分布式光纖測溫系統(tǒng)應(yīng)用的可行性

潘向榮，李志新，趙志強

(牡丹江水力發(fā)電總廠，黑龍江牡丹江157000)

0 引言

目前，中國電力系統(tǒng)現(xiàn)有的監(jiān)測電力設(shè)備運行溫度的設(shè)備從工作原理上分為電信號傳感器和光信號傳感器。電信號傳感器主要有傳統(tǒng)的熱電阻、熱電偶、各種半導(dǎo)體傳感器等類型;光信號傳感器主要有拉曼散射原理傳感器和光纖光柵原理傳感器。因為電力工業(yè)設(shè)備大多數(shù)處于強電磁場中，很多情況下要測量的地方處于高壓環(huán)境中(如高壓開關(guān)的在線監(jiān)測，高壓變壓器繞組、發(fā)電機定子等點位的溫度和位移等參數(shù)的實時測量)，所以，測量這些點位需要的傳感器要求具有體積小、絕緣性能好，而且是無源器件。黑龍江省電力系統(tǒng)大多數(shù)都利用紅外測溫儀、紅外成像儀、感溫電纜、傳統(tǒng)的點式測溫系統(tǒng)進行監(jiān)測，除了對上述的一些部位無法監(jiān)測外，對開關(guān)柜內(nèi)的斷路器、刀閘聯(lián)接點、觸頭測溫、全封閉金屬鎧裝柜等更是無能為力。光纖光柵傳感技術(shù)主要應(yīng)用于電力行業(yè)開關(guān)柜的監(jiān)測中。對此，為了能實現(xiàn)監(jiān)測不同工作場合電力設(shè)備的運行溫度，本文提出可采用分布式光纖測溫系統(tǒng)。

1 分布式光纖測溫系統(tǒng)(DIS)技術(shù)原理

光纖測溫的機理是依據(jù)拉曼(Raman)散射效應(yīng)，激光脈沖與光纖分子相互作用發(fā)生散射來測溫的。散射有多種，如瑞利(Rayleigh)散射、布里淵(Brillouin)散射和拉曼(Raman)散射等，其中拉曼散射是光纖分子熱振動產(chǎn)生1個比光源波長長的光(稱斯托克斯:Stokes)和1個比光源波長短的光(稱為反斯托克斯:Anti－Stokes)。光纖受外部溫度的調(diào)制使光纖中的反斯托克斯光強發(fā)生變化，即Anti－Stokes與Stokes比值提供了溫度的絕對指示，利用這個原理可以實現(xiàn)對沿光纖溫度場的分布式測量。分布式光纖測溫系統(tǒng)(DIS)技術(shù)原理如圖1所示。

圖1 分布式光纖測溫系統(tǒng)(DIS)技術(shù)原理圖

結(jié)合高品質(zhì)的脈沖光源、高速的信號采集與處理技術(shù)就可以得到沿著光纖所有點的準(zhǔn)確溫度值。

1．1 電流采集方式

電流采集采用站內(nèi)自動化讀取方式，只需了解電力行業(yè)通信協(xié)議格式即可獲取待測回路的負(fù)荷數(shù)據(jù)。CSM主站工控機按照標(biāo)準(zhǔn)的電力行業(yè)通信協(xié)議(如CDT規(guī)約)讀取待測回路的原始數(shù)據(jù)，如圖2所示。

圖2 電流采集讀取待測回路的原始數(shù)據(jù)系統(tǒng)圖

1．2 動態(tài)載流量技術(shù)

載流量指某個特定環(huán)境中電纜在不超過電纜允許的最高工作溫度的條件下、在給定的持續(xù)時間內(nèi)能通過的最大電流。界定載流量算法模型類型的概念有邊界、結(jié)構(gòu)和狀態(tài)，其中模型的邊界決定了模型適用的時間尺度。

為電纜及其環(huán)境建立時變的傳熱數(shù)學(xué)模型，稱為DCR模型。DCR模型可計算出在各種初始狀態(tài)和持續(xù)時間條件下的載流量，還可以進行運行仿真(只要給定未來的負(fù)荷電流曲線，就可以預(yù)測未來包括電纜導(dǎo)體溫度場的變化過程)。

在DTS出現(xiàn)以前，DCR計算主要用于暫態(tài)和周期性負(fù)荷計算。模型邊界設(shè)置在遠(yuǎn)處環(huán)境時模型包括不確定的電纜環(huán)境參數(shù)，通常只能取最不利條件;邊界設(shè)置在電纜內(nèi)部、電纜表面或鄰近處時模型參數(shù)基本確定，但邊界條件又是未知的，需要做有風(fēng)險的假設(shè)。DTS的應(yīng)用首次為建立1個完全確定的(局部的、與環(huán)境無關(guān)的)DCR模型創(chuàng)造了條件。測溫光纜布置在電纜的表面或護層內(nèi)實時檢測到電纜的表面溫度或護層的溫度，以此為邊界，DCR模型內(nèi)的結(jié)構(gòu)參數(shù)僅涉及到電纜結(jié)構(gòu)和受周邊電纜的電氣影響因素(電纜敷設(shè)完畢后就已經(jīng)確定)，如圖3所示。構(gòu)建出電纜結(jié)構(gòu)模型后，根據(jù)DTS測量出電纜表面溫度及已知的運行載流量，就可以準(zhǔn)確計算電纜纜芯溫度及未來動態(tài)載流量，可實現(xiàn)電纜溫度異常監(jiān)控及負(fù)荷監(jiān)控。

圖3 動態(tài)載流量系統(tǒng)布置圖

在動態(tài)載流量系統(tǒng)建立2個動態(tài)載流量模型，分別為DCR－I模型(或稱內(nèi)模)及DCR－II(或稱外模)。邊界在電纜護層或電纜表面的DCR模型稱為DCR－I模型。由于模型參數(shù)和邊界條件是確定的，DCR－I模型可以可靠地計算出邊界內(nèi)的溫度場(包括導(dǎo)體溫度)，因此，通過分析電纜總熱量和該邊界溫度的響應(yīng)關(guān)系，辨識該邊界以外的附近環(huán)境散熱參數(shù)和狀態(tài)，就可以實現(xiàn)較長時間尺度的動態(tài)載流量計算或運行仿真?；谵q識的載流量模型稱為DCR－II模型。

1．2．1 DCR －I動態(tài)載流量模型1

DCR－I的建模參數(shù)為電纜回路的結(jié)構(gòu)，包括導(dǎo)體和各層的幾何參數(shù)和物性、導(dǎo)體的實際截面積、材料的電阻、電阻溫度系數(shù)、導(dǎo)體的集膚、鄰近因子、絕緣材料的介電系數(shù)、介質(zhì)損耗角、屏蔽損耗率。若測溫光纜敷設(shè)在電纜表面，則建模時還應(yīng)包括電纜表面到光纜的接觸熱阻和光纜本身的傳導(dǎo)熱阻。

DCR－I模型的輸入變量為實時電流和實時測溫光纖檢測的電纜表面溫度，其內(nèi)部狀態(tài)為電纜導(dǎo)體到邊界的溫度場。模型邊界條件為一類邊界，邊界點的數(shù)值為DTS測溫光纜的溫度檢測值。圖4為DCR－I模型結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4 DCR－I模型結(jié)構(gòu)示意圖

1個完備的DCR－I模型應(yīng)具備如下功能:

a．準(zhǔn)確計算導(dǎo)體溫度。

b．以任意時間間隔刷新均保持穩(wěn)定。

c．在任意的初試狀態(tài)下保持穩(wěn)定。

d．可以適用于不同規(guī)格(截面和電壓等級)的電纜。

e．可以適用于不同的光纜布置(電纜某護層或表面)。

1．2．2 DCR －II動態(tài)載流量模型2

DCR－II的輸入為負(fù)荷電流和表面溫度的歷史曲線、由用戶給定的未來電流曲線，輸出為未來的負(fù)荷電流和表面溫度曲線、未來載流量關(guān)于可持續(xù)時間的函數(shù)曲線。圖5為DCR－II模型結(jié)構(gòu)示意圖。

DCR－II的環(huán)境辨識算法通常包括空氣散熱辨識子模型和熱傳導(dǎo)辨識子模型，空氣散熱辨識子模型適用于隧道電纜或其它室內(nèi)空氣中的電纜，熱傳導(dǎo)辨識子模型適用于排管和直埋電纜。DCR－II可以在無任何參數(shù)輸入的情況下開始工作，自動識別電纜瓶頸點的環(huán)境類型、特性和狀態(tài)，因此特別適合于復(fù)雜的環(huán)境。事實上，DCR－II的仿真和載流量的計算基于這樣假設(shè):電纜附近環(huán)境的邊界溫度在一段時間內(nèi)不會變化。DCR－II的計算時間跨度通常設(shè)計不超過48 h，完成辨識所需要的歷史數(shù)據(jù)最少為72 h。

圖5 DCR－II模型結(jié)構(gòu)示意圖

2 電纜在線溫度監(jiān)測

選用1臺4 000 m、4通道的Firelaser光纖測溫主機對2個隧道內(nèi)的電纜進行在線溫度監(jiān)測。每個通道監(jiān)測隧道內(nèi)的5根電纜，電纜在線溫度監(jiān)測系統(tǒng)方案如圖6所示。各通道監(jiān)測的具體情況如表1所示。

圖6 電纜在線溫度監(jiān)測系統(tǒng)圖

表1 各通道監(jiān)測的具體情況

2．1 設(shè)備簡介

測溫光纜:使用扎帶或者尼龍繩將測溫光纜緊密固定于待測電纜回路表面，測溫光纜本身既作為感溫光纜，同時也作為信號傳輸光纜。

DTS測溫主機:實時監(jiān)測運行電纜的纜表溫度，若電纜纜表溫度達到報警設(shè)定值，則輸出報警信息;同時，通過網(wǎng)絡(luò)的形式把數(shù)據(jù)發(fā)送給CSM主機。

CSM主機:通常將CSM上位軟件布置在該主機上，主要實現(xiàn)電纜載流量的動態(tài)計算與分析、異常點的掃描與判斷、報警輸出功能、多臺DTS主機測溫數(shù)據(jù)采集。

路由器:實現(xiàn)DTS主機與CSM主機之間的通信連接。

2．2 系統(tǒng)特點

a．可靠性高，對電纜全長度敷設(shè)測溫光纜，不存在探測盲區(qū)。

b．傳感器使用壽命長，可達30 a，即使在火災(zāi)發(fā)生后，測溫光纜也能繼續(xù)使用。

c．技術(shù)先進，可準(zhǔn)確計算出電纜纜芯溫度，溫度計算誤差不大于±2℃。

d．性能先進，反應(yīng)迅速，測量距離遠(yuǎn)。

e．防雷擊、抗高壓、安全性高，適用于對安全等級要求較高的場所。

f．配置便捷，可實現(xiàn)多種參數(shù)在線設(shè)置，可對電纜結(jié)構(gòu)及敷設(shè)環(huán)境進行獨立建模。

g．界面顯示多樣化，可顯示多種類型曲線、參數(shù)等，具有人性化的顯示界面。

h．可擴展性強、事故后可恢復(fù)能力強。

i．內(nèi)置多種規(guī)約，便于在大監(jiān)控平臺集成。

電纜在線溫度監(jiān)測系統(tǒng)是基于分布式光纖溫度測量技術(shù)(DTS)與動態(tài)載流量技術(shù)(DCR)的電纜安全監(jiān)測系統(tǒng)(簡稱CSM)，為電力資產(chǎn)實時監(jiān)測和利用提供有效的解決方案。

系統(tǒng)核心功能如下:

a．線路電纜全長溫度實時監(jiān)測。b．溫度尖峰異常點監(jiān)測。c．電纜結(jié)構(gòu)按需建模、電纜靜態(tài)載流量計算。d．電纜纜芯溫度計算、短時許用電流計算。e．未來短期載流量計算。f．電纜多層溫度細(xì)節(jié)展現(xiàn)。g．電纜纜芯溫度、纜表溫度及線路載流量綜合展現(xiàn)。h．無人值守功能。i．溫度細(xì)節(jié)放大顯示。j．多級報警轉(zhuǎn)換機制。k．報警閥值在線設(shè)置功能。l．歷史事件顯示。m．多區(qū)域配置功能。

2．3 通信規(guī)約

系統(tǒng)通過 CDT規(guī)約、101規(guī)約、104規(guī)約、Modbus規(guī)約、繼電器通信約定、功能碼的分配、數(shù)據(jù)幀的配置等來實現(xiàn)各種數(shù)據(jù)的傳輸及詢問、確認(rèn)主站的報文，使測溫主機及時檢測到報警信息，觸發(fā)相應(yīng)的繼電器，將報警信息輸出到輸入模塊中，觸發(fā)報警。

3 結(jié)論

光纖光柵溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)在許多發(fā)電企業(yè)和供電公司得到了廣泛應(yīng)用，如北京東效變電站220 kV電纜溫度測量系統(tǒng)、烏江思林水電站220kV電纜監(jiān)測、彭水水電站母線監(jiān)測、大盈江水電站等都已經(jīng)采用此系統(tǒng)。實踐證明，光纖光柵溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)測溫數(shù)據(jù)可靠，運行情況良好，提高了設(shè)備安全檢測人員的工作效率。