重慶地區(qū)分布式測(cè)溫光纖應(yīng)用情況分析

張 勇,曹泰山

(國網(wǎng)重慶市電力公司市區(qū)供電分公司,重慶 400020)

隨著城市的迅速發(fā)展和電力負(fù)荷的快速增長,輸電電纜的運(yùn)行數(shù)量不斷增加,對(duì)電纜的安全可靠運(yùn)行提出了更高的要求。國家電網(wǎng)公司在《國家電網(wǎng)有限公司十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施》第13章《防止電力電纜損壞事故》中明確指出:“運(yùn)行部門應(yīng)加強(qiáng)電纜線路負(fù)荷和溫度的檢(監(jiān))測(cè),防止過負(fù)荷運(yùn)行,多條并聯(lián)的電纜應(yīng)分別進(jìn)行測(cè)量。巡視過程中應(yīng)檢測(cè)電纜附件、接地系統(tǒng)等關(guān)鍵接點(diǎn)的溫度?！薄秶译娋W(wǎng)有限公司110(66)千伏及以上電纜及通道運(yùn)維管理規(guī)定》的附表6、附表7明確要求,一、二級(jí)電纜隧道及隧道內(nèi)110(66) kV及以上高壓電纜,應(yīng)安裝分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng),三級(jí)電纜隧道具備安裝條件或滿足特定環(huán)境需求應(yīng)安裝分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng),三級(jí)電纜隧道內(nèi)的110(66) kV及以上高壓電纜可選擇安裝分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)。電纜隧道作為城市電纜敷設(shè)的主要通道,常被運(yùn)用在核心區(qū)域,具有容量大、敷設(shè)線路多等特點(diǎn)。由于隧道比較封閉,一旦出現(xiàn)火災(zāi)、故障等情況,撲救比較困難,且事故發(fā)生后的修復(fù)工作周期漫長,會(huì)造成嚴(yán)重的社會(huì)影響、經(jīng)濟(jì)損失。利用探測(cè)手段可及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患及故障,將事故消滅在萌芽階段。檢測(cè)裝置應(yīng)具備不受電磁干擾、靈敏度高、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。測(cè)溫光纖作為一種可靠的溫度檢測(cè)手段已在電力系統(tǒng)得到廣泛運(yùn)用。在實(shí)際運(yùn)用中,測(cè)溫光纖能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電纜運(yùn)行溫度及環(huán)境溫度,為電纜的運(yùn)行方式及負(fù)荷監(jiān)測(cè)提供支持。

1 分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)原理介紹

在分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)(DTS)中,光纖既是傳輸媒體又是傳感媒體,該系統(tǒng)主要由光纖測(cè)溫主機(jī)及測(cè)溫光纜組成。其組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)組成

分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)是一種實(shí)時(shí)、快速、多點(diǎn)測(cè)溫和測(cè)量空間溫度場(chǎng)分布的傳感系統(tǒng),也是一種分布式的、連續(xù)的、功能型光纖溫度測(cè)量系統(tǒng)。在系統(tǒng)中,光纖不僅是探測(cè)單元,同時(shí)也是傳輸單元。系統(tǒng)主要利用拉曼散射和光時(shí)域反射2種原理發(fā)揮測(cè)溫與定位的功能:利用光纖后向拉曼散射的溫度效應(yīng),可以對(duì)光纖所在的溫度場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的測(cè)量;利用光時(shí)域反射可以對(duì)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行精確定位[1]。

拉曼散射測(cè)溫原理:激光脈沖在光纖中傳輸時(shí),由于激光和光纖分子的相互物理作用,會(huì)產(chǎn)生3種散射光,即瑞利散射、拉曼散射和布里淵散射,其光譜分布如圖2所示。其中,拉曼散射和布里淵散射都對(duì)溫度敏感,因此拉曼散射和布里淵散射都可用來測(cè)量溫度[2]。

圖2 拉曼散射測(cè)溫原理

由于布里淵散射和瑞利散射在頻譜上靠得非常近,難以分開且布里淵散射受應(yīng)力等其他因素的影響也比較大,所以用來測(cè)溫難度比較大。目前技術(shù)上比較成熟的還是分布光纖拉曼散射溫度傳感器。測(cè)量流程如下(見圖3)[3]。

圖3 測(cè)溫過程

1)激光器發(fā)出一束激光,通過耦合器調(diào)制后射入測(cè)溫光纖中。

2)光纖中反射回的拉曼散射光通過光譜分離模塊,被分解成不同波長的Stokes反射光和Anti-stokes反射光。其中Stokes反射光的強(qiáng)度與溫度弱相關(guān),而Anti-stokes反射光的強(qiáng)度與傳輸介質(zhì)的溫度強(qiáng)相關(guān)[4]。

3)光時(shí)域反射處理單元通過對(duì)2束光信號(hào)進(jìn)行處理和對(duì)比計(jì)算得出溫度沿光纖的分布曲線。

光時(shí)域反射定位原理:激光器發(fā)出的脈沖光信號(hào)在光纖中傳輸時(shí),其在不同位置產(chǎn)生的后向散射光沿光纖達(dá)到探測(cè)器的時(shí)間不同,將后向散射光到達(dá)探測(cè)器與激光器發(fā)出光脈沖的時(shí)間差,乘以光在光纖中的傳輸速率,再除以2,即可得到散射點(diǎn)在光纖上的位置(見圖4)[5]。

圖4 光時(shí)域反射定位原理

目前在用的光纖線芯主要有2種,即50 μm芯和62.5 μm芯。62.5 μm芯徑多模光纖比50 μm芯徑多模光纖芯徑大、數(shù)值孔徑高,包括我國在內(nèi)的多數(shù)國家均將62.5/125 μm多模光纖用作局域網(wǎng)傳輸介質(zhì)和室內(nèi)配線。62.5/125 μm光纖幾乎成了數(shù)據(jù)通信光纖市場(chǎng)的主流產(chǎn)品。

2 重慶地區(qū)分布式測(cè)溫光纖規(guī)模及應(yīng)用情況

重慶地區(qū)現(xiàn)有電纜隧道136條,共190.98 km,已經(jīng)安裝光纖的電纜隧道有80條,共166.985 km,重慶地區(qū)110 kV及以上電纜542回長度為878.8 km。

目前重慶各公司正在接入電纜精益化管理平臺(tái)(CMP),全地區(qū)已經(jīng)接入163條的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)。平臺(tái)可以分析不同的隧道各個(gè)運(yùn)行時(shí)段的運(yùn)行溫度情況、冬夏電力負(fù)荷峰谷期間的運(yùn)行溫度情況,從業(yè)者可據(jù)此設(shè)定不同季節(jié)不同負(fù)荷時(shí)段的溫度報(bào)警閾值,定期根據(jù)溫度變化情況設(shè)定預(yù)警值和報(bào)警值,以預(yù)防火災(zāi)的發(fā)生。

2.1 分布式測(cè)溫光纖安裝情況

重慶地區(qū)安裝隧道測(cè)溫光纖139.25 km,安裝低壓槽盒測(cè)溫光纖99.221 km(主要是62.5/125 μm多模光纖),110 kV及以上電纜安裝測(cè)溫光纖1 812.657 km(62.5/125 μm多模光纖共計(jì)1 118.415 km,50/125 μm多模光纖共計(jì)564.491 km,單模光纖129.751 km)。

2.2 分布式測(cè)溫光纖測(cè)溫系統(tǒng)分布情況

重慶地區(qū)現(xiàn)有600套測(cè)溫系統(tǒng)主要分布在重慶主城區(qū)各供電單位。其中,重慶SQ公司232套(38%),重慶SB公司194套(32%)、重慶JX公司87套(15%)、重慶BB公司55套(9%)、重慶BS公司27套(5%)、重慶QN公司5套(1%)。

2.3 分布式測(cè)溫光纖測(cè)溫系統(tǒng)主機(jī)廠家情況

重慶地區(qū)所轄電纜及通道內(nèi)分布式測(cè)溫系統(tǒng)主機(jī)(91臺(tái))的廠家主要為蘇州光格科技股份有限公司(20臺(tái))、山東康威通信技術(shù)股份有限公司(19臺(tái))、上海波匯有限公司(16臺(tái))、成都榮耀科技有限公司(9臺(tái))等。

2.4 分布式測(cè)溫光纖測(cè)溫系統(tǒng)光纖廠家情況

重慶地區(qū)所轄電纜及通道內(nèi)分布式測(cè)溫系統(tǒng)光纖(590根/回)的廠家主要為山東康威通信技術(shù)股份有限公司(138根)、蘇州光格科技股份有限公司(127根)、重慶碩遠(yuǎn)科技有限公司(104根)、上海波匯有限公司(93根)等單位。

3 分布式測(cè)溫光線系統(tǒng)運(yùn)行中主要問題

1)部分光纖沒有鎧甲保護(hù)層,容易在施工中損壞或被小動(dòng)物啃噬,進(jìn)而造成斷纖。部分或因年久失修無法使用。測(cè)溫光纖經(jīng)過多次熔接后,對(duì)檢測(cè)溫度的準(zhǔn)確性降低,誤報(bào)比例將大幅上升。

2)同一通道內(nèi)存在62.5 μm和50 μm 2種光纖混用,不同規(guī)格型號(hào)的光纖不能熔接使用,不同光纖不能接入同一測(cè)溫主機(jī)使用。

3)受主機(jī)位置及通道走向影響,測(cè)溫光纖走向雜亂,不是按照一條發(fā)射線敷設(shè),無法正確反映溫度異常點(diǎn)的準(zhǔn)確位置。

4)光纖覆蓋率不高,部分隧道、槽盒沒有安裝測(cè)溫光纖,且備用光纖余量不足,在線路末端沒有余量無法檢測(cè)光纖系統(tǒng)。

5)光纖主機(jī)安放位置千差萬別,不統(tǒng)一,部分主機(jī)位于電纜夾層、蓄電池室、電纜通道內(nèi)等環(huán)境較差的場(chǎng)所,惡劣環(huán)境極易導(dǎo)致主機(jī)運(yùn)行異常,從而發(fā)生誤報(bào)或漏報(bào)。

6)測(cè)溫光纖主機(jī)廠家眾多,邏輯不統(tǒng)一,主機(jī)報(bào)警恢復(fù)、后期增設(shè)光纖接入調(diào)試對(duì)接廠家困難。測(cè)溫主機(jī)端口數(shù)量不能匹配光纖數(shù)量,有時(shí)需要2臺(tái)以上主機(jī),增加設(shè)備及數(shù)據(jù)的維護(hù)工作。

7)現(xiàn)有測(cè)溫光纖系統(tǒng)檢測(cè)手段落后,無法定時(shí)、定點(diǎn)、定溫度檢測(cè)光纖測(cè)溫(見圖5)。

圖5 系統(tǒng)常規(guī)試驗(yàn)

8)雖然分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)能采集到溫度異常上升的數(shù)據(jù),但多種原因?qū)е聹y(cè)溫系統(tǒng)功能失效,沒有發(fā)出報(bào)警短信。失效原因主要包括光纖斷纖、主機(jī)失電、無短信報(bào)警模塊或模塊沒有升級(jí)4G功能、模塊通信欠費(fèi)等,應(yīng)有的預(yù)警報(bào)警作用沒能發(fā)揮。

9)測(cè)溫光纖主機(jī)對(duì)環(huán)境溫度要求較高,超過一定的溫度范圍會(huì)導(dǎo)致恒溫箱不穩(wěn)定,測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)不精準(zhǔn)。

10)測(cè)溫光纖經(jīng)過熔纖后,光信號(hào)經(jīng)過熔纖點(diǎn)處后會(huì)出現(xiàn)明顯的衰減,測(cè)量的溫度會(huì)發(fā)生一定程度的波動(dòng)。當(dāng)同一根測(cè)溫光纖出現(xiàn)多個(gè)(一般大于3個(gè))熔纖點(diǎn)時(shí),對(duì)測(cè)得的溫度數(shù)據(jù)(尤其是熔纖點(diǎn)后端的數(shù)據(jù))影響會(huì)很大,誤報(bào)比例將大幅上升,不宜作為判斷溫度是否正常的依據(jù)(見圖6)。

圖6 光纖本體熔接點(diǎn)

4 分布式測(cè)溫光纖問題解決措施

4.1 針對(duì)光纖本體的措施及建議

1)嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)備選型和實(shí)施。所選光纖及主機(jī)須符合《電力電纜分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》(DL/T 1573—2016),明確分布式光纖及測(cè)溫主機(jī)配置標(biāo)準(zhǔn),明確光纖及主機(jī)的安裝及檢修標(biāo)準(zhǔn)。可編制新的光纖采購技術(shù)規(guī)范,明確光纖敷設(shè)方式,從源頭上進(jìn)行規(guī)范化。

2)建議由公司統(tǒng)一光纖型號(hào)。結(jié)合重慶地區(qū)實(shí)際情況,明確使用一種型號(hào)光纖(要么50 μm要么62.5 μm),便于通用對(duì)主機(jī)和光纖的維護(hù)器材。

3)清理優(yōu)化光纖主機(jī)位置及光纖走向。一、二級(jí)電纜通道內(nèi)110 kV及以上電纜,均采用三相單獨(dú)敷設(shè)測(cè)溫光纖,采用射線方式敷設(shè),減少迂回、S型敷設(shè)。優(yōu)化測(cè)溫主機(jī)的安裝位置,并加強(qiáng)端口準(zhǔn)入管理。

4)加強(qiáng)測(cè)溫光纖測(cè)溫系統(tǒng)建設(shè)。一、二級(jí)電纜隧道及隧道內(nèi)110(66) kV及以上高壓電纜應(yīng)安裝分布式光纖,其余電纜通道則依照實(shí)際情況加裝分布式光纖,盡量全覆蓋。

5)優(yōu)化系統(tǒng)測(cè)溫區(qū)段配置。細(xì)化電纜本體測(cè)溫光纖調(diào)試分區(qū),將電纜起始端設(shè)置為0 m,按電纜段進(jìn)行分區(qū)配置數(shù)據(jù),電纜中間接頭設(shè)置為獨(dú)立分區(qū),以減小測(cè)溫光纖與電纜本體因長度不同導(dǎo)致的報(bào)警位置的誤差。

4.2 針對(duì)測(cè)溫主機(jī)的措施及建議

1)明確要求測(cè)溫光纖主機(jī)功能。主機(jī)應(yīng)標(biāo)配短信報(bào)警模塊,常用端口數(shù)量不少于8口,并做好通信費(fèi)用不少于3年等維護(hù)工作,定時(shí)測(cè)試短信功能是否正常。

2)完善測(cè)溫主機(jī)位置選址。優(yōu)化分布式測(cè)溫系統(tǒng)主機(jī)(子站)屏柜位置選址,禁止在隧道內(nèi)、夾層內(nèi)等環(huán)境惡劣場(chǎng)所安裝測(cè)溫主機(jī)(子站),在變電站規(guī)劃設(shè)計(jì)中增加安放位置預(yù)設(shè)。

3)加強(qiáng)測(cè)溫主機(jī)設(shè)備選型。選用通用性強(qiáng)、擴(kuò)展性能高的主機(jī),可依據(jù)運(yùn)行使用經(jīng)驗(yàn)分析總結(jié),逐步對(duì)落后、小眾測(cè)溫主機(jī)進(jìn)行淘汰。

4)加強(qiáng)運(yùn)維人員培訓(xùn)工作。分布式光纖測(cè)溫主機(jī)新投驗(yàn)收前,廠家需提供全套操作說明手冊(cè),并對(duì)運(yùn)維人員進(jìn)行功能使用、系統(tǒng)調(diào)試培訓(xùn),特別注意在運(yùn)維工作中關(guān)閉光源,嚴(yán)禁將光纜對(duì)準(zhǔn)眼睛,防止激光灼傷眼睛。

5)深化精益化平臺(tái)運(yùn)用。須加快推進(jìn)現(xiàn)有測(cè)溫系統(tǒng)數(shù)據(jù)接入精益化平臺(tái),新建測(cè)溫系統(tǒng)必須同步接入精益化平臺(tái)。精益化平臺(tái)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)模塊須根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行優(yōu)化,如增加數(shù)據(jù)對(duì)比分析功能,將儲(chǔ)存數(shù)據(jù)保留5年以上。

4.3 針對(duì)測(cè)溫系統(tǒng)試驗(yàn)的措施及建議

1)完善光纖測(cè)溫系統(tǒng)自檢功能。定期對(duì)光纖測(cè)溫系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè):檢測(cè)光纖通道是否完好,測(cè)溫距離和相別是否準(zhǔn)確,測(cè)量溫度是否精確,主機(jī)和系統(tǒng)端報(bào)警短信發(fā)送和數(shù)據(jù)傳輸是否準(zhǔn)確可靠。

2)加強(qiáng)設(shè)備日常運(yùn)維。需要定期巡視檢查測(cè)溫主機(jī)功能是否完好,數(shù)據(jù)傳輸是否正常,供電是否正常,短信功能是否正常,通信卡是否欠費(fèi)等。

3)加強(qiáng)檢測(cè)新技術(shù)運(yùn)用。現(xiàn)已研發(fā)出固定恒溫加熱檢測(cè)模塊,可以設(shè)定好測(cè)試時(shí)間、周期及溫度,該模塊能夠定時(shí)恒溫檢測(cè)光纖測(cè)溫系統(tǒng),能及時(shí)掌握光纖測(cè)溫系統(tǒng)的完整性、準(zhǔn)確性、及時(shí)性及可靠性。

4.4 針對(duì)測(cè)溫系統(tǒng)預(yù)警的措施及建議

1)加強(qiáng)測(cè)溫系統(tǒng)報(bào)警監(jiān)控。依托專業(yè)機(jī)構(gòu)及人員24 h監(jiān)控,有條件的單位可對(duì)光纖預(yù)警信號(hào)實(shí)施24 h有人監(jiān)控。完善光纖短信報(bào)警功能,并覆蓋所有分布式測(cè)溫系統(tǒng)。在實(shí)際使用過程中,能及時(shí)發(fā)現(xiàn)隧道內(nèi)的溫度變化,通過平臺(tái)報(bào)警信號(hào),查看具體長度位置,迅速進(jìn)行定位,去現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際復(fù)核情況,對(duì)事件的及時(shí)性及可靠性提供支持(見圖7)。

圖7 使用過程中的報(bào)警斷纖信號(hào)

2)優(yōu)化精益化平臺(tái)。對(duì)精益化平臺(tái)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)模塊進(jìn)行優(yōu)化,使其將數(shù)據(jù)進(jìn)行整合,每條測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)用曲線展示。工作人員可以根據(jù)需要對(duì)展示周期進(jìn)行調(diào)整。平臺(tái)可以直觀地把測(cè)溫曲線分不同時(shí)間或周期進(jìn)行對(duì)比,可以分析不同通道、同一通道在不同位置、不同電壓等級(jí)、不同相別、不同擺放位置上的溫度差異,并結(jié)合負(fù)荷變化預(yù)判溫度變化趨勢(shì),有效地分析溫度異常的原因,準(zhǔn)確判斷導(dǎo)致溫度異常的原因是否屬于火災(zāi)隱患,以及時(shí)有效地消除火災(zāi)隱患。

3)制訂通道火災(zāi)應(yīng)急預(yù)案。針對(duì)所有通道制訂火災(zāi)應(yīng)急預(yù)案,一旦收到預(yù)警短信,立即進(jìn)行研判,同時(shí)啟動(dòng)火災(zāi)應(yīng)急預(yù)案,一旦核實(shí)且收到報(bào)警短信,立即實(shí)施火災(zāi)應(yīng)急預(yù)案,各部門各專業(yè)進(jìn)行聯(lián)動(dòng),盡快消除火災(zāi)隱患,把損失降到最低。

5 結(jié)語

本文分析重慶地區(qū)的分布式測(cè)溫光纖運(yùn)用情況及運(yùn)行中存在的問題,提出從光纖本體、測(cè)溫主機(jī)、系統(tǒng)準(zhǔn)確性效驗(yàn)、測(cè)溫系統(tǒng)預(yù)警等4個(gè)方面采取措施,解決現(xiàn)有分布式測(cè)溫光纖存在的主要問題,進(jìn)一步提高測(cè)溫光纖在施工、運(yùn)行、維護(hù)及檢修過程的規(guī)范性、可靠性、準(zhǔn)確性,從而提高重慶地區(qū)分布式測(cè)溫光纖的覆蓋率、在線率、可靠性,更好地為輸電電纜安全可靠運(yùn)行保駕護(hù)航,助力成渝雙城經(jīng)濟(jì)圈的建設(shè)。