一種基于分布式光纖光柵傳感器的電纜溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

／許繼電氣股份有限公司 王龍閣 郭宏燕 陳磊 龔東武 王志成／

一種基于分布式光纖光柵傳感器的電纜溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

／許繼電氣股份有限公司 王龍閣 郭宏燕 陳磊 龔東武 王志成／

本文介紹了一種基于分布式光纖光柵傳感器的電纜溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用光纖光柵傳溫度感器獲得電纜測(cè)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，之后傳感器將數(shù)據(jù)傳送至主機(jī)。主機(jī)對(duì)這些溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比，初步判斷當(dāng)前電纜溫度是否正常，并將電纜的溫度數(shù)據(jù)通過IEC 61850規(guī)約上傳至狀態(tài)接入控制器（CAC）。最終將數(shù)據(jù)被送至PMS生產(chǎn)管理系統(tǒng)。實(shí)際使用情況表明，該系統(tǒng)測(cè)量準(zhǔn)確，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

電纜；溫度監(jiān)測(cè)；光纖光柵； 傳感器

0 引言

隨著我國(guó)電力行業(yè)的發(fā)展，電力電纜的應(yīng)用范圍逐漸增大，地下電纜通道內(nèi)電纜線路和電力設(shè)備數(shù)量也隨之增多，通道結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，地下電纜的檢測(cè)與維護(hù)越來越困難。電力電纜的隱患與故障多發(fā)生在電纜接頭處，包括中間接頭和終端接頭。由于電纜接頭處工藝水平不夠、連接不牢固等原因?qū)е略摻宇^處接觸電阻過大，在電纜線路中電流的作用下會(huì)引起接頭氧化發(fā)熱，致使連接處溫度明顯升高，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致電纜絕緣破壞、泄露電流增大，甚至引起火災(zāi)。而連接處以外的電纜電阻較為均勻，一般不易發(fā)生故障。因此，對(duì)電纜溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是非常必要的。

目前，常用的溫度傳感器有：熱敏電阻、熱電偶、溫控晶閘管、集成電路測(cè)溫元件和紅外傳感器等。其中，紅外傳感器具有非接觸測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)，且自身的安全性較好，但是抗干擾能力比較差，并且對(duì)環(huán)境要求高；熱敏電阻和熱電偶傳感器對(duì)傳輸距離有所限制[1]。并且常規(guī)的的溫度傳感器只能測(cè)得一個(gè)測(cè)量點(diǎn)的溫度。為獲得更多點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，就需要布置更多的傳感器。然而即使放置再多的傳感器，所獲得的數(shù)據(jù)點(diǎn)仍然具有較大的離散性。同時(shí)由于電纜外皮是不良導(dǎo)熱體，因此無(wú)法保證每個(gè)傳感器都能快速感知任意位置的電纜溫升[2]。

1 分布式光纖光柵溫度傳感器

分布式光纖光柵溫度傳感器克服了上述溫度傳感器的缺點(diǎn)，具有測(cè)量快速準(zhǔn)確、不受距離限制、無(wú)連接損耗，且能夠適應(yīng)電纜的彎曲等優(yōu)點(diǎn)。通過在光纖中串接多個(gè)光柵，即能實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)量，非常適合電纜溫度的在線監(jiān)測(cè)。分布式光纖光柵溫度傳感器與傳統(tǒng)溫度感應(yīng)器相比，主要體現(xiàn)為測(cè)量原理上的不同，傳統(tǒng)的溫度感應(yīng)器以機(jī)電測(cè)量為基礎(chǔ)，而光纖光柵溫度傳感器采用光學(xué)測(cè)量，不受電磁干擾且不產(chǎn)生電磁干擾、測(cè)量結(jié)果更加穩(wěn)定、可靠性高、體積小重量輕、靈敏度高、絕緣性能好，特別適用于易燃易爆、強(qiáng)電磁場(chǎng)等惡劣環(huán)境[3]。

光纖溫度傳感器的原理如圖1所示，光纖溫度傳感器由光源、光纖、感溫原件和光電探測(cè)器組成。光源發(fā)出的光通過入射光纖傳導(dǎo)至感溫元件，感溫元件將探測(cè)到的溫度信號(hào)以光波參數(shù)的形式（振幅、相位、波長(zhǎng)、光強(qiáng)、偏振態(tài)等）傳導(dǎo)給出射光纖，再由出射光纖發(fā)送至光電探測(cè)器，光電探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)[4]。

圖1 光纖溫度傳感器原理圖

經(jīng)過光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換、編碼，以無(wú)線方式發(fā)送給主機(jī)進(jìn)行處理，如圖2所示。

圖2 信號(hào)處理原理圖

2 系統(tǒng)

基于分布式光纖光柵測(cè)溫的電纜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖3所示。圖中，使用光纖溫度傳感器獲得電纜各測(cè)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，之后傳感器通過無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，將所測(cè)數(shù)據(jù)傳送至變電站內(nèi)主機(jī)。主機(jī)對(duì)這些溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比，初步判斷當(dāng)前電纜運(yùn)行狀況并將判斷結(jié)果在站內(nèi)展示，同時(shí)將電纜的溫度數(shù)據(jù)通過IEC 61850規(guī)約上傳至狀態(tài)接入控制器（CAC）。狀態(tài)接入控制器負(fù)責(zé)接入變電站內(nèi)所有一次設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過基于WebService的I2接口傳送至主站端（CAG）。主站端接收CAC發(fā)送的數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送至PMS生產(chǎn)管理系統(tǒng)。

圖3 基于分布式光纖光柵測(cè)溫的電纜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)圖

2.1 主機(jī)

主機(jī)功能主要為：接收傳感器傳送的數(shù)據(jù)、初步判斷電纜溫度狀況、規(guī)約轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)上傳CAC等功能。

主機(jī)通過無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接收傳感器發(fā)送的電纜測(cè)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，根據(jù)該溫度數(shù)據(jù)初步判斷電纜的溫度狀況是否正常、是否存在隱患，并在站內(nèi)展示判斷結(jié)果，以供站內(nèi)工作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題。主機(jī)具備規(guī)約轉(zhuǎn)換功能，通過IEC 61850規(guī)約將數(shù)據(jù)傳送至狀態(tài)接入控制器（CAC），如圖4所示。

圖4 主機(jī)功能結(jié)構(gòu)圖

2.2 CAC

CAC部署在變電站內(nèi)，主要功能為：接入站內(nèi)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)上傳至CAG、支持CAG控制等功能。CAC接收IEC61850規(guī)約的站內(nèi)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并通過I2接口（基于WebService）與主站端CAG進(jìn)行數(shù)據(jù)交互：轉(zhuǎn)發(fā)采集的站內(nèi)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并接收CAG下發(fā)的控制命令，將控制命令轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的監(jiān)測(cè)裝置，在狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中發(fā)揮著承上啟下的樞紐作用[5]。

WebService是一種跨編程語(yǔ)言和跨操作系統(tǒng)平臺(tái)的遠(yuǎn)程調(diào)用技術(shù)。不同功能或不同在線監(jiān)測(cè)廠商提供的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，都可通過標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)封裝集成在面向服務(wù)的統(tǒng)一框架中，由服務(wù)注冊(cè)中心統(tǒng)一管理，向外發(fā)布服務(wù)，從而能方便地被服務(wù)請(qǐng)求者調(diào)用，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)省級(jí)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的共享和流程的集成[6-7]。

CAC周期的向CAG上送監(jiān)測(cè)裝置（包括主機(jī)）的心跳信息和歷史數(shù)據(jù)文件信息，并接收CAG向CAC發(fā)送的控制命令。

2.3 CAG

主站端負(fù)責(zé)接收CAC發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送至PMS生產(chǎn)管理系統(tǒng)，便于管理及數(shù)據(jù)的深加工使用。在有需要時(shí)，也向CAC發(fā)送控制命令。

3 使用情況

圖5為某變電站35 kV高壓室電纜溝內(nèi)，電纜正常狀態(tài)和隱患狀態(tài)溫度對(duì)比。橫坐標(biāo)代表位置，即沿電纜的不同測(cè)點(diǎn)，縱坐標(biāo)代表溫度。

圖5 電纜正常狀態(tài)和隱患狀態(tài)溫度對(duì)比圖

從圖中可以看出，正常狀態(tài)下，電纜各測(cè)點(diǎn)的溫度，在某一平均溫度處上下波動(dòng)，各點(diǎn)的溫度雖然有差別，但并沒有偏離該平均值。隱患狀態(tài)下，電纜的前3個(gè)測(cè)點(diǎn)處溫度偏高，后5個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度偏低，且兩處溫度相差較大；和正常狀態(tài)電纜溫度相比較，后5個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度與正常狀態(tài)的電纜溫度相差不大，前3個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度與正常狀態(tài)的電纜溫度相差較大，說明溫度偏高的這段電纜處于隱患狀態(tài)。

因此，在溫度對(duì)比圖中，通過多點(diǎn)之間的溫度對(duì)比，可以方便地判斷電纜是否處在異常運(yùn)行狀態(tài)及異常測(cè)點(diǎn)的位置。另外，雖然由于外界環(huán)境溫度和負(fù)荷狀況等原因，不同時(shí)間測(cè)得的電纜同一測(cè)點(diǎn)的溫度是不相同的，但從總體上來說，測(cè)得的結(jié)果與電纜的實(shí)際溫度是一致的，即總體溫度較高時(shí)各測(cè)點(diǎn)溫度均較高，總體溫度較低時(shí)各測(cè)點(diǎn)溫度均較低。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹的電纜溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是基于分布式光纖光柵傳感器，該傳感器主要由光源、光纖、感溫原件、和光電探測(cè)器四部分組成組成。具有不受電磁干擾且不產(chǎn)生電磁干擾、測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定、可靠性高、體積小重量輕、靈敏度高、絕緣性能好等優(yōu)點(diǎn)。能將測(cè)得的電纜溫度數(shù)據(jù)通過無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至主機(jī)，再由主機(jī)發(fā)送至CAC，最終將溫度數(shù)據(jù)傳送至PMS生產(chǎn)管理系統(tǒng)。實(shí)際使用情況表明，該系統(tǒng)測(cè)量準(zhǔn)確，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，為“大運(yùn)行”、“大檢修”體系建設(shè)奠定了良好基礎(chǔ)。

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