分布式光纖載流量／溫度安全監(jiān)測系統(tǒng)的研究＊

楊 斌，田 杰，江健武，沈春光，段紹輝

（1.上海華魏光纖傳感技術(shù)有限公司，上海 201103；2.深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000）

引 言

隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，對電的需求量越來越大，水電、火電、可再生發(fā)電系統(tǒng)、城市變電的大規(guī)模建立，電纜輸電任務(wù)隨之加大，如何來保證電纜的安全正常有效的運營，保障電纜資產(chǎn)價值，成為一種迫切需要解決的問題。電纜運行不安全因素主要為電纜在運行時電纜發(fā)熱，導致電纜溫度過高致使電纜發(fā)生火災(zāi)。光纖傳感技術(shù)是伴隨著光導纖維和光纖通信技術(shù)發(fā)展而另辟新徑的一種嶄新的傳感技術(shù)。光纖傳感具有抗電磁干擾、靈敏度高、安全可靠、耐腐蝕、可進行分布式測量、便于組網(wǎng)等諸多優(yōu)點。目前國內(nèi)外研究機構(gòu)用光纖傳感監(jiān)測技術(shù)對電力電纜在線測溫及載流量［1］的安全監(jiān)測的研發(fā)和應(yīng)用大多還處于初期研究階段，應(yīng)用也基本停留在對個別設(shè)備和某個部件的監(jiān)測上。比如Micron Optics公司推出的光纖點式測溫系統(tǒng)實現(xiàn)對風力發(fā)電機組的溫度檢測。

基于拉曼分布式光纖溫度傳感技術(shù)的分布式光纖載流量／溫度安全監(jiān)測系統(tǒng)，不僅具有普通光纖傳感器的優(yōu)點，而且還具有對光纖沿線各點的載流量／溫度的分布式傳感能力。利用這種特點可以連續(xù)實時測量光纖沿線幾十公里內(nèi)各點的溫度。定位精度≤1m，測溫精度可達1 ℃，非常適用于高壓電力電纜的載流量／溫度傳感監(jiān)測的應(yīng)用場合。

1 系統(tǒng)工作原理

分布式光纖載流量／溫度安全監(jiān)測系統(tǒng)由拉曼分布式光纖測溫傳感器、感溫光纜、載流量軟件以及電流記錄儀組成。

拉曼分布式光纖測溫傳感器［2－4］能對電力電纜全線溫度進行周期性實時在線監(jiān)測，對極易出現(xiàn)故障的電纜接頭進行重點監(jiān)測。該項技術(shù)利用光纖作為傳感器，將光纖直接敷設(shè)在被測物體表面，在一定條件下被測物體各個位置的溫度信號會以光波的形式回傳到光纖端部，最終被提取并顯示出來。這種技術(shù)只需一根或幾根光纖就可以監(jiān)測長達數(shù)十公里的線型設(shè)備或點式設(shè)備。

光纖的拉曼散射與溫度有著密切的關(guān)系。依據(jù)光時域反射測定法［5］，將短促的激光脈沖按精確的時間間隔注入光纖之中。在同一根光纖中，散射光的強度隨時間呈現(xiàn)出指數(shù)衰減。如果知道光在光纖中的傳播速度，就能計算出距離。從該指數(shù)衰減的偏差就能得出溫度。光纖既是該信號的生成器，又是該信號的渠道。反射光被分流到傳感器中來加以解碼。在光纖測溫系統(tǒng)連接的監(jiān)控屏上能同時顯示距離和溫度數(shù)據(jù)。利用此技術(shù)把光纖與被測高壓電纜采用接觸方式安裝，測出高壓電纜表面溫度，根據(jù)表面溫度，電纜結(jié)構(gòu)，輻射環(huán)境等因素，精確計算出電纜的線芯溫度，通過線芯溫度計算出通過線芯的載流量，并給出電纜對應(yīng)分區(qū)的最高溫度，電纜的運行溫度和電纜的負荷水平，對溫度異常點進行報警。

拉曼光強差和溫度為：

式（1）中，Pa表示為拉曼散射反斯托克斯光Anti－stokes功率，Ps為 拉曼散射斯托克斯光（stokes）功率，h為普朗克常數(shù)，c為光速，Δν為拉曼頻移量，T 為溫度。

溫度探測距離為

其中，t表示兩倍定點距離光傳播時間，V 為光纖中光速。

2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計

分布式光纖載流量／溫度安全監(jiān)測系統(tǒng)：系統(tǒng)由中控室、分布式光纖溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集器（PLC）、光纖（纜）等設(shè)備組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

分布式光纖載流量／溫度安全監(jiān)測系統(tǒng)可以通過電纜溫度的監(jiān)測計算得到電纜載流量變化情況。同時在電纜隧道中實現(xiàn)高溫危險報警。主要功能包括：

（1）分布式光纖溫度傳感器準確實時測量整條電纜的溫度分布。它的探測范圍：30km，溫度精度：1 ℃，定位精度：1m；

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The system structure diagram

（2）通過積累和分析電纜運行的溫度數(shù)據(jù)，尋找電纜瓶頸處運行溫度和載流量變化的關(guān)系，實現(xiàn)有效利用電纜設(shè)計允許載流量和達到經(jīng)濟運行；

（3）通過溫度監(jiān)測的數(shù)據(jù)，研究電纜線路附近的建筑或設(shè)施對電纜運行的影響程度，即敷設(shè)現(xiàn)場的改變對電纜運行的影響，為以后電纜的敷設(shè)提出建議和參考；

（4）通過監(jiān)測記錄電纜的運行溫度，可以積累數(shù)據(jù)，獲得電纜在不同季節(jié)和每天不同時段溫度變化情況，為未來電纜檢測提供檢測依據(jù)；

（5）通過監(jiān)測電纜的運行溫度，為研究電纜溫度與電纜老化的關(guān)系提供依據(jù)；

（6）通過對電纜溫度設(shè)定報警溫度來監(jiān)測電纜的運行溫度，找到電纜在運行過程中存在的隱患問題；

（7）中控室光纖安全運行監(jiān)測信息管理平臺實現(xiàn)在對系統(tǒng)中所有下屬分系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行綜合管理，并將數(shù)據(jù)傳輸給電網(wǎng)控制中心的中央綜合監(jiān)測信息管理平臺；

（8）實現(xiàn)對系統(tǒng)中任意一傳感器的各種工作參數(shù)設(shè)置；

（9）通過列表和地圖的方式顯示系統(tǒng)中各光纖傳感器的監(jiān)測信息，可在地圖或列表中對傳感器進行控制，并可在地圖和列表狀態(tài)間自由切換；

（10）發(fā)生溫度異常時，系統(tǒng)能提供報警并準確確定溫度異常位置，指導檢修工作；

（11）具有CRT 顯示器，直觀顯示通道橋架分布、通道走向、通道關(guān)鍵位置及名稱，實時連續(xù)的溫度監(jiān)測；

（12）具有局域網(wǎng)絡(luò)接口，可與站內(nèi)的管理網(wǎng)絡(luò)相連，實現(xiàn)信息的共享，連結(jié)站內(nèi)局域網(wǎng)的計算機可同樣具有溫度顯示和報警功能，安裝于單控室的主機和連網(wǎng)的計算機能夠自動顯示相應(yīng)的報警提示。

3 載流量設(shè)計

載流量監(jiān)控軟件監(jiān)控獲得電纜施加負載電流和電纜表面溫度后，通過計算可以取得電纜導體溫度，判斷電纜現(xiàn)場運行時的導體工作溫度是否超過導體最高允許工作溫度，從而判斷電纜是否正常運行還是過載運行，以便于即時調(diào)整負荷電流，對電纜安全運行起到監(jiān)控作用。

電流記錄儀和分布式光纖溫度傳感器將采集到的負荷電流和電纜表面（或內(nèi)部某層）溫度信號傳輸?shù)接嬎銠C，利用已知的電纜的結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立數(shù)學模型，計算出相應(yīng)位置的電纜導體溫度，準確判斷電纜的載流能力。電纜溫度監(jiān)測與計算模型結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖中R 表示熱阻，C 表示熱容，W 表示損耗，θ表示溫度。

圖2 電纜溫度監(jiān)測與計算模型結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the power cable′s temperature monitoring and computational modeling

根據(jù)IEC60287標準［6］可以知道，載流量計算為：

式（3）中，ΣRi表示總熱阻，ΣCi表示總熱容，ΣWi表示總損耗，Δθ表示溫度變化量。分布式光纖載流量／溫度安全監(jiān)測系統(tǒng)的采集文件被轉(zhuǎn)換并輸出到一個表格文件中。表格的每一欄都代表了電纜線路上一個地理位置點的不同溫度值，獲取不同數(shù)據(jù)點的空間分辨率是1m，每一行都顯示了一個空間溫度分布曲線。以這個表格為基礎(chǔ)，繪制兩種類型的圖表用做進一步的分析。一種是顯示光纜線路上溫度與空間分布曲線圖，另一種顯示某一特定點的溫度隨時間變化曲線圖。

對于溫度空間分布曲線圖，可計算得出以下數(shù)值：溫度最大值TmaxФ（x）；溫度算術(shù)平均值TaФ（x）；溫度最小值TminФ（x）；溫度變化值ΔФ（x）；標準偏差值δ（x）。

溫度變化值ΔФ（x）用于檢測溫度數(shù)據(jù)存取期間，每一點上的溫度變化，其值為：

標準偏差值δ（x）用來確定利用分布式光纖載流量／溫度安全監(jiān)測系統(tǒng)計算得出值的可靠性。

載流量監(jiān)控軟件由測溫光纖在電纜表面或任意層面采集到的溫度，計算出相應(yīng)位置的電纜導體溫度，以曲線的方式直觀地實時反映出電纜外護套和電纜導體各點的溫度分布情況，或者在測得電纜施加電流和電纜表面溫度后，輸入計算機指定控件，按給定按鈕就顯示出電纜導體在施加該電流值下的電纜導體溫度。因此，分布式光纖溫度傳感器獲得電力電纜的溫度分布后，就可以確定電纜負荷電流是否達到了載流量。

電力電纜載流量監(jiān)測的目的如下：

（1）通過光纜的實時監(jiān)測得到電纜芯（導體）的實時運行溫度；

（2）監(jiān)測電纜芯長期運行的溫度狀態(tài)（XLPE電纜的運行溫度為90 ℃）；

（3）短時間內(nèi)支持用戶自定義運行電纜載流量的計算；

（4）檢查運行電纜的符合率。

4 試驗結(jié)果

實驗中采用窄線寬光纖激光器作光源，中心波長1 550nm，峰值功率10 W，脈寬5ns，對應(yīng)系統(tǒng)定位精度為0.5m；光纖放大器最大增益為40dB，噪聲系數(shù)為5dB。

光纜緊貼到動力電纜的表面，光纜沿線選取三個位置點（17 710m、18 435m、18 870m）分別敷設(shè)在三根動力電纜的表面進行電纜溫度／載流量測試，每點測試各采集10組信號，電纜溫度監(jiān)測安裝圖如圖3所示。

圖3 電纜溫度監(jiān)測安裝圖Fig.3 Installation drawing of power cable′s temperature monitoring system

圖4 電力電纜線路長度方向的空間－溫度曲線圖Fig.4 The diagram of temperature vs length along power cable line

電力電纜分布式光纖載流量／溫度安全監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測的溫度測試曲線見圖4。當光纖溫度穩(wěn)定時，用水銀溫度計計量電纜測試點的暫態(tài)溫度，然后與分布式實時測取的溫度進行比較，得到該模塊的溫度計量精度；同理，在測試電力電纜中，選取不同光纖位置，現(xiàn)場三根試驗電力電纜傳輸不同電流強度時，電流記錄儀和分布式光纖溫度傳感器將采集到負荷電流和電纜溫度信號，試驗數(shù)據(jù)見表1。

試驗結(jié)果表明，計算導體溫度與實測導體溫度最大偏差不超過1℃，采用有限元算法得到的電纜溫度和電纜載流量的對應(yīng)關(guān)系與實際情況基本吻合。

表1 溫度測量試驗結(jié)果Tab.1 Temperature detection results

5 結(jié) 論

研究基于拉曼分布式光纖溫度傳感器在中高壓地埋鎧裝電力電纜的溫度、載流量等領(lǐng)域監(jiān)測的應(yīng)用設(shè)計，綜合分析處理各傳感器信息，并且在出現(xiàn)異常情況時，通過控制相應(yīng)的聯(lián)動設(shè)備采取一定的措施來保障電網(wǎng)正常運行。試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)可對20km 電力電纜的溫度、載流量實時監(jiān)控預警，顯示險情位置，定位精度優(yōu)于1m。

［1］ 劉 英，曹曉瓏.電力電纜在線測溫及載流量監(jiān)測的研究進展與應(yīng)用［J］.電網(wǎng)與水力發(fā)電進展，2007（5）：11－14.

［2］ 王莉田，史錦珊，王玉田，等.背向散射多點分布式光纖測溫系統(tǒng)的研究［J］.儀器儀表學報，1996，17（6）：639－641.

［3］ 宋牟平，湯偉中，周 文.喇曼型分布式光纖溫度傳感器溫度分辨率的理論分析［J］.儀器儀表學報，1998，19（5）：485－488.

［4］ 李志全，白志華，王會波，等.分布式光纖傳感器多點溫度測量的研究［J］.光學儀器，2007，29（6）：8－11.

［5］ 李榮偉，李永倩，楊 志，等.基于相干光時域反射計的光纖溫度傳感測量［J］.光子學報，2010，39（11）：1988－1992.

［6］ International Electrotechnical Commission.IEC 60287－1：2006Calculation of the current rating－part l：current rating equations（100%load factor）and calculation of losses［S］.Geneva：IEC，2006.