變電站電纜通道多參量采集和預警技術研究

胡曉斌,張捷,薛桅

(1.國網江西省電力有限公司九江供電分公司,江西 九江 332000; 2.國網江西省電力有限公司,南昌 330077;3.國網江西省電力有限公司瑞昌供電分公司,江西 瑞昌 332200)

0 引 言

隨著社會的飛速發展,對城市基礎設施建設的要求越來越高[1]。 其中,市政管線的建設需要按照城市規劃進行改造,使地下電纜通道成為變電站的主要輸電方式[2]。地下供電網絡的電纜分布眾多,在發展的同時,也對電力電纜的安全運行和事故預防提出了更高的要求。電力電纜的安全運行管理涉及多個方面,具有分布范圍廣、距離遠、地面環境復雜等特點。如果可以實時全面監測電力電纜通道,對確保電力供應和安全生產具有重要意義。

目前,國內外學者對變電站電纜通道的多參數采集與預警技術進行了大量的研究。目前,國內大部分電纜的運維管理是定期檢查/計劃維護的管理形式,存在很大的局限性。在文獻[3]中,通過有限元分析軟件,建立了電纜溫度場的有限元模型。電纜通道敷設和電纜中間接頭的熱分析確定了電纜群和接頭的過熱位置,從而完成了電纜溝溫度在線監測系統的設計方案。在文獻[4]中,對電纜的溫度等安全因素進行遠程和在線監控,并使用BP神經網絡智能算法進行模型優化和預警評估。在文獻[5]中,在地理信息系統(Geographic Information System,GIS)基礎上,實現電力電纜實時在線監控。避免了地下電纜故障的純粹物理檢驗,既提高了工作效率又起到了預警作用,一定程度上避免了電纜故障造成的經濟損失。在文獻[6]中,提出了一種用于高壓電纜通道的多狀態綜合監視系統,該系統集成了多個獨立的監視子系統和來自各個制造商的監視系統軟件,以收集多系統監視數據。它支持集中式傳輸、匯總、分析和應用。并對系統的實際應用進行分析和研究。以上研究為變電站電纜通道多參數采集與預警技術研究提供了理論依據。

在此基礎上,提出一種變電站電纜通道多參數采集與預警系統的設計方案,重點研究電力電纜的溫度場和載流量。通過有限元分析軟件,建立10 kV單芯電纜四回路標準敷設的幾何模型。對不同工況下的溫度場和載流量進行了實驗分析。

1 系統設計方案

變電站電纜通道多參量采集和預警系統可以實時監測通道環境參數。相比于單一監控系統,多參量采集和預警系統具有更完善的功能和更高的效率。在第一時間檢測到異常并發出報警信號,通知相關人員進行故障排除,將隱患的可能性降到最低[7]。圖1為系統結構框圖。變電站電纜通道多參量采集和預警系統由監控系統和智能監控終端組成。

(1)監控系統

監控系統通常位于變電站和自動化室中。通過ZigBee網絡或3G/4G網絡與智能控制終端進行雙向網絡通信,實現轄區內變電站電纜通道的參量采集[8]。后臺監控系統是在GIS平臺上開發的,并以Java語言開發了相關的數據接口和業務分析模塊,并將其打包為后臺服務。后臺數據接口進程收到智能控制終端上傳的信息后,自動進行拓撲,實現監控網絡的重構。啟動業務分析模塊以分析電纜通道狀態。如果發現模擬數據已超出限制或開關的狀態已更改,則可以立即評估告警級別,可以啟動告警服務,并且可以在地理信息系統界面上點亮相應的電纜通道顯示告警的位置和內容。通知電纜通道相關責任人盡快處理隱患。

(2)智能監控終端

智能監控終端由采集單元和監控主機組成。這兩部分采用RS485通訊方式進行雙向數據傳輸和實時交互,使監控終端具有綜合識別、智能處理、傳輸可靠等功能[9]。采集單元分為井蓋位移、環境溫濕度監視、有害氣體監視、可燃氣體監視、水位監視,火災探測、電纜溫度測量等模塊。定期采集電纜通道狀態數據,并將其上傳到監控主機。監視主機接收采集單元上傳的數據,然后對其進行匯總,并通過最近的監視主機通過ZigBee網絡將其上傳到后臺監控系統[10]。如果通信異常,在通信范圍(可見距離2 000米)內搜索另一個監視主機,建立新的傳輸路徑,然后執行數據傳輸?？紤]到通道監控節點和后臺監控系統可能相距太遠,監控主機也可以通過3G/4G等通道將區域數據上傳到監控系統。

2 模型建立

2.1 有限元參數

有許多種敷設電纜的方法,其中電纜溝使用最為廣泛。與其它安裝方法相比,它具有維護、檢修和電纜更換方便等優點[11]。多回路電纜通常放置在電纜槽中。電纜敷設的現狀較為混亂,載流量在標準中只有推薦值,所以需要對電纜溝溫度場和載流量進行詳細分析。電纜溝鋪設圖如圖2所示。

圖2 四回路電纜鋪設圖

圖片中有12根電纜,每一回電纜3根。這是一次回路的三相對稱導體,一字型排列。同時,電纜兩側和中間相的長度(距離)為90 mm,使用的單芯電纜型號為8.7/15 kV YJV1×400。

2.2 網格的劃分

對于2D模型,COMSOL軟件支持網絡單元形狀,如自由三角形和四邊形[12]。它還支持特殊的網格方法,例掃掠劃分。由于電纜的幾何模型非常規則,因此文中選擇了具有適度較強、分割速度快的三角形網絡來建立有限元模型。通常,網格越小,精度越高。同時,也導致系統復雜化并增加了計算時間,如圖3所示電纜溝網格劃分的示意圖。

圖3 網格劃分

網格劃分結果表明,電纜部分結構尺寸小,網格劃分緊密,溫度梯度變化大[13]。由于土壤中的溫度梯度小,因此可以粗略地劃分網格,從而在確保計算結果準確性的同時提高了計算速度。

2.3 載流量算法

文中使用割線法計算了電纜的載流量。其迭代方程如式(1)所示[14]:

(1)

式中f(x)為通過有限元模擬在已知電流x情況下獲得的線芯溫度值。

當采用有限元法求解電纜的載流量時,通過有限元模擬獲得兩個試探電流值x1和x2對應的線芯溫度值f(x1)和f(x2)[15]。如果f(x1)和f(x2)的值與電纜允許的最高溫度90℃之間的差值不滿足誤差要求,則可以通過式(1)重新獲取用于有限元模擬的新電流值,直到芯溫滿足要求為止。割線法的具體步驟如下:

步驟一:根據以往的電纜載流量經驗,隨機選擇兩個電流I1和I2,并為該值賦給xk-1和xk。 此時,計算線芯溫度f(xk-1)和f(xk)[16]。如果溫度值與設定值之差滿足要求,則當前的電流值為載流量。否則,繼續下一步;

步驟二:將xk-1和xk以及f(xk-1)和f(xk)值代入式(1),然后計算得到xk+1。使用有限元方法計算線芯溫度值f(xk+1)[17]。如果f(xk+1)與90 ℃之間的差滿足誤差要求(文章設置0.3 ℃),則xk+1值為電纜的載流量[18]。 否則,繼續下一步;

步驟三:進行xk-1=xk,xk=xk+1f(xk-1)=f(xk),f(xk)=f(xk+1)賦值,并執行步驟二。

3 實驗結果與分析

3.1 溫度場分析

首先,計算正常負載下四回路電纜的溫度場分布,電纜將通過標準350 A負載電流[19]。在土壤區域,溫度變化不明顯,不是研究的重點,因此,僅分析電纜附近的溫度場。350 A負載電流電纜溝溫度場分布如圖4所示。

圖4 350 A電流電纜溝的溫度場分布

使用割線法計算電纜的載流量為623 A,兩個測量值分別為618 A和622 A。結果表明,仿真值與計算值之間的誤差僅為0.1%。因此,有限元法在計算承載力方面具有極好的精度和工程適應性[20]。 圖5所示623 A載流量時的溫度場分布。

圖5 623 A載流量時溫度場分布

從圖4和圖5可以看出,最高溫度的區域集中在線芯,正常負載溫度最高53.90 ℃。載流量下的最高溫度89.1 ℃。從圖中可以看到,電纜槽的左右兩側是對稱的。電纜芯線溫度最高的地方是一次回路右相,在正常負載和載流量下,位置和順序保持不變。 對于在線電纜溫度監測,只需要對溫度最高的電纜進行監測,以確保系統的整體溫度不超過限制。

3.2 載流量分析

在城市電網的實際運行中,許多電纜未按照標準進行排列。特別是全部或部分電纜直接放在電纜槽底部的地面上。在標準中無法獲得溫度場和載流量。因此,文中采用有限元法對溫度場和載流量進行分析。電纜全部敷設于電纜溝底部,圖6所示鋪設底部載流量下的溫度場分布。

圖6 鋪設底部載流量下的溫度場分布

從圖6可知,類似于常規敷設,電纜周圍的溫度降變化很大,隨著距電纜距離的增加,溫度降減慢。最高溫度集中在電纜芯部,最高溫度為89.5 ℃。

即電纜載流量的溫度場,通過割線法計算載流量為486 A,相比于標準623 A,下降了22%?？梢钥闯?如果所有電纜都放置在電纜槽的底部,其載流量將會大大降低。原因如下。首先,電纜的敷設密度比標準敷設密度高得多,而電纜的高溫會阻塞其他電纜的散熱路徑,電纜的散熱不暢通。其次是底部結構由水和水泥組成,泥漿的導熱系數高于空氣。同樣,由于角鋼的導熱系數低,鋪設在底部水泥的導熱系數也低于電纜周圍角鋼和空氣的導熱系數。

以上分析可知,將電纜全部敷設在電纜溝的底部會大大降低載流量,敷設越密,散熱越差,電纜溫度越高。在實際敷設中高密度會導致各相間金屬屏蔽層的感應電壓增加,從而增加電纜的電感損耗。因此,該項目應避免在電纜溝的底部鋪設多根電纜,電纜間距盡可能大。電纜部分敷設于電纜溝底部,圖7所示部分鋪設底部載流量下的溫度場分布。

圖7 部分鋪設底部載流量下的溫度場分布

從圖7中可以看出,在常規敷設中,電纜附近的溫度降急劇變化,從遠處到電纜的溫度降變慢。最高溫度集中在電纜芯中,最高溫度為89.3 ℃。這是電纜載流量的溫度場。根據割線方法計算,電纜群的載流量為572 A,比常規623 A低51 A,降低8.2%。相比于全部鋪設溝底,載流量增加了86 A,增加了17.7%。這是因為就電纜敷設密度而言,標準敷設的電纜的密度與部分電纜敷設底部的電纜密度相比稍有分散,全部電纜敷設底部的密度最高。結果表明,電纜敷設密度對電纜的散熱有很大影響,密度過高會導致電纜的載流量下降。

綜上所述,對三種電纜敷設方式的溫度場和載流量分析表明,隨著電纜密度的增加,載流量明顯降低。其中電纜規則敷設密度最低,載流量最大。全部電纜敷設底部的密度最高,載流量最小。電纜部分敷設底部的載流量介于兩者之間。因此,在工程實踐中,應盡可能地保持電纜敷設的規范性,以獲得最大的電纜載流量。

4 結束語

提出了一種變電站電纜通道多參量采集和預警系統的設計方案,重點研究了電力電纜的溫度場和載流量。通過有限元分析軟件,建立了10 kV單芯電纜四回路標準敷設電纜溝的幾何模型,并采用了割線法計算出穩態載流量。對不同工況下的溫度場和載流量進行了實驗分析。結果表明,對于在線電纜溫度監測,只需要對溫度最高的電纜進行監測;電纜鋪設密度過高會導致電纜的載流量下降?？紤]到當前的實驗設備和數據規模,論文工作仍處于起步階段?；诖?逐步改進和完善將是下一步的工作重點。