分布式光纖測溫技術(shù)在普僑直流接地極中的研究與應(yīng)用

王飛，禹晉云，呂濤，陶雄俊

(超高壓輸電公司昆明局,云南 昆明 650217)

0 引 言

直流輸電接地極是特高壓直流輸電系統(tǒng)的重要組成部分，在投產(chǎn)初期、計劃檢修或事故情況下，直流輸電系統(tǒng)將利用接地極以大地返回方式單極運行；在正常雙極運行時起著限制換流閥中性點電位的作用，保護(hù)換流閥的安全，避免兩極對地電壓不平衡而損害設(shè)備。隨著我國直流輸電朝著高電壓、大容量方向的快速發(fā)展，直流接地極的設(shè)計電壓也不斷增大，接地極選址工作變得愈加困難。垂直型直流接地極占地面積小，能將電流導(dǎo)入地底深處，有利于改善跨步電壓和接觸電勢，對環(huán)境影響小[1]，是一種可行的新型直流接地極安裝方式，但同時垂直型接地極存在電流入地不平均，土壤溫升過高的現(xiàn)象，可能導(dǎo)致接地極在運行過程中出現(xiàn)土壤燒結(jié)、腐蝕嚴(yán)重等問題,從而影響系統(tǒng)安全運行[2]。因此，通過對特高壓直流輸電接地極溫度監(jiān)測，及時了解現(xiàn)場設(shè)備狀況，從而改變系統(tǒng)運行方式(如減少大地運行時間)，具有重要的現(xiàn)實意義。

因為特高壓直流輸電接地極一般分布在山地荒野，現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)需遠(yuǎn)程無線傳輸，所以接地極在線監(jiān)測系統(tǒng)對信號傳輸功能方面有特殊要求。本文作者研究和討論的分布式光纖測溫系統(tǒng)，采用4 G無線通信技術(shù)設(shè)計，比以往基于3 G、2 G網(wǎng)絡(luò)傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)的設(shè)計[3-4]，更好地提高了監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣燃翱煽啃?，并能實時傳輸現(xiàn)場視頻數(shù)據(jù)，實現(xiàn)接地極現(xiàn)場環(huán)境的實時監(jiān)視，防外力破壞，該技術(shù)的研究與應(yīng)用將能解決特高壓直流輸電接地極的現(xiàn)場測溫困難，運行狀況在線診斷及接地極體壽命評估的問題。

1 普洱換流站接地極系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

南方電網(wǎng)普僑直流接地極系統(tǒng)主要由接地極、接地極饋電電纜和接地極線路構(gòu)成。普洱換流站接地極線路導(dǎo)線采用NRLH60GJ-300/40鋼芯耐熱鋁合金絞線，2 組2 分裂，分掛于橫擔(dān)兩側(cè)，其連接換流站中性母線與接地極饋電電纜；接地極和接地線路之間通過接地極饋電電纜連接；而接地極是埋設(shè)于地下的，由接地極散流材料和活性填充材料組成，散流材料主要作用是將電流導(dǎo)入大地，填充材料主要是擴(kuò)大饋電體的散流面積，減小接地電阻，同時避免饋電體與土壤接觸，降低饋電體的腐蝕速率。普洱換流站極址采用依地形布置的不規(guī)則雙環(huán)垂直型接地極設(shè)計，為國內(nèi)首次采用。外環(huán)半徑300 m，均勻分四段，設(shè)置38 個垂直電極井，內(nèi)環(huán)半徑210 m，均勻為兩段，設(shè)置23 個垂直電極井。電極長30 m，電極頂端距地面不小于5 m。電極井直徑1.2 m，采用石油煅燒焦炭填充，外環(huán)有6 個電極井裝設(shè)溫度傳感器。當(dāng)系統(tǒng)單極大地回線運行時，會有強(qiáng)大的直流電流經(jīng)接地極注入大地，此時在極址土壤中將形成一個恒定的直流電流場，隨之大地電位升高，接地極豎井內(nèi)的溫度相繼升高。

因此，本文作者利用分布式光纖測溫技術(shù)對普僑直流輸電接地極溫度實時監(jiān)測，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，指導(dǎo)接地極運行工況研究。

2 光纖光柵在線測溫系統(tǒng)設(shè)計

普洱站接地極在線測溫系統(tǒng)由光纖測溫子系統(tǒng)、通信子系統(tǒng)、接地極在線監(jiān)測后臺和電源子系統(tǒng)四個部分組成。由于接地極設(shè)在野外無人區(qū),現(xiàn)場電源接入,采用太陽能轉(zhuǎn)化為直流電源為現(xiàn)場設(shè)備供電，現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)載主要為解調(diào)儀表，TD-LTE發(fā)送模塊。光纖光柵在線測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 光纖測溫監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 分布式光纖光柵測溫原理

分布式光纖光柵工作原理主要是光纖的光時域反射(OTDR)和后向拉曼散射溫度效應(yīng), 即傳感器用OTDR 技術(shù)定位，用拉曼散射效應(yīng)測溫[5-11]。當(dāng)激光脈沖在光纖中傳輸時，由于光纖中存在折射率的微觀不均勻性，會產(chǎn)生瑞利散射，有一小部分拉曼散射光會沿光纖反射回來,anti-Stokes Light與Stokes Light光子強(qiáng)度比值與溫度關(guān)系可用式(1)表示：

(1)

式中：Ia、Ib分別是anti-Stokes Light和Stokes Light光子強(qiáng)度;h為普朗克常數(shù)；c為真空中的光速;k為波爾茲曼常數(shù)；σ為波數(shù)；T為絕對溫度。設(shè)光纖散射點距離為L，那么激光脈沖在光纖中來回走過的路程為2L，根據(jù)式(2)計算發(fā)射光的返程時間可得被測點的空間距離。

(2)

(3)

式中：V為光在光纖中的傳播速度;C為真空中的光速;n為光纖折射率。在測得時刻t時，就可以得出距光源L處的距離。

2.2 分布式光纖在線測溫系統(tǒng)的構(gòu)成

2.2.1光纖測溫子系統(tǒng)

普洱換流站接地極共選取8個接地極深井安裝測溫設(shè)備，通過對換流站接地極的監(jiān)測，能在換流站內(nèi)對極環(huán)深井內(nèi)部溫度進(jìn)行在線探測。接地極深井深度為35 m，井內(nèi)填充焦炭，深井中部有一根排氣管，PPR材質(zhì)，在PPR管四周固定有引流電流、饋電棒等，運行時最大電流約6 000 A，接地極共有61個深井，深井間采用電纜溝連接。測溫探頭在每個接地極深井中的-35 m，-20 m，-5 m，分別設(shè)置測溫點，整個接地極共設(shè)置24個測溫點。接地極深井中采用焦炭填充，測溫設(shè)備要求滿足接地極深井中的溫度、濕度以及壓力的要求，接地極深井中的設(shè)備布置如圖2所示。

圖2 測溫探頭在深井中的布置圖

圖3 感溫光纜深井中實際布置圖

測溫子系統(tǒng)采用光纖測溫，系統(tǒng)包括光纖光柵波長調(diào)制解調(diào)器，光纖光柵溫度傳感器和傳輸光纜等。感溫光纜選用GWC-3003溫度傳感器(GWC-3003型傳感器是針對電力行業(yè)專門設(shè)計的一款產(chǎn)品，采用陶瓷等絕緣材料進(jìn)行封裝，耐高壓，抗電磁干擾，體積小，質(zhì)量輕，貼覆式安裝，適合高電壓環(huán)境)，因此每個接地極井中有三套感溫光纜，布置規(guī)格如圖3所示。

通過理論計算，將光纜敷設(shè)于地下35 m，周圍石墨粉填充后，對探測纜壓力約為150 N，施工過程中纜還將受到其他外部拉力，因此需將感溫光纜穿于波紋管中，達(dá)到緩沖拉力以及壓力的作用。波紋管具有很高的彎曲疲勞強(qiáng)度和耐蝕性，可用作腐蝕性介質(zhì)中的密封、連接原件。選用波紋管材質(zhì)為304不銹鋼，將感溫光纜穿入波紋管中，尾端將光纜抽出約15 cm，利用絕緣膠布纏繞固定于波紋管外側(cè)，在這個過程中，確保探測纜傳輸損耗小于1 dB。

光纖測溫解調(diào)設(shè)備用于實時解調(diào)光纖測溫傳感設(shè)備傳送過來的光信號，該設(shè)備安裝于接地極測量屏內(nèi)。

2.2.2通信子系統(tǒng)

光纖測溫系統(tǒng)通過無線方式將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送至監(jiān)控后臺，數(shù)據(jù)發(fā)送頻率設(shè)置為10 min/次。系統(tǒng)中選用4 G模組與解調(diào)儀表相連，該設(shè)備安裝于接地極測量屏內(nèi)，采用TD-LTE傳輸裝置，通過無線方式發(fā)出在線監(jiān)測數(shù)據(jù)。換流站內(nèi)的接地極在線監(jiān)測后臺直接連接到Internet上，接收接地極的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)。

在線監(jiān)測系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)上傳間隔可根據(jù)要求調(diào)整，最低的數(shù)據(jù)上傳間隔為1 min/次，在線監(jiān)測系統(tǒng)能暫存7天以上的監(jiān)測數(shù)據(jù)，系統(tǒng)后臺能夠暫存30天以上的歷史數(shù)據(jù)循環(huán)存儲。能夠在網(wǎng)絡(luò)斷開后暫存數(shù)據(jù)，在網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后能自動上傳網(wǎng)絡(luò)斷開期間未能上傳的數(shù)據(jù)。

2.2.3接地極在線監(jiān)測后臺

普洱站內(nèi)配置在線監(jiān)測系統(tǒng)后臺，接收并顯示接地極在線監(jiān)測數(shù)據(jù),效果如圖4所示。

圖4 在線監(jiān)測后臺登錄界面

2.2.4電源子系統(tǒng)

由于接地極地處偏遠(yuǎn)野外，無電力供應(yīng)，現(xiàn)場采用“太陽能系統(tǒng)”供電，包括蓄電池、電源控制器、電源逆變器、電源整流器、變壓器以及太陽能電池板等設(shè)備，設(shè)備應(yīng)采用組屏安裝方式，集中布置于接地極中心塔的箱式柜內(nèi)。太陽能電池板布置于箱式柜附近。現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)載主要為解調(diào)儀表、無線發(fā)送模塊。蓄電池容量在太陽能板不工作條件下能正常工作48 h。

經(jīng)過查詢普洱當(dāng)?shù)靥鞖猓昙镜臅r候陰雨天比較多，按照7個陰雨天設(shè)計，系統(tǒng)最大功率小于30 W，電池標(biāo)準(zhǔn)容值選用300 Ah，電壓值選用24 V，那么系統(tǒng)在無陰雨天的環(huán)境下可運行時間為9.25天，滿足7個陰雨天的條件。

為了適應(yīng)在野外條件下運行，系統(tǒng)監(jiān)控電路元件均采用低功耗工業(yè)級元件，系統(tǒng)采用間歇式供電方式，確保系統(tǒng)在太陽能供電不足的情況下也能夠長時間運行。同時，控制機(jī)箱滿足IP65防護(hù)要求，采用全封閉式結(jié)構(gòu)。其中電源子系統(tǒng)和通信子系統(tǒng)測量屏、電源設(shè)備均統(tǒng)一布置于箱式柜內(nèi)，箱式柜采用戶外式結(jié)構(gòu)，具有良好的防雨、通風(fēng)和防凝露能力，箱式柜內(nèi)設(shè)置二次等電位接地網(wǎng)。

3 分布式光纖測溫系統(tǒng)在接地極中的應(yīng)用測試

本文以普洱換流站接地極光纖測溫系統(tǒng)應(yīng)用為例，通過數(shù)據(jù)分析間接指導(dǎo)直流輸電接地極運行狀態(tài)的診斷，同時可以進(jìn)行接地極極體的壽命評估，本系統(tǒng)特點是既可以實現(xiàn)特高壓直流輸電接地極溫度的遠(yuǎn)程在線監(jiān)測，還可以實現(xiàn)接地極現(xiàn)場環(huán)境的實時視頻監(jiān)控。

通過對接地極在線測溫數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，接地極溫度與入地電流具有較強(qiáng)的對應(yīng)關(guān)系，如圖5所示，以19#接地極5號測溫點為例，當(dāng)接地極電流偏大時，其對應(yīng)點溫度呈明顯上升趨勢，因此測溫系統(tǒng)可設(shè)定一個或多個警告和報警溫度點，在選擇單極大地回線運行時，實現(xiàn)接地極監(jiān)測預(yù)警。

圖5 系統(tǒng)分析監(jiān)測點歷史溫差曲線圖

另外系統(tǒng)采用基于4 G通信的無線通信方式，遠(yuǎn)程在線視頻更流暢，更清晰，當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)控未連接網(wǎng)絡(luò)時，視頻處于10 min后臺拍照錄像狀態(tài);當(dāng)連接4 G網(wǎng)絡(luò)時，攝像頭實現(xiàn)在線實時傳遞圖像，數(shù)據(jù)傳輸更穩(wěn)定、可靠。

4 對接地極運行狀態(tài)的診斷

(1)通過接地極極址溫度和環(huán)境濕度數(shù)據(jù)分析，進(jìn)而對接地極饋線棒周圍的土壤狀態(tài)進(jìn)行判斷。系統(tǒng)監(jiān)控后臺可實時接收接地極極址的溫度和現(xiàn)場環(huán)境濕度，經(jīng)過分析可以及時掌握接地極周圍土壤狀態(tài)。接地極的溫度偏高或濕度偏低，直接導(dǎo)致土壤電阻率升高，從而影響接地極入地電流分布，伴隨著的是大地電位升高，出現(xiàn)地面跨步電壓和接觸電勢等，加快接地極本體腐蝕[12]。

(2)通過饋電電流對接地極運行狀態(tài)進(jìn)行診斷。系統(tǒng)監(jiān)控后臺接收到接地極饋電電流后，可以確定接地極電流分布及大小情況，若饋電電流過大會引起接地極本體腐蝕加速，縮短接地極運行壽命[13-14]。一般情況下，饋電電流與電極長度大致成正比關(guān)系，如果所測得的入地電流較它的基準(zhǔn)值偏差大，則表明接地極電極可能被腐蝕。

(3)對接地極體的壽命進(jìn)行評估。根據(jù)我國《高壓直流接地極技術(shù)導(dǎo)則》規(guī)定，直流接地極的設(shè)計壽命一般至少運行使用30年。由于接地極腐蝕的速度與接地極電流密切相關(guān)，所以根據(jù)系統(tǒng)所采集到的接地極的溫度和其他系統(tǒng)采集的接地極電流，可以評估該接地極的腐蝕程度，甚至進(jìn)一步分析影響接地極體壽命的有關(guān)因素，以便更好地維護(hù)和及時更新。

5 結(jié)束語

分布式光纖測溫是一種比較成熟的測溫技術(shù),但是在特高壓直流輸電線路接地極測溫中應(yīng)用鮮少,通過分析光纖光柵測溫原理,并對其應(yīng)用進(jìn)行介紹,主要特點有：

(1)分布式光纖測溫系統(tǒng)在不干擾接地極運行的情況下，檢測深井饋線棒的溫度分布，傳統(tǒng)方式測溫較麻煩或無法輕易獲得[15]，提高了工作效率。

(2)系統(tǒng)測溫和定位精度高，可適應(yīng)野外環(huán)境，實現(xiàn)深埋地下的大范圍多點的溫度測量，運行穩(wěn)定可靠。

(3)試驗數(shù)據(jù)證明，該技術(shù)在接地極溫度測量方面起到一定的作用,為接地極運行工況提供技術(shù)支持[16]。該技術(shù)應(yīng)用于我國特高壓直流垂直型接地極監(jiān)測方面，將有效提高直流輸電運維水平。