浅议在配网自动化改造中的电缆接头温度监测系统的设计及选取

2012-09-26华北电力大学电气与电子工程学院钟恒强

电器工业 2012年4期

华北电力大学电气与电子工程学院钟恒强

0 引言

2009年年8月，国家电网公司把北京、厦门、杭州、银川列为了第一批配电自动化试点建设城市。作为实施方，试点城市均制定了配电自动化建设的总体方案并且在迅速、有序的推进建设。以杭州市电力局为例，配电自动化改造采取一次网架改造、配电设备改造、配电自动化主站建设与改造、配电自动化终端建设与改造的方式进行。杭州市目前试点范围内所安装的中压配电设备基本使用空气绝缘SF6环网柜及气体绝缘SF6环网柜，且中压网架结构主要以电缆供电为主，少量架空线路为辅，因此如何结合配电自动化改造在事前准确预判电缆接头故障和事后准确查找电缆故障成为杭州市电力局在配电自动化中实施关注的一个课题。

实际运行经验和理论分析表明，电缆接头处发生的各类故障并不是一个突发的过程，而是因为接头处温度不断升高，使绝缘逐步老化、泄漏电流逐渐增加，到达一定程度后再发生击穿，是一个由量变到质变的过程。因此，连续地监视电缆接头温度的变化，就可以全面准确地了解其工作状况，根据情况适时进行停电检修。特别是当发现某个接头处的温度过高(超过一个预先设定的值)或变化过快时，说明此处的绝缘已比较薄弱，继续运行很可能会引发严重故障。此时及时发出报警信号，使值班人员及时处理，可以有效地避免严重故障的发生，确保电力系统安全、可靠地工作。对于未经过自动化改造采用地下直埋电缆敷设方式的城市供配电网，由于电网分布广、距离长，监测装置安装现场无法提供电源，使得现场装置不能与中控室的上位机系统建立通信通道，也就无法实现对电缆接头运行状态或故障的远方监测。目前经过自动化改造后，如何设计和选取适合于自动化供配电网的电力电缆接头温度在线监测与预警系统，是本文主要讨论的课题。

1 温度监测系统总体架构的设计

配电自动化通常由安装于城网调度中心的主计算机系统(简称主站)、安装于配电变电站的变电站远程工作站(简称远程站)、安装于线路上的自动开关、控制自动开关及台变附近的控制终端(子站)及安装于各用户上的负荷控制终端几个部分组成。对于电缆接头温度在线监测与预警系统，参照配电自动化的架构设计，采用主站、终端(子站)二层结构,功能的实现应该主要由主站、装设在户内开关站或户外开关站的子站以及装在环网柜内的电缆头温度测量装置和连接这些设备的信号传输通道构成。整体系统示意图见图1

2 电缆头温度监测子系统的构建

电缆接头温度在线检测子系统,主要是针对环网柜、开关柜中电缆接头因绝缘老化或接触不良等故障的早期预警而设计。单台环网柜电缆头的监测主要由温度传感器、数据接收单元，传输通道组成。以图2为例，温度传感器将数据传至数据接收单元，数据接收单元负责接收及上传在其接收范围内的数据。电缆头温度监测子系统的通讯网络见图3。

3 缆头温度传感器的选择

温度敏感元件法测量是一种用的较多并且技术已经十分成熟的方法，非常适合分布式点测量和精度要求较高的情况，城区电缆接头的温度监测就属于分布式点测量，所以需要选择一种比较适合的温度敏感元件即温度传感器对接头温度进行测量。目前数字温度传感器测温（信号无线传输）和光纤光栅传感器测温（信号光纤传输）为代表的接触式测量方法为主流测量方法，在国内的期刊文章中，对两种测量方法的原理也多有比较，在此不再加以赘述。两种测量方法的简单示意见图4及图5。

前者的信号传输通道为无线传输，传感器和数据接收器间无介质联系，为独立安装和维护。后者的信号传输通道为光纤，接收单元与光纤光栅采用光纤连接。一种测温方法能否适应电力系统高压设备的温度测量的实际要求，以及适用于何种场合，可以从测温精度及稳定度、安装及维护难易程度和对一次设备运行的影响程度等三个方面来分析。

3.1 测温精度及稳定度分析

作为高压带电设备的测温设备，两种方法都能满足电力系统测温精度（±1℃）的实际要求，主要从长期运行的稳定性考虑。

(1)光纤光栅测温子系统的整体结构简单，只有光纤光栅温度传感器和接收单元两大主要部分组成，无中间环节，而测量现场为全光测量，完全不受强电场和强磁场的干扰，能够保障系统的稳定运行。

(2)数字温度传感器测温子系统采用等电位温度传感器，内置CPU和射频模块，探头与电气接点采用等电位技术，能够保护内部电路，使得该系统适用于任何电压等级的配电装置上，温度传感器通过2.4G高频通讯上传数据，与接收单元间没有导线连接，对供电系统无任何干扰；

3.2 装及维护方便性分析

（1）光纤光栅测温子系统

在环网柜中安装时，每面开关柜在3个电缆接头上分别安装一只光纤光栅温度传感器，光纤光栅温度传感器采用专用的航空胶粘接固定，能经受长期的开关柜分合动作及一年污水浸泡测试。3只传感器之间引到低压室内光分路器按照星形方式并接在一根光纤上，然后引出与传输主光缆进行汇接。这样做的目的首先是开关柜检修时不必拆装光纤光栅温度传感器，其次是使开关柜内光纤传输线路非常整洁、美观，没有光纤迂回缠绕，不会出现污闪，安装快速。

在今后维护方面，光纤光栅传感器是无源传感器，通过光信号进行温度测量和信号传输，无需供电，也不存在更换电池等维护问题。即使在特殊情况下，需要更换传感器和光纤，也能够方便更换。

（2）数字温度传感器测温子系统

数字温度传感器底面是感温面，传感器测到的温度就是该感温面的温度，若温度传感器放置在空气中，则测到的就是环境温度。为了准确测量物体表面的温度，需要保证传感器的感温面与被测物体的表面紧密接触，并用物理的方式将其固定在被测物体上。在电缆头测温时，使用金属扎带将温度传感器捆绑在测温线缆上。

数字温度传感器和数据接收器间无介质联系，可独立安装和维护。目前已开发的无线测温系统是按分布化设计的，测温设备与数据接收可以任意组合单个传感器的故障不影响整体，用户可在停电时自行更换。数字温度传感器发送信号需要提供电源，目前一般采用锂电池供电，虽然电池理论可以可持续工作10年以上，但始终存在更换与维护问题。且由于监测装置安装在高电压现场，为满足电气隔离的安全要求，系统的工作电源不能由二次电源经降压、整流、滤波后提供，不能用导线直接从低压侧供给，电源供给成为制约这类监测系统发展的关键。

3.3 一次设备运行的影响程度

对一次设备运行安全的影响是指测温器安装后对一次系统绝缘的影响：

（1）光纤光栅测温子系统

光纤光栅测温在用于高压带电设备的测温时，安装于高压电缆室内的光栅测温传感器至低压部分的数据接收单元间需作光纤连接线。尽管光纤耐压水平较高，但其套管的耐压水平与制造厂家生产的质量有关，以往使用运行单位担心暴露在空气中的光纤套管在长期运行中会受到空气中的灰尘和酸雾的污染，导致绝缘水平减低后会增加一次侧发生事故的概率。因此对光纤光栅测温是否能应用于中压配电柜内及户外高压配电装置如高压隔离开关触头、中置式开关柜母线、静触头等间依靠空气的裸露带电测温点还存在争议。

而在用于电缆室内电缆终端头或电缆沟电缆中间接头位置处时，测温位置在电缆附件的外绝缘层，光纤连接线与一次电缆接头裸露导电部分没有缠绕和接触。因此光纤光栅温度传感器在测量电缆接头不会降低高压开关柜自身的绝缘安全等级，不会引入安全隐患。

（2）数字温度传感器测温子系统

数字温度传感器和数据接收器之间无介质联系，原理上对一次系统的安全无影响。数字温度传感器为等电位温度传感器，内置CPU和射频模块，探头与电气接点采用等电位技术，能很好的保护内部电路，因此只要数字温度传感器的相间安装距离满足相应的绝缘距离，就能适用于相应电压等级的配电装置上。

因此对测温子系统选择时言，当在应用场合为电缆头测温时，光纤光栅测温子系统一方面不存在更换电池等维护问题，另一方面传感器安装更方便，更适用于电缆头测温。

4 通讯

在户内或户外开关站中，环网柜的数量一般在10台以上，根据图3的示意，各台环网柜的温度数据统一传递到数据汇集器后，由汇集器进行信息接收和上传。数据汇集器应该至少有以下功能：

（1）接收各数据接收单元提供的温度信息，存储起来供DTU读取；

（2）当接收到任一数据接收单元上传来温度报警信息后，立刻将通往DTU的继电器干接点由常开变换到常闭状态；

（3）接收到DTU的查询指令后，将存储的故障信息上传给DTU；

汇集器具有远程通信接口和本地通信接口及继电器干接点，通过这两个接口和继电器干接点，汇集器接收本地安装的温度信息和报警接点远传到站所终端（DTU）上。通信接口同时起到给汇集器供电的功能。

站所终端（DTU）即采用原开关站内设置的DTU，不需要另外设置，但需要根据温度采集的需要预留通信接口和继电器接口。以典型的功能实现为例，如扩展温度采集功能，则采集的开关柜信号有环网柜三遥量和温度报警信号采集，实时温度的信号采集。

5 待解决问题

对于电缆接头温度的监测，主要通过测量电缆接头表面温度反应线芯温度。在以往国内文章的分析中可知，电力电缆及其终端的表面温度与内部线芯温度的对应关系取决于电缆及其终端的结构、材料参数和负载电流等。在不同的负载电流,电缆接头的表面温度与线芯温度呈线性正增长关系，因此需要在给出具体的电缆接头结构和参数等数据的情况下，利用表面温度与线芯温度的对应关系,通过软件的程序设置，在工程中才可有效通过测量接头外表温度反映接头内部线芯温度。

因此，如果对以上方案进行试用，有两种方式来判断电缆是否存在问题

5.1 方案一

在后台设置电力开关柜光纤在线测温系统软件，自动对光纤光栅温度传感器所在区域进行实时温度监控。为了能实现配电自动化的统一监控，需在配网主站系统与在线测温系统之间设立程序接口，在两者之间进行数据和模型的转换，并对相关信息进行过滤，使在线测温系统承担起数据中转站的角色，在线测温系统的报警命令传递到配网主站，通过配网主站实现开关站进出线开关的遥控功能。

5.2 方案二

采用“差分比较法”来判断电缆温度是否越限。即通过判断同回路三相探头温度的相对变化,当相对变化超过一定值后,则认为电缆接头出现温度过高情况,立即启动告警过程,将该信息发送到数据汇集器及DTU。通过该方案解决了因电缆表皮温度软件转化，线路负荷不同、季节温度不同(冬、夏)所造成的温度告警限值的不同,避免了系统的“故障误报”。