基于内嵌式光纤电力电缆温度场试验研究

陈江源,刘同同,张 航,吴文克,敖 明

(1.东北电力大学 电气工程学院,吉林 吉林 132012; 2.吉林省电力有限公司 电力科学研究院,长春 130021)

基于内嵌式光纤电力电缆温度场试验研究

陈江源1,刘同同1,张 航1,吴文克1,敖 明2

(1.东北电力大学 电气工程学院,吉林 吉林 132012; 2.吉林省电力有限公司 电力科学研究院,长春 130021)

为充分发挥电力电缆的裕量,同时确保电缆安全运行,讨论了内嵌式光纤电力电缆原理,并进行了66 kV 1×1 200 mm2XLPE电缆试验研究。试验结果表明,缆芯、光纤误差均在2.5 ℃以内。同时也证明了有限元模型的正确性,以及内嵌式光纤测温技术具有误差小、精度高、运行可靠等特点。

内嵌式光纤; 有限元; 电力电缆; 温度测量

随着城市建设进程的加快,电力电缆得到越来越广泛的应用[1]。迅速扩大的规模和不断提高的电压等级,使电缆运行的安全、可靠性问题日益凸显,建立一个有效的在线监测平台势在必行。所以分布式光纤测温系统(DTS)凭借强大的抗电磁干扰能力、较远的测量距离、较高的灵敏度、较长的使用寿命、误报和漏报率低等特点,被迅速运用于电缆的温度监测中,且在重要线路的高压和超高压电缆均已经沿线安装。

DTS主要有3种类型:1)外置式,即在电缆外护层表面贴测温光纤;2)内嵌式,即在缓冲层植入测温光纤;3)光纤植入导体,由于生产困难,光纤易断裂,目前尚处于研究阶段。本文基于有限元法对恒定负荷和周期性负荷下的电缆运行情况和光纤测温进行了分析,并在高压实验室对一根含内置光纤的单芯66 kV 1×1 200 mm2XLPE电缆进行了研究,以验证模型的正确性和光纤测温的准确性。

1 有限元中电缆温度场计算原理

1.1 温度场控制方程

电缆施加的载流量越高则导体的温度越高,XLPE电力电缆缆芯在不损坏其绝缘特性情况下的温度上限为90 ℃。超过此温度,就会使绝缘层加速老化,从而缩短电缆的使用寿命。因此需要进行温度场的计算,确保科学、高效施加载流量[2-5]。

温度场有限元模型控制方程为

式中:qx=-kx(∂T/∂x),qy=-ky(∂T/∂y),qz=-kz(∂T/∂z);kx、ky、kz为导热系数,W/(m·k);qb为热源单位体积和单位时间下微元体内部所产生的热量;ρ为材料密度,kg/m3;c为材料的比热,J/(kgK)。

1.2 初始条件和边界条件

按照物体边界热传递特点,可分为三种类型的边界条件。

第一种为已知边界上的温度:

式中:λ为导热系数，W/(m·K);q为热流密度W/m2。

第三种为已知是环境温度和对流换热系数:

式中:h为对流换热系数;Tf为流体温度。

1.3 电缆温度场的求解

在求解的过程中,三角形基本单元是有限元计算电缆温度场最常用的划分单元,它对电缆各层的圆形边界具有很好的适应性,所以划分网格时,采用三角形单元划分。

假设在三角形单元中,其子单元的温度是与m、n相关的线性函数,即

T=b1+b2m+b3n

式中：b1、b2、b3是待定常数,它们可以由节点上的温度值通过插值法来确定。

1.4 温度场的损耗计算

在电力电缆运行的过程中,电缆的各层都会产生损耗,从而使电力电缆运行温度升高。当电缆产热和散热达到动态平衡时,缆芯温度达到最高允许工作温度90 ℃。金属护套应用交叉互联接地方式,有效减小了感应电压,从而减小护套损耗。为了方便计算,这里只计及缆芯的损耗:

SQ=I2R′(1+ys+yp)

R′=R0[1+α20(θc-20)]

式中:R0为20 ℃时单位长度缆芯的直流电阻;θc为缆芯温度;yp为临近效应系数;ys为集肤效应系数;α20为20 ℃时缆芯电阻的温度系数。

2 内嵌式光纤测温原理

由于光纤极易发生断裂,为提高光纤抗压和抗拉强度,在光纤充油束管左右各布置一股铜条,使光纤具有良好的机械性能,避免光纤安装和运行中断裂[6-8]。

激光脉冲入射到光纤的传播过程中与光纤发生非线性散射,该散射由瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射组成,如图1所示[9-11]。本次试验所使用的光纤测温仪器采用拉曼散射的原理。

图1 后向散射光分析

当激光光源向待测光纤施加脉冲后,其中的一小部分拉曼散射光(包含Stokes Light和Anti-stokes Light)通过光纤返回光端机。反射光的强度与被测量点的温度有关,所以测量反射光的光强就可以得到被测点的温度。光子的强度与被测点温度之间的关系为

(Ias/Is)∞exp(hcσ/kT)

l=vt/2

式中:Ias、Is是Anti-stokes Light和Stokes Light的光子强度,s-1/sr;h是普朗克常数;c是真空中的光速,m/s;k是波尔兹曼常数;σ是波数,m-1;T是绝对温度度,K;v是光波在光纤中的传播速率,m/s;t是入射光和反射光之间的时间差,s;l是被测点的空间距离,m。

目前,基于拉曼散射技术的光纤传感测温长度可达到近30 km,测量精度可达到0.5 ℃,空间分辨率可达到0.5 m。

3 有限元计算模型的试验验证

为证明有限元模型的正确性,在高压实验室进行了66 kV 含内置光纤电力电缆空气中敷设温升试验。试验设备接线如图2所示。试验采用含内嵌式光纤电力电缆,其结构如图3所示。

该实验恒定负荷持续24 h,通入电流1 800 A;变负荷持续34 h,施加2 000 A电流6 h、1 000 A电流4 h、1500 A电流4 h、800A电流3 h、1 200 A电流3 h、1 000 A电流4 h、1 500 A电流4 h、1 800 A电流4 h、800 A电流2 h。采用热电偶测量了缆芯、绝缘层、铝护套和外皮的温度,采用光端机测量了光纤温度。利用有限元程序模拟计算了电缆各层以及缆芯的温度,计算结果和试验结果如图4、图5所示,采用的电缆各层参数如表1所示。

图2 电缆导体温升试验原理接线

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

图3 内嵌式光纤电缆截面

表1 66 kV 1200 mm2 电力电缆参数

从图4、图5可以看出,无论是在恒定负荷以及变负荷的情况下,用热电偶测量的缆芯、铝护套、外皮温度,以及光端机测量的光纤试验测量值都与有限元计算值十分接近。在恒定负荷的情况下,缆芯的最大误差为2 ℃,光纤最大误差为0.9 ℃,铝护套最大误差为1.5 ℃,外皮最大误差为1.58 ℃;在变负荷的情况下,缆芯的最大误差为2.27 ℃,光纤的最大误差为2.4 ℃,铝护套最大误差为2.15 ℃,外皮的最大误差为1.5 ℃。

图4 66 kV空气中敷设内嵌式光纤电缆恒定负荷下温升曲线

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

图5 66 kV空气中敷设内嵌式光纤电缆变负荷下温升曲线

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

4 光纤测温的实际应用

电缆线路在实际运行过程中突发故障,会引起电缆本体甚至周围附件温度的升高。当温度上升到一定程度时,就会导致绝缘层损坏直至击穿。因此引发电缆输电线路起火,从而造成人员伤亡和惨痛的经济损失,产生恶劣的社会影响。

在实际运行过程中,电缆绝缘出现问题时,往往会伴随一些特殊讯号,如在即将击穿的部位附近温度会升高很快。如果使用含内置光纤的电力电缆,通过光端机读出实时光纤温度,配合根据实际工况建立的模型就可以推断出故障所在点的实时温度,将隐患尽早排除。在正常运行的情况下,可以通过光纤温度推出电缆载流量,在安全运行的前提下,最大程度地提高载流量,提高经济效率。

5 结 论

1) 电缆的空气中敷设试验验证了有限元含内嵌式光纤模型的正确性。

2) 光纤试验数据和计算数据误差在2.4 ℃以内,验证了光端机读数的准确性。

3) 根据不同工况建立的有限元模型加上光端机的实时读数,方便了运行部门确定载流量以及故障排查,有效提高了电网运行水平。

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(责任编辑 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。

陈江源(1990—),男,在读硕士研究生,研究方向为高电压与绝缘技术。

TM726.4

A

2095-6843(2015)04-0339-04