周忠義，陳維加

(1.北京興迪儀器有限責(zé)任公司，北京100085;2.福建晉江電力有限責(zé)任公司，福建晉江362200)

0 引言

隨著電力科技的進(jìn)步與發(fā)展，高壓和超高壓電力電纜在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛。如何在不改變現(xiàn)有的工程條件下提高電纜的載流量，從而提高電力輸送容量，成為電力工程人員急需解決的問題。近年來，以監(jiān)測高壓和超高壓電力電纜運(yùn)行溫度為主的在線監(jiān)測系統(tǒng)不斷地發(fā)展起來，進(jìn)而發(fā)展成為對電力電纜的剩余負(fù)荷能力進(jìn)行在線連續(xù)監(jiān)測，從而為電力系統(tǒng)調(diào)度人員提供關(guān)于電纜可利用負(fù)載能力的信息，幫助系統(tǒng)調(diào)度人員更合理地分配電纜運(yùn)行負(fù)荷，提高電纜線路的運(yùn)行能力。或者在系統(tǒng)某個局部出現(xiàn)緊急狀況時(shí)，可以根據(jù)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和電纜的實(shí)際可利用帶負(fù)載能力，對系統(tǒng)進(jìn)行快速重新組合，利用剩余負(fù)載能力大的電纜在短時(shí)間內(nèi)提供對故障線路的負(fù)載支援，以便使系統(tǒng)能夠盡快進(jìn)入緊急運(yùn)行狀態(tài)，保證不間斷供電。

以下論述的實(shí)例是采用分布式光纖測溫系統(tǒng)測量電力電纜外護(hù)套的溫度;通過設(shè)計(jì)電纜載流量的模型，計(jì)算出電纜導(dǎo)體的溫度和電纜載流量的相關(guān)信息;通過分析計(jì)算，在確保電纜的安全可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)上，提高線路的最大額定載流量。

1 電纜線路運(yùn)行情況

福建晉江電力有限責(zé)任公司所屬110 kV雙回路電纜線路羅溝線和清晉II回，回路長度2.17 km。兩回110 kV電纜均沿同路徑敷設(shè)，電纜敷設(shè)方式主要是排管、工井、隧道三種方式，另有部分10 kV電纜線路沿同路徑敷設(shè)。

本電纜線路的一端為溝頭變電站，另一端為羅溝線54#(清晉II回21#)架空線鐵塔。從溝頭變至電纜排管有75 m長的隧道;在架空線的一端也有110 m長的隧道。線路的中間部分約1985 m為排管和工井;線路全程共有電纜工井39個，其中接頭井4個。

原設(shè)計(jì)電纜線路的最大允許載流量為410 A，架空線的最大載流量為494 A，整個線路的運(yùn)行電流控制在410 A。晉江電力有限責(zé)任公司根據(jù)市場用電需求，欲將線路的載流量提高至494 A，需對電纜線路的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)測和評估。

2 光纖測溫及載流量分析系統(tǒng)

在羅溝線和清晉II回兩路110 kV電纜上安裝了“分布式光纖電纜溫度監(jiān)測與實(shí)時(shí)載流量分析系統(tǒng)CTM 4000”。該項(xiàng)目從2007年10月底開始施工，至2007年12月完成測溫光纜的敷設(shè)及測溫主機(jī)的安裝調(diào)試;2007年12月至2008年4月完成與溝頭變綜自系統(tǒng)接口軟件的開發(fā)、調(diào)試以及載流量分析軟件的安裝調(diào)試和載流量軟件計(jì)算結(jié)果的實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證。

本系統(tǒng)的測溫主機(jī)安裝在溝頭變，感溫光纜采用外敷設(shè)方式，即沿每相電纜線路敷設(shè)1根用于測量環(huán)境溫度的感溫光纜。感溫光纜為62.5/125 μm多模光纖，光纜外護(hù)套為高性能的低煙無鹵阻燃熱塑型材料。感溫光纜具有優(yōu)良的熱傳導(dǎo)特性、機(jī)械性能、防水性能及抗腐蝕特性。感溫光纜在電纜運(yùn)行狀態(tài)下施工，穿管內(nèi)的光纜不進(jìn)行綁扎，穿管以外的光纜以綁扎方式固定。感溫光纜綁扎固定方式為可拆卸式，固定間距為0.5 m;感溫光纜安裝在電纜側(cè)面，保證感溫光纜與電纜外護(hù)套緊密接觸。感溫光纜采用雙環(huán)形纏繞方式固定在電纜中間接頭處，保證測溫光纜與電纜中間接頭緊密接觸，雙環(huán)形纏繞光纜展開長度為5～10 m。在電纜終端及每個工井處的感溫光纜上都掛設(shè)標(biāo)牌，標(biāo)識感溫光纜起止點(diǎn)變電站站名、感溫光纜距起點(diǎn)長度等信息。

2.1 實(shí)時(shí)載流量分析系統(tǒng)

本系統(tǒng)所安裝的基于光纖測溫的載流量分析系統(tǒng)基本原理如下:

電纜的載流量是由電纜導(dǎo)體的最高允許溫度決定的，而導(dǎo)體的溫升則由電纜各層材料的發(fā)熱、散熱條件及周圍環(huán)境的狀態(tài)(土壤條件、空氣流動狀況、環(huán)境溫度等等)決定。

電纜額定載流量的計(jì)算采用IEC 60287系列標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的電纜額定載流量(100%負(fù)荷系統(tǒng))計(jì)算方法。在此標(biāo)準(zhǔn)中，與電纜結(jié)構(gòu)材料有關(guān)的參數(shù)(例如絕緣、護(hù)套材料的熱阻系數(shù)等)給出了代表性數(shù)值。由于環(huán)境條件取決于電纜敷設(shè)現(xiàn)場的條件和狀況，其可能變化的范圍較大，所以在標(biāo)準(zhǔn)中對與環(huán)境條件有關(guān)的參數(shù)及制造廠與用戶之間需協(xié)商的參數(shù)等的取值未作規(guī)定。

導(dǎo)體溫升可用下式計(jì)算:

式中，Δθ為導(dǎo)體溫升(K);I為單根導(dǎo)體中流過的電流(A);R為最高工作溫度下導(dǎo)體單位長度的交流電阻(Ω/m);Wd為導(dǎo)體絕緣單位長度的介質(zhì)損耗(W/m);T1為一根導(dǎo)體與金屬套之間單位長度熱阻(K·m/W);T2為金屬套與鎧裝之間內(nèi)襯層單位長度熱阻(K·m/W);T3為電纜外護(hù)套單位長度熱阻(K·m/W);T4為電纜表面和周圍介質(zhì)之間單位長度熱阻(K·m/W)，簡稱環(huán)境熱阻;n為電纜(等截面并有相同負(fù)荷的導(dǎo)體)中載有負(fù)荷的導(dǎo)體數(shù);λ1為電纜金屬套損耗相對于所有導(dǎo)體總損耗的比率;λ2為電纜鎧裝損耗相對于所有導(dǎo)體總損耗的比率。由上式變換可得載流量計(jì)算公式:

根據(jù)本工程所采用的電纜為單芯電纜，則n=1;無金屬鎧裝層，則 T2=0，λ2=0。

電纜的最高工作溫度為90℃，則Δθ=90－Te，其中Te為電纜周圍的環(huán)境溫度。

因此，式(1)可以進(jìn)行相應(yīng)的簡化為:

根據(jù)上述熱力學(xué)方程，可得:

式中，Ts為電纜表面溫度;Te為電纜周圍的環(huán)境溫度。式(2)和式(3)中與電纜結(jié)構(gòu)相關(guān)的參數(shù)T1、T2、T3、λ1、Wd和 R 等均可通過電纜參數(shù)準(zhǔn)確計(jì)算，Ts、Te可以通過分布式光纖測溫系統(tǒng)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確測量，實(shí)時(shí)電流參數(shù)I可以從變電站系統(tǒng)中取得。這樣有了Ts、Te的測量參數(shù)以及電流參數(shù)I，使得非常復(fù)雜的外部熱阻計(jì)算、載流量計(jì)算變得簡單和更貼近實(shí)際。

實(shí)時(shí)載流量分析系統(tǒng)，就是根據(jù)電纜運(yùn)行狀態(tài)下的Ts、Te和I實(shí)時(shí)測量參數(shù)，通過計(jì)算預(yù)測電纜線路在現(xiàn)在狀態(tài)下的最大載流量。

2.2 電纜的結(jié)構(gòu)參數(shù)(見表1)

3 載流量計(jì)算軟件的實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證

3.1 載流量計(jì)算軟件項(xiàng)目的驗(yàn)證

驗(yàn)證包括以下三方面:(1)測量電纜表面溫度結(jié)果的驗(yàn)證;(2)計(jì)算導(dǎo)體溫度的驗(yàn)證;(3)載流量計(jì)算結(jié)果的驗(yàn)證。

3.2 驗(yàn)證試驗(yàn)方法簡介

表1 電纜的結(jié)構(gòu)參數(shù)

(1)系統(tǒng)測溫結(jié)果的驗(yàn)證。系統(tǒng)測溫結(jié)果可直接用比對方法進(jìn)行驗(yàn)證。在電纜測溫系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，用傳統(tǒng)的測溫方法測量光纖所敷設(shè)位置的溫度，并與測溫系統(tǒng)所測的溫度進(jìn)行比對。

(2)導(dǎo)體計(jì)算溫度的驗(yàn)證。導(dǎo)體計(jì)算溫度驗(yàn)證的關(guān)鍵是所采用的計(jì)算方法是否適用，軟件編寫有無問題。由于在采用的計(jì)算方法中，不涉及外界因素的影響，因此在進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)只需在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行即可。

根據(jù)光纖測溫特性要求，驗(yàn)證時(shí)電纜長度要求較長(大于10 m)，否則易受接頭溫度的影響而產(chǎn)生誤差。

驗(yàn)證方法如下:在不同的電流下，用熱電偶檢測導(dǎo)體溫度;用光纖測溫系統(tǒng)測量電纜表面的溫度并計(jì)算導(dǎo)體溫度，將導(dǎo)體的實(shí)測溫度與光纖測溫系統(tǒng)計(jì)算出的導(dǎo)體溫度進(jìn)行對比。

(3)載流量計(jì)算結(jié)果的驗(yàn)證。載流量計(jì)算結(jié)果的驗(yàn)證可用如下方法:

①在實(shí)驗(yàn)室中對電纜載流量進(jìn)行檢測，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與同等條件下軟件計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較;

②在實(shí)際運(yùn)行過程中，對電纜施加軟件計(jì)算的載流量電流，通過對電纜表面溫度的測量，計(jì)算到導(dǎo)體溫度應(yīng)為90℃。

本項(xiàng)目的驗(yàn)證試驗(yàn)接線圖如圖1所示。

圖1 載流量計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證試驗(yàn)接線圖

3.3 載流量試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

(1)清晉線II回電纜(YJQ03 1×800)試驗(yàn)。單根電纜在自由空氣中敷設(shè)，環(huán)境溫度為16.7℃，計(jì)算穩(wěn)態(tài)載流量1 820 A(導(dǎo)體允許溫度為90℃)，實(shí)際測量結(jié)果與系統(tǒng)計(jì)算的比較見表2。

表2 YJQ03電纜的單芯載流量預(yù)測比對的相關(guān)數(shù)據(jù)

(2)羅溝線電纜(YJLW03 1×800)試驗(yàn)。單根電纜在自由空氣敷設(shè)，環(huán)境溫度:17.3℃，計(jì)算穩(wěn)態(tài)載流量1 500 A(導(dǎo)體允許溫度為90℃)。實(shí)際測量結(jié)果與系統(tǒng)計(jì)算的比較見表3。

表3 YJLW03電纜的單芯載流量預(yù)測比對的相關(guān)數(shù)據(jù)

(3)由上述武高院的試驗(yàn)結(jié)果可以看出:鉛護(hù)套電纜(YJQ03)的載流能力明顯優(yōu)于鋁護(hù)套電纜(YJLW03)，因此我們只需分析羅溝線的YJLW03電纜載流量即可。

(4)CTM4000系統(tǒng)的導(dǎo)體溫度計(jì)算軟件，是在針對YJQ03和YJLW03電纜建立的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行恒定電流的穩(wěn)態(tài)溫度計(jì)算，其計(jì)算值與熱電偶直接測量值在90℃以下范圍內(nèi)最大偏差不超過±2℃。

(5)試驗(yàn)電纜在自由空氣的敷設(shè)條件下，CTM4000系統(tǒng)的載流量計(jì)算軟件，是在針對YJQ03和YJLW03電纜建立的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，計(jì)算出導(dǎo)體溫度90℃時(shí)的單芯穩(wěn)態(tài)載流量，在該電流下，實(shí)測導(dǎo)體穩(wěn)態(tài)運(yùn)行溫度與目標(biāo)90℃之差小于±2℃。

(6)通過上述驗(yàn)證試驗(yàn)，我們對計(jì)算軟件中電纜結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能參數(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證和標(biāo)定，同樣可以準(zhǔn)確地驗(yàn)證其它敷設(shè)條件下的電纜導(dǎo)體溫度和載流量。

4 在實(shí)際使用環(huán)境下的載流量計(jì)算和分析

(1)線路載流量瓶頸點(diǎn)及載流量的確定。根據(jù)光纖測溫系統(tǒng)CTM4000隨機(jī)采集到的穩(wěn)態(tài)電流:A相為371 A，B相為376 A，C相為371 A情況下的測溫曲線分析，羅溝線A、B、C三相電纜的最高表面溫度和最高導(dǎo)體溫度出現(xiàn)在距離羅溝變電站380 m～400 m的排管敷設(shè)處。因此，該處可以被確定為羅溝線載流量的瓶頸點(diǎn)。

按照此時(shí)的電纜環(huán)境狀態(tài)，計(jì)算電纜最大額定載流量分別為:A相718 A;B相704 A;C相718 A。故按B相的最小值，確定額定載流量為704 A。

此時(shí)土壤的環(huán)境溫度為20℃，計(jì)算電纜表面溫度為81.8℃(B相)，計(jì)算的電纜導(dǎo)體溫度為90℃(B相)。

(2)載流量(B相)計(jì)算的依據(jù)。由式(3)可以對電纜環(huán)境熱阻進(jìn)行計(jì)算:

式中，Ts為電纜在穩(wěn)態(tài)電流為376 A時(shí)測得的表面溫度40.9℃;Te為電纜周圍土壤的環(huán)境溫度20℃;I為穩(wěn)態(tài)電流376 A;R為最高工作溫度下導(dǎo)體交流電阻。

電纜(B相)其他參數(shù)可以根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算獲得:R=2.87 ×10－5Ω/m;Wd=1.57 W/m;λ1=0.106 8;T1=0.523 K·m/W;T3=0.87 K·m/W，這些參數(shù)均經(jīng)過武高所的試驗(yàn)驗(yàn)證。最后，將有關(guān)參數(shù)代入上式并計(jì)算得到環(huán)境溫度20℃時(shí)的環(huán)境熱阻T4=3.49 k·m/W。

(3)不同環(huán)境溫度下和不同運(yùn)行電流下載流量的計(jì)算

當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，利用上述的電纜熱阻和損耗參數(shù)，以及Ts、Te和I實(shí)時(shí)測量參數(shù)，進(jìn)行環(huán)境熱阻和載流量的計(jì)算。

5 結(jié)論

沿羅溝線、清晉線II回110 kV電纜線路敷設(shè)測溫光纖光纜，搭建光纖測溫系統(tǒng)，可以進(jìn)行安全運(yùn)行溫度下(電纜導(dǎo)體溫度為90℃)的電纜表面溫度測試和計(jì)算，通過積累和分析記錄數(shù)據(jù)，確定電纜線路運(yùn)行瓶頸;通過數(shù)學(xué)模型分析計(jì)算電纜的導(dǎo)體溫度、電纜運(yùn)行狀態(tài)下的實(shí)時(shí)額定載流量，以及電纜表面溫度、電纜導(dǎo)體溫度和電纜最大載流量之間變化的關(guān)系，可以有效利用電纜設(shè)計(jì)允許載流量達(dá)到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行目的。

通過武高所和現(xiàn)場的實(shí)驗(yàn)和運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，可得出以下結(jié)論:

(1)由于電纜的結(jié)構(gòu)不同，清晉線II回的載流能力在相同的敷設(shè)條件下要優(yōu)于羅溝線;

(2)羅溝線的載流量瓶頸點(diǎn)為距離羅溝變電站380～400 m處的排管處;

(3)羅溝線在土壤溫度為20℃時(shí)的長期額定最大載流量為704 A;

(4)基于分布式光線測溫的實(shí)時(shí)載流量分析系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)預(yù)測電纜線路安全運(yùn)行的最大載流量，在一定范圍內(nèi)提高電纜的設(shè)計(jì)運(yùn)行能力。

(5)在光纖測溫系統(tǒng)及載流量軟件的指導(dǎo)下，清晉線II回和羅溝線最大運(yùn)行電流可以提高到494 A。

［1］IEC 60287-1-1:2006 Electric cables—Calculation of the current rating-Part 1-1:Current rating equations(100%load factor)and calculation of losses-General［S］.

［2］IEC 60287-1-3:2002 Electric cables—Calculation of the current rating-Part 1-3:Current rating equations(100%load factor)and calculation of losses:Current sharing between parallel single-core cables and calculation of circulating current［S］.

［3］李志堅(jiān)，李 寧，郝文霞，等.天津某220 kV電纜線路載流量研究［J］.高電壓技術(shù)，2008，34(增刊2):59-61.

［4］王 立，李華春，薛 強(qiáng)，等.220 kV電纜分布式光纖測溫系統(tǒng)運(yùn)行情況分析［J］.電力設(shè)備，2007，8(6):36-41.