110kV线路相导线综合测温技术实现研究

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  【摘要】利用光纤拉曼反射原理实现架空线路相导线全程测温,利用物联网技术实现全断面测温,通过相互校核提升测温可靠性。本文从光纤复合导线(OPPC)的结构特点、导线实时测温、接续技术及相关金具方面,对OPPC在110kV同塔双回线路上的应用进行系统研究,研究将先进的光纤通信、传感测温技术与输电技术进行高度融合和集成,利用光纤传感器实现导线实时温度在线监测,利用新型接触式测温提供校核模型,为输电线路状态监测、动态增容提供了新的实现方案。
  1.引言
  光纤通信由于其容量大、保密性好、不易受电磁干扰等优点,被广泛应用于电力系统通信中,在要求越来越高的电力系统通信中发挥着重要的作用。
  根据最新统计数据,截止2010年底,华北电网运行的OPGW光缆、ADSS光缆和其他类型电力特种光缆共计18217km(110kV及以上)。500kV和220kV变电站光纤覆盖率约为100%,110kV变电站光纤覆盖率约100%。
  为了推进新技术应用,在张山营智能输变电工程中,对光纤复合导线(OPPC)在110kV同塔双回线路上的应用进行了系统研究。研究将先进的光纤通信、传感技术与输电技术进行高度融合和集成,既是将光纤嵌入高压相线中,形成由光纤、传感器、输电导线组成的光纤复合导线,为智能电网的信息化、智能化、互动化提高通道和技术支撑。
  光纤复合导线(Optical phase conductor,以下简称OPPC)是在传统的导线结构中嵌入光纤单元的一种新型特种电力特种光缆。二十世纪80年代,在欧美国家首先出现OPPC的设计理念,目前OPPC技术在国外已经应用多年,应用于35千伏至420千伏的线路上,尽管国外在OPPC的应用已有一些实际经验,但是将OPPC与光纤测温技术融合在一起并投入实际运行的技术至今未见到报道。90年代初,国内就已经对OPPC的应用进行了关注和研究,并在10kV、35kV中压线路上得到应用。
  2.光纤复合导线的结构及特点
  2.1 光纤复合导线结构
  光纤复合导线是具有传统架空导线和通信能力的导线,是在传统的导线结构中嵌入光纤单元的一种新型特种电力特种光缆,通常OPPC是将传统输电导线中的一根或多根钢丝用不锈钢管光单元进行替换,使钢管光单元与(铝包)钢线、铝(合金)线共同绞合。
  2.2 光纤复合导线特点
  目前普遍采用的电力特种光缆主要有光纤复合架空地线OPGW和全介质自承式光缆ADSS,OPPC扩大了电力通信媒介的选择余地,同时在某种程度上解决了OPGW光缆、ADSS光缆不能解决或难以解决的技术问题,具有如下技术特点:
  1)OPPC技术是OPGW、ADSS技术的应用延伸和有益补充
  我国目前在110kV~500kV线路主干网广泛采用OPGW、ADSS进行通信,但对于一些难以选用OPGW、ADSS光缆的线路就需要考虑其它特种光缆,在10-35kV线路,因原线路没有架空地线,所以无法使用OPGW,使用OPPC更为适宜。OPPC就是OPGW、ADSS光缆的补充产品,可以实现传输电能与光纤通信的完美融合。
  2)OPPC可有效避免OPGW雷击断股问题
  目前,由雷击导致的断股是OGPW光缆应用中的主要问题,安装在架空输电线上部的光纤复合架空地线作为保护导线,起到避雷线作用,所以它较易受雷击。雷击的直接后果是OPGW光缆的断股,严重时内部光纤也会受到损害,这不但影响输电线路的可靠运行,甚至可能导致通信的中断。全国发生了几十起OPGW遭雷击断芯断股事故,2008年-2009年华北电网更换500kV万顺线与房保线OPGW光缆,共花费资金约400万元。
  3)OPPC可解决OPGW能量损耗问题
  OPGW光缆采用逐基塔接地的方式,产生环流能量损耗问题,电压等级越高,损耗越严重。110kV输电线路地线百公里年电能损耗约为0.5-2万kW·h,220kV输电线路地线百公里年电能损耗约为5-10万kW·h,330kV输电线路地线百公里年电能损耗约为60万kW·h,500kV输电线路地线百公里年电能损耗约为140万kW·h,750kV输电线路地线百公里年电能损耗约为218万kW·h采用光纤复合导线,输电线路避雷线采用分段和开环等方法可以减小避雷线上的电流,进而减小避雷线上电能损耗。
  4)OPPC可解决ADSS电腐蚀问题
  目前,ADSS光缆应用中的主要障碍是电腐蚀现象。处于强电场中的ADSS光缆与导线和大地之间的电容耦合,会在光缆表面产生一定的空间电位。空间电位导致接地漏电流并在光缆表面形成干燥带,当干燥带两端的电位足够高时就产生了放电,形成了干带电弧。电弧产生的热量会使光缆外护套松弛融化直至脱落,进而腐蚀芳纶纱,最后导致光缆的断裂。OPPC光纤与导线处于同一电位,不存在电腐蚀问题。
  5)充分利用输电线路资源
  非杆塔附加型产品,没有给原有杆塔或线路附加额外机械负荷,不会降低输电线路的安全性和可靠性。
  6)具有良好的热稳定性,保证光通信不受影响
  我国输电导线设计长期使用温度为70℃,短期为90℃。而光纤长期使用温度可为100℃,光纤油膏、缆膏的滴点均大于200℃,铝包钢线、铝线的120℃高温热稳定性也很好,因此,传输电能和光纤通信均不受影响。
  7)有绝对的防盗优势
  因OPPC导线与接头盒上均有高电压,有绝对的防盗优势。
  3.导线实时温度测量系统研究
  实现对导线温度的实时监测,可以为输电线路融冰、输电状态、动态增容提供了实时、准确的重要依据,实现信息了互动化,对于提高电网安全运行水平,提高电网输电能力与效益具有重大意义。
  导线测温目前主要有三种方法,即接触式测温法、红外测温法和光纤测温法,其中光纤测温法分为分布式光纤测温法和光栅测温法。
  3.1 接触式测温法
  接触式测温法主要采取接触式温度传感器,包括热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器和集成温度传感器等。系统是利用多个接触式测温探头和温度转换、温度传输部件构成,其输出信号由后台机处理。在需要监测的输电线路导线上安装测温单元,负责实时采集导线的温度,经过处理后通过小功率射频模块将数据无线上传至塔上监测主机。各输电线路的相应杆塔上安装一塔上主机,铁塔上的监测主机一方面接收本塔所辖各测温单元无线上传的导线及金具温度数据,塔上监测主机负责将导线温度及环境气象参数等所有数据压缩打包后通过无线通讯方式将数据传往监测中心。目前已开发产品的供电实现电源无源化,是采用一次侧抽能方式,并用特殊的电路设计以保证在一次侧电流大幅变化条件下测温器仍能可靠工作。实现了测温单元设备免维护的要求。此种测温方式只是用于线路某点测试,并且需要使用社会公共无线网络传送,然后基站后台处理。
  3.2 红外测温法
  红外非接触测温技术是利用物体产生的红外辐射能量的强度与物体温度的关系来确定物体的表面温度,该技术比较成熟,在工业上应用较为广泛,但该技术应用于导线和金具温度测量时存在两方面的问题:一是总是摆脱不了目标的辐射吸收率变化对测量精度的影响,标定起来较为复杂;二是测温精度受探测距离、被测物表面状况等诸多因素影响,安装调试非常麻烦,而且测量精度和长期测量的稳定性也难以满足要求,另外目前红外测温均使用现有成套设备,需要人工地面操作,无法实现在线监测。又因为远距离测试,导线面积小、有晃动很难对准,并受到背景环境影响,测量精度基本无法保证。
  3.3 光纤光栅测温法
  光纤光栅测温方式是通过紫外照射的方法,在纤芯内形成一段折射率不同的周期性分布的光栅。由于纤芯的折射率不同,会使光纤的频谱响应特性发生变化,当宽谱输入光源从一端输入光纤时,光纤光栅会对特定波长的光形成明显的反射,光纤光栅传感器测温正是利用了光栅对特定波长的反射原理。当光纤光栅的温度发生变化时,光栅的周期随之发生变化,由此带来反射波长的变化,通过测量反射波长的变化,即可得到温度变化。由于测量的是反射波长,因此这种方法可以在单端进行测试。光纤光栅测温系统使用特制光纤,反射信号强,稳定性好。其劣势在于必须使用特殊的光纤光栅,测量的点数有限制,不能够进行导线连续测温。
  3.4 分布式光纤测温法
  分布式光纤测温(Distributed Tem-perature Sensing)(DTS)技术最早示范成功是在1981年,Southampton大学在通讯光纤上测试成功。DTS系统同时利用单根光缆实现温度监测和信号传输,综合利用光纤拉曼散射效应(Raman scattering)和光时域反射测量技术(Optical Time-Domain Reflectometry,简称OTDR)来获取空间温度分布信息。其中光纤拉曼散射效应用于实现温度测量,光时域反射测量技术用于实现温度定位,它能够连续测量光纤沿线的温度分布情况,空间定位精度达到米的数量级,能够进行不间断的自动测量,特别适宜于需要短距离、大范围多点测量的应用场合。
  3.5 方案比较
   通过表一分析,采用分布式光纤测温法技术先进,系统稳定可靠,免于维护,运行成本低,本项目试验线段为19公里,宜采用拉曼测温法进行导线测温,并采用接触式测温方法进行校对方案可行性最高。
  4.光纤复合导线光纤保护及耐热性能技术研究
  光纤复合导线在工程中应用时,是将三相导线中的一相(或一根)更换为光纤复合导线光缆,使其即满足线路输电的要求,同时满足系统对通信信号的要求。其中涉及到导线间的机械性能与电气性能的配合、光纤保护、长期耐热性等关键技术。
  4.1 与导线技术参数匹配
  光纤复合导线需满足线路输送容量的要求,保证持续耐热;其次,光纤复合导线的电气特性和机械特性应与其余两相导线匹配,以保证三相导线的张力弧垂特性一致,光纤复合导线的直流电阻应与其余两相导线接近,以避免远端电压变化并保持三相平衡。因此光纤复合导线光缆的各种参数要与其他两相的导线接近。
  4.2 光纤的保护
  采用激光焊接不锈钢带形成无缝钢管将光纤纳入其中形成光单元,光单元应具有良好的机械保护,保证其中光纤不受挤压,为防止潮气侵入而影响光纤的使用寿命,不锈钢管中需填充油膏。光纤单元中的光纤应有一定的余长,以保证光纤在导线运行中不会受到拉伸。对光纤复合导线来说,由于存在放线、过滑轮、紧线造成的结构伸长及运行过程中的温度升高产生的膨胀伸长及塑性变形产生的蠕变伸长,因此对光纤余长控制工艺要求非常严格。
  4.3 长期耐热性能
  OPPC光缆结构型式类似于(铝包)钢芯铝(合金)绞线,载流运行温度为70℃-90℃。70℃-90℃的长期运行温度对铝、钢材料性能无影响,材料组织结构不会遭受破坏,不会引起不可逆的塑性变形。OPPC所使用的光纤油膏具有良好的温度特性(化学特性的稳定性)。OPPC光缆本身的长期耐热性能通过持续通流试验,附加光衰减试验结果满足试验要求。因此,OPPC的光缆机械电气性能和运行中的长期耐热性能可以满足实际运行要求。
  5.光纤复合导线接续研究
  光纤复合导线不能使用常规压接接续,目前只能是通过接头盒在耐张杆塔上连接起来,在接头盒中采用高压隔离绝缘技术和光电分离技术,安全可靠地隔离高电压和通信信号,将传输通信信号的光纤接续起来,或连接到零电位水平,保证通讯等信号传输;电力导线也在此处电气接续,并且为了保证线路的负荷输送,在中间接头盒两侧高压导线处附加一同型号导线,导线用楔形线夹连接固定,保证线路安全运行。接头盒的设计充分考虑输电线路实际情况,力求做到结构简洁合理、性能稳定并且施工简便,满足现场运行条件的需要。
  接头盒的设计充分考虑输电线路实际情况,力求做到结构简洁合理、性能稳定并且施工简便,满足现场运行条件的需要。研制了六种接头盒形式:二种终端接头盒,一种支柱式、一种悬挂式;四种中间接头盒,一种支柱式、三种悬挂式,悬挂式中间接头盒分为自带绝缘子、不带绝缘子(此种接头盒处也可用普通常规绝缘子悬挂)和带引下光纤三种形式。
  110kV等级及以下线路杆塔间隙小,可以延续采用传统支柱式接头盒安装在杆塔侧面支架上。也可采用新型悬挂式接头盒,可以在输电线路任意一相应用。本项目为110kV同塔双回线路,因此选用悬挂式接头盒接续比较适宜。
  以前的接头盒结构不能够预留不锈钢管,不方便施工和今后维护。本课题研制的接头盒从盒体的侧面进线,不锈钢管以其自然状态盘绕在盒内,解决OPPC线路在接续点不能预留过多导线带来的问题,也为今后的维护准备了余量。
  在接头盒的端部采用科学的防水、导流、排水结构,保证雨水不会沿OPPC的层绞间的缝隙进入接头盒。对接头盒的进出缆线夹进行了加长,在运行过程中,由于OPPC的末端是其易损的薄弱点,线夹加长后对OPPC的握着长度增加,降低了OPPC损坏的风险(如图2所示)。
  6.结论
  对光纤复合导线(OPPC)在110kV同塔双回线路上的应用进行系统研究。导线测温可以采用分布式光纤测温法,并采用接触式测温方法进行校对,稳定可靠,免于维护,运行成本低,可行性最高,为输电线路状态监测、动态增容提供了新的技术手段。并从复合导线光纤保护、耐热性及导线接续等方面研究,在110kV同塔双回线路上应用光纤复合导线(OPPC),将先进的光纤通信、传感测温技术与输电技术进行高度融合和集成,可以解决目前电力特种光缆OPGW及ADSS光缆遇到的电腐蚀、雷击、线损等问题。
  
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