]方法對比，其結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖8 濾波前電纜芯溫度

圖9 濾波后電纜芯溫度

綜合分析圖8、圖9可知，濾波前實際溫度曲線呈現(xiàn)波浪狀，本文方法監(jiān)測溫度與實際溫度數(shù)值相差不大，但其監(jiān)測溫度數(shù)值均略微低于實際溫度，另外3種對比方法監(jiān)測溫度均與實際溫度曲線有較大差距。濾波后，實際溫度曲線呈現(xiàn)緩慢上升趨勢，曲折不大，較平緩，而且本文方法監(jiān)測電纜芯溫度數(shù)值與實際溫度大體相符，準(zhǔn)確度可達(dá)95%，文獻(xiàn)[4]、文獻(xiàn)[5]、文獻(xiàn)[6]方法監(jiān)測數(shù)值與實際溫度對比時高時低，并與實際溫度數(shù)值相差較大，因此本文方法可在不同情況下有效監(jiān)測電纜芯溫度。

4 總結(jié)

依據(jù)高壓電纜芯暫態(tài)溫度監(jiān)測原理，由斯托克斯光和反斯托克斯光組成的拉曼散射光，以入射光與反射光的時間差，判斷發(fā)射光位置與入射點(diǎn)距離，溫度由反斯托克斯光與斯托克斯光的比值表示。結(jié)合高壓電纜芯暫態(tài)熱路模型圖并對其進(jìn)行簡化處理，可從實驗中得出以下結(jié)論。

(1) 通過暫態(tài)升溫實驗可知，高壓電纜芯的溫度可通過線芯電流和電纜絕緣層溫度綜合展現(xiàn)，本文方法監(jiān)測獲取的電纜線芯溫度曲線與實際溫度曲線變化一致，具備較好暫態(tài)溫度監(jiān)測效果。

(2) 高壓電纜芯實際溫度與時間成正比，本文方法在測量其溫度精確度高，誤差在±0.1之間。

(3) 監(jiān)測溫度受高壓電纜線運(yùn)行過程中產(chǎn)生的電磁干擾影響。當(dāng)電磁干擾分別是50 Hz與100 Hz時，本文方法監(jiān)測溫度曲線與實際溫度曲線相差不大。

(4) 監(jiān)測濾波前后溫度，并與實際溫度曲線對比，本文方法在濾波前，監(jiān)測溫度與實際溫度差別較小，在濾波后，監(jiān)測溫度基本與實際溫度曲線重合，可見本文方法可有效監(jiān)測電纜芯溫度。

綜上可知，本文方法可有效監(jiān)測高壓電纜芯暫態(tài)溫度，并受電磁干擾與濾波影響較小，實用性與精確度高。本文方法雖然可實現(xiàn)高壓電纜芯暫態(tài)溫度監(jiān)測，但依然有誤差存在，因此還可以進(jìn)一步優(yōu)化該方法，進(jìn)一步提升其精準(zhǔn)度。