输变电2010论文4：高压电缆线路运行综合监控技术研究.doc

输变电2010论文4：高压电缆线路运行综合监控技术研究摘要：本文从分析影响高压电缆线路安全运行的电、热、机械、环境等四个因素入手，提出对高压电缆线路电气参量和环境参量进行综合监控，达到实时掌握电缆运行状态的目的，根据这一思路，研究和开发出一套电缆综合监控系统。该系统通过监测电缆运行电气参数（运行电流、金属护层电流、电缆及附件表面温度、电缆局部放电等）和环境参数（环境温度、水位、空气、有害气体、井盖、视频）实时掌握电缆运行状态，系统运用诊断模型，对电缆运行状态做出实时诊断，方便运行维护人员采取相应的维护和检修策略。一、前言近年来，高电缆线路数量增加迅速，以厦门地区为例，电缆线路长度年增长约30%。这些电缆线路做为厦门输电网的组成部分，其地位十分重要，确保电缆线路的安全运行极为重要。特别是电力进岛第一通道，有一段约1.2公里长的电缆隧道下穿厦门机场跑道，出于机场安全的考虑，航空管理部门要求加强监控，确保安全。而电力进岛第四通道是我国第一条海底隧道，隧道最深处在海平面下70米，而且是利用交通隧道中的服务隧道，平时进出极为不便，如何有效监控电缆线路运行状态和电缆隧道的状态是一个新课题。 图1： 2001-2009年厦门地区高压电缆线路长度统计图二、传统运行维护管理手段和方法的不足对于高压电缆线路，按照传统的管理办法，要掌握上述电缆运行状态，一是靠人工巡视，以便及时发现电缆运行环境的变化情况，防止外力破坏的发生，二是靠人工测量电缆金属护层环流，以便及时发现电缆护层绝缘缺陷，三是靠停电测量电缆护层绝缘电阻和主绝缘电阻以及做交流耐压试验。这些传统的做法，一是需要耗费大量的人力物力，以护层电流测量为例，由于绝大多数的电缆交叉护联接地箱或直接接地箱要么在工井内，要么在铁塔上，测量一条电缆护层循环电流，需要打开工井进入到工井内测量，数据记录完后还要回来输入到gpms系统，可以说相当费时费力。许多工井处于市区主要道路下面，打开工井需要得到市政管理部门的批准，并且对道路交通造成影响。二是需要停电，影响输电线路可用率，影响供电可靠性。三是传统的手段和方法不能有效及时地发现电缆的缺陷和隐患，有些试验（如耐压试验）可能对电缆线路造成永久性伤害。例如，做护层绝缘电阻试验，可能使本来就薄弱的护层绝缘进一步恶化，扩大了缺陷，很多护层缺陷很难查找，即使查找出来，也很难修复（如在排管中间等）。传统电力井盖容易被不法分子随意打开，通过工井进入电力隧道大肆偷盗电缆设备的案例屡屡发生，尤其从2005年下半年开始，随着铜价的上涨，全国电力隧道内110kv及以上电缆线路交叉互联线、接地线、回流线、交叉互联箱、接地箱等实施丢失情况严重，给电力公司造成了严重的经济损失，同时也直接威胁电缆的安全运行。基于上述分析，我们必须依靠技术进步，变革传统的运行维护管理模式，探索适应时代需要的，既经济又能有效监测电缆线路运行状态的手段和方法。三、电缆线路在线监测技术发展概况近几年来，厦门电业局致力于探索基于带电检测的高压电缆运行维护管理新模式。几年来，我们投入许多人力物力，研究开发了一些电缆监测系统。1.研究和开发了高压电缆导体温度监测和实时载流量计算系统，该系统包括电缆表面温度监测系统和电缆导体温度计算、载流量计算软件两部分，其中电缆表面温度监测系统采用分布式ofdr光纤测温技术，可以做到在线实时、全程监测电缆表面温度，并记录电缆表面温度变化情况，当出现电缆表面温度异常时发出报警信息，通过对电缆温度的监视，随时掌握电缆的运行温度，既可避免电缆在过载的情况下长期运行，又可根据运行的温度及时调整电缆的负荷，对电力系统的安全、经济运行大有益处。电缆导体温度计算、载流量计算软件部分，采用国际标准提供的计算方法，可以通过电缆表面温度计算出电缆导体温度，通过电缆导体温度计算载流量，进而对电缆最大负荷做出预测，为电力调度提供技术依据。提高电缆的传输能力，发挥电缆的最大潜力。通过该系统在2007年11月12日及时发现了220kv禾半i、ii路电缆温度异常缺陷，通过正确和及时处理，避免了一次设备事故和极有可能发生的大面积停电事故。目前，该系统已经在全省推广应用，我局也将在220kv半兜线、东兜线、春围i回、兜围i回以及进岛第一通道ii回路上安装使用。2.研究开发了高压电缆护层绝缘监测系统，系统能实时测量电缆金属护层循环电流、电缆运行电流、电缆表面温度、交叉互联接地箱、直接接地箱温度、环境温度，通过gprs将监测数据传送到服务器。系统软件可以对测量的数据进行处理和分析，以数值和曲线的方式反映护层循环电流等运行参数的变化情况。当监测到的数据异常时，系统会发出报警信号，以短信的方式提醒有关人员。系统的应用改变了传统的人工测量护层循环电流和停电测量护层绝缘电阻等维护检修方式，提高了工作效率，提高了电缆线路的安全可靠性。该系统已经在全省推广应用。3.开展电缆在线局部局部放电检测工作，引进osm-st1局部放电检测仪，该设备通过检测流过金属护层的高频电流信号，能在电缆局部放电发生的初期得到诊断。该设备的使用，增加了对交联电缆在线检测的手段，填补了省内技术空白。利用该仪器送电部做了大量的模拟试验和现场检测，取得了许多有价值数据和图谱。利用该项技术手段及时发现了正新i、ii回电缆缺陷，防止了电缆事故的发生。目前我们已经在禾半ii路上安装固定式的电缆局部放电监测仪，同时利用osm-st1对所有电缆进行周期性的带电检测。随着现代电力电子技术、计算机技术和通讯技术的发展，研制出一套智能化的高压电缆线路综合监控系统已经成为可能。分布式光纤测温系统，电缆护层电流监测系统，电缆局部放电监测系统均有现成技术，气体传感器，水位传感器、智能视频设备等产品也趋于成熟。在上述技术基础之上，研究并开发出一个综合监控平台，能将上述的监测系统和终端接入平台，对数据进行分析和存储，发现异常时发出声光、短信报警，从而实现对电缆线路运行的综合监控。四、影响高压电缆线路安全运行的主要因素厦门地区高压电缆线路主要采用电缆排管，电缆沟和电缆隧道的敷设方式，影响高压电缆安全运行的主要因素有如下几个方面。1.外力破坏。包括各种施工对电缆的影响和破坏，也包括人为偷盗电缆井盖，电缆本体及电缆接地线、回流线、交叉互联接地箱等附属设施。近几年来，各种外力破坏对电缆线路的安全威胁在逐年加大。2007年，仅在厦门电业局就发生了16起电缆外力损坏事件，其中施工外破2起，偷盗电缆接地引线15起，给电缆线路安全运行造成很大威胁。2.绝缘老化。近几十年的电缆老化机理研究认为电力电缆在强电场下，由于潮湿环境和内部局部缺陷的共同作用在绝缘体内部形成水树。由于电缆的老化主要来源于电老化和水树老化，电缆在电场作用下，特别是遭受过电压或冲击过电压时，电缆的气隙会出现放电，并逐渐发展为电树。电缆中绝缘的老化，特别是水侵入的水树老化，是由水分、电场、缺陷等各种因素相互作用的结果，是一个非常缓慢的过程，伴随的是电缆整体介质损耗随运行年限不断升高。电缆中的水树枝顶端的场强集中到一定程度，水树就会发展成电树枝，电树枝的发展速度很快并伴随有局部放电发生。电缆中一旦形成电树枝，电缆在很短的时间内就会发生击穿。此外，电缆附件是在现场安装的，受人为因素的影响较大，容易留下缺陷和隐患，这些缺陷和隐患在长时间运行电压和过电压情况下，会逐渐产生局部放电，最终使绝缘击穿。因此，基于电缆的介质损耗，局部放电水平，电缆导体温度可以对电缆老化状态进行判断，可以有计划地对电缆进行维护管理。电缆绝缘劣化机理如下图2所示： 图2：电缆绝缘劣化机理3.运行环境变化。包括电缆及其附属设施的散热环境、敷设环境的变化。厦门地处沿海，地下水位高，大部分的高压电缆采用电缆沟和排管敷设，排管内基本上充满了水，大部分电缆工井积水严重。电缆中间接头工井在、电缆沟、在太阳直射情况下，散热条件差。五、高压电缆线路运行综合监控的主要参量1.电缆线路运行参量对于电缆运行维护人员来说，主要参量有电缆的运行电流、金属护层循环（接地）电流，电缆及附件表面温度，电缆局部放电情况 。各项参量的监测意义和精度要求如表1所示表1：电缆线路运行参量及监测要求序号监测参量监测意义精度要求1运行电流了解电缆的负荷情况，防止过负荷，且该参数直接与电缆表面温度密切相关精确到1安培2金属护层电流通过监测金属护层电流判断电缆护层绝缘状况和接地系统运行情况精确到0.2安培3电缆及附件表面温度通过监测电缆表面温度可以计算出电缆线芯温度，防止电缆过负荷运行，同时可以在特殊运行方式下充分发挥电缆的输送容量。电缆敷设环境的变化（如外部热源的侵入、沟盖板被打开）也能通过监测电缆表面温度及时发现。电缆故障时，故障点电缆表面温度也会发生变化。精确到14电缆局部放电及时发现电缆线路本体或接头缺陷精确到10pc2.电缆线路运行环境参量不同的敷设环境有不同的环境参量，对于隧道敷设的电缆线路，其环境参数监测意义和要求如表2所示表2：电缆线路运行环境参量及监测要求序号监测参量监测意义精度要求1隧道井盖和出入口开启与闭合状态防止无关人员进入隧道，防止施工和检修人员未经许可进入隧道作业100%准确2隧道环境温度防止隧道环境温度过高影响电缆输送容量，及时发现外部热源的侵入精确到13水位监测及时发现隧道排水系统运行缺陷，防止电缆隧道被水淹没100%准确4智能视频监测对重要部位（中间接头区，隧道地势最低区等）进行智能视频监测，可直观看到现场情况，对非法创入者进行拍照和录象100%准确5空气含量监测确保进入隧道人员的安全6有害气体监测主要监测一氧化碳含量，确保进入隧道人员的安全六、高压电缆线路运行状态评价模型长期监测高压电缆运行电气参量和环境参量，根据参量的变化情况，可以对电缆线路运行状态进行评价，根据评价结果，运行维护部门采取相应的巡视、维护和检修策略。同时，根据各相关参量对电缆线路安全运行和影响程度，设置不同权重，建立高压电缆线路运行健康指数。根据相关的参考文献和厦门局自身经验，在隧道敷设的电缆线路中，我们选取运行电流、护层电流、电缆表面温度、电缆局部放电及相关的环境参数做为监测参量。参照国家电网公司设备评价做法，我们把监测参量监测结果分为正常、注意、异常和严重四种情况并分别赋予1，0.7，0.5和0的分值，各监测参量最差的结果做为该电缆线路的最终评价结果。根据各监测量对电缆线路安全运行影响大小，分别设置权重，把状态监测参量的分值乘以权重，进行累加后乘以100，得到该电缆线路的运行健康指数。对于本项目，各状态监测量和判断标准如下表3所示：表3：电缆线路运行状态评价表序号监测参量判断标准监测数据权重1运行电流i0.8ie（ie为额定运行电流）正常运行电流20%0.8iei1.0ie注意1.0 iei1.2e异常i1.2e严重2护层电流0护层环流/运行电流10%正常护层环流/运行电流监控20%10%护层环流/运行电流15%注意15%护层环流/运行电流20%异常20%护层环流/运行电流严重3电缆表面温度电缆表面温度环境温度+5且电缆表面温度50正常电缆表面温度20%环境温度+5电缆表面温度环境温度+10且电缆表面温度50注意环境温度+10电缆表面温度环境温度+20且电缆表面温度50异常电缆表面温度环境温度+20或电缆表面温度50严重4局部放电详见局放判断标准正常局部放电烈度和强度20%注意异常严重5井盖监控0报警次数/年1正常井盖非法开启次数5%1报警次数/年2注意2报警次数/年3异常3报警次数/年严重6环境温度t设计值正常环境温度5%设计值t设计值+10注意设计值+10t设计值+15异常设计值+15t严重7氧气含量20.4vol氧气含量21.4vol正常氧气含量2%19.9vol 氧气含量20.4vol 或者21.4vol 氧气含量21.9 vol注意19.5vol氧气含量19.9vol或者21.9 vol氧气含量23.5vol异常氧气含量23.5vol严重8一氧化碳含量一氧化碳含量8ppm正常一氧化碳含量3%8ppm一氧化碳含量10ppm注意10ppm50ppm严重9水位监控0水位数据0.2米正常水位数据5%0.2米水位数据0.3米注意0.3米水位数据0.4米异常0.4米水位数据严重电缆线路状态：根据9个标准判断出来的结论，以最严重状态作为电缆线路状态七、高压电缆线路运行综合监控系统的研发1.系统简介高压电缆线路运行综合监控系统主要目标是实时掌握电缆运行状态。该系统包括一个综合监控平台和五个子系统，即电缆井盖监控子系统、电缆隧道环境监测子系统（包括隧道环境温度、水位、空气含量、有害气体含量、照明、通风等），电缆监测子系统（运行电流、金属护层电流、电缆及附件表面温度、局部放电等），智能视频子系统，应急通讯子系统。电缆综合监控平台可实现基于gis地理信息系统综合管理功能，各种监控参量可以平滑上传到不同的职能的管理部门，平台自身的管理模块，如语音通知模块、短信报警模块等可以同时为所有的子系统提供服务，把多个子系统有机的整合到一起，避免出现多套监控系统各自为政的混乱局面。2.系统结构系统以电缆综合监控平台为核心和基础，构建了多个应用子系统，并实现多种监控功能，如下图3所示： 图3：系统结构图3.系统主要功能特点（1） 实时监测人孔井盖在线状态、运行电缆的电缆接头接地电流、电缆接头的温度、电力隧道内的水位、有害气体、空气含氧量，通过对以上数据的实时采集，能够预测电缆头或电缆本身的故障趋势，及时提供电缆故障部位和检修指导，避免发生重大事故。实时显示测量数据的曲线走势图、日最大和最小曲线图，实时显示测量数据变化速度的曲线图，实时显示测量数据之间的比值关系及其变化速度。（2） 系统根据各监测量实测值，运用诊断模型，对隧道内每条电缆运行状态进行实时诊断，并给出处理意见。诊断界面如图4所示图4：电缆运行状态诊断界面（3）隧道内关键地段实现了应急通信与视频监控，彻底解决了隧道内无法与外界联络的问题，并可以通过上层平台对隧道内的施工、巡检等提供支持与监督。（4）服务器监控软件是多用户软件，所有变电站监控单元共享同一服务器，最大限度地减少硬件投入和运行维护成本。（5）监控平台自身拥有监控常用的语音接口、短信接口、报警管理和远程控制模块，通过不同监控模块的有机组合，可以很快的为用户提供个性化、针对性强的各种监控业务。（6）. 通信距离长，最远通信距离10km。（7）.被测设备发现异常时，服务器采用实时跟踪报警。主要包括接地电流、接头温度、隧道水位、隧道气体含量。（8）.服务器监控软件是按照标准组态软件设计而成，可以任意扩展功能模块，具有强大的数据分析能力，能够适应特定用户的各种需求。监测终端数量扩展时不需要修改系统软件。（9）.监测终端不需要外部提供电源，通过监控主机端提供的48v电压，经由通信电缆传输至各种采集器终端。4、系统运行状况高压电缆线路综合监控系统安装于安兜-湖边电缆隧道，沿线安装了在线监测人孔井盖，对a相、b相、c相三相电缆运行电流和接地电流实时监测，同时监测电缆表面温度、隧道一氧化碳与氧气含量、隧道水位等指标。同时在隧道内关键地段安装了应急通信终端与视频监控。系统运行稳定。运行主界面如图5所示图5：运行监控主界面八、结论高压电缆线路是电网重要组成部分，确保电