分布式光纖測溫系統應用的可行性

潘向榮，李志新，趙志強

(牡丹江水力發電總廠，黑龍江牡丹江157000)

0 引言

目前，中國電力系統現有的監測電力設備運行溫度的設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的熱電阻、熱電偶、各種半導體傳感器等類型;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。因為電力工業設備大多數處于強電磁場中，很多情況下要測量的地方處于高壓環境中(如高壓開關的在線監測，高壓變壓器繞組、發電機定子等點位的溫度和位移等參數的實時測量)，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。黑龍江省電力系統大多數都利用紅外測溫儀、紅外成像儀、感溫電纜、傳統的點式測溫系統進行監測，除了對上述的一些部位無法監測外，對開關柜內的斷路器、刀閘聯接點、觸頭測溫、全封閉金屬鎧裝柜等更是無能為力。光纖光柵傳感技術主要應用于電力行業開關柜的監測中。對此，為了能實現監測不同工作場合電力設備的運行溫度，本文提出可采用分布式光纖測溫系統。

1 分布式光纖測溫系統(DIS)技術原理

光纖測溫的機理是依據拉曼(Raman)散射效應，激光脈沖與光纖分子相互作用發生散射來測溫的。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制使光纖中的反斯托克斯光強發生變化，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對沿光纖溫度場的分布式測量。分布式光纖測溫系統(DIS)技術原理如圖1所示。

圖1 分布式光纖測溫系統(DIS)技術原理圖

結合高品質的脈沖光源、高速的信號采集與處理技術就可以得到沿著光纖所有點的準確溫度值。

1．1 電流采集方式

電流采集采用站內自動化讀取方式，只需了解電力行業通信協議格式即可獲取待測回路的負荷數據。CSM主站工控機按照標準的電力行業通信協議(如CDT規約)讀取待測回路的原始數據，如圖2所示。

圖2 電流采集讀取待測回路的原始數據系統圖

1．2 動態載流量技術

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

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

在DTS出現以前，DCR計算主要用于暫態和周期性負荷計算。模型邊界設置在遠處環境時模型包括不確定的電纜環境參數，通常只能取最不利條件;邊界設置在電纜內部、電纜表面或鄰近處時模型參數基本確定，但邊界條件又是未知的，需要做有風險的假設。DTS的應用首次為建立1個完全確定的(局部的、與環境無關的)DCR模型創造了條件。測溫光纜布置在電纜的表面或護層內實時檢測到電纜的表面溫度或護層的溫度，以此為邊界，DCR模型內的結構參數僅涉及到電纜結構和受周邊電纜的電氣影響因素(電纜敷設完畢后就已經確定)，如圖3所示。構建出電纜結構模型后，根據DTS測量出電纜表面溫度及已知的運行載流量，就可以準確計算電纜纜芯溫度及未來動態載流量，可實現電纜溫度異常監控及負荷監控。

圖3 動態載流量系統布置圖

在動態載流量系統建立2個動態載流量模型，分別為DCR－I模型(或稱內模)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。由于模型參數和邊界條件是確定的，DCR－I模型可以可靠地計算出邊界內的溫度場(包括導體溫度)，因此，通過分析電纜總熱量和該邊界溫度的響應關系，辨識該邊界以外的附近環境散熱參數和狀態，就可以實現較長時間尺度的動態載流量計算或運行仿真。基于辯識的載流量模型稱為DCR－II模型。

1．2．1 DCR －I動態載流量模型1

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

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，其內部狀態為電纜導體到邊界的溫度場。模型邊界條件為一類邊界，邊界點的數值為DTS測溫光纜的溫度檢測值。圖4為DCR－I模型結構示意圖。

圖4 DCR－I模型結構示意圖

1個完備的DCR－I模型應具備如下功能:

a．準確計算導體溫度。

b．以任意時間間隔刷新均保持穩定。

c．在任意的初試狀態下保持穩定。

d．可以適用于不同規格(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動態載流量模型2

DCR－II的輸入為負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，輸出為未來的負荷電流和表面溫度曲線、未來載流量關于可持續時間的函數曲線。圖5為DCR－II模型結構示意圖。

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

圖5 DCR－II模型結構示意圖

2 電纜在線溫度監測

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

圖6 電纜在線溫度監測系統圖

表1 各通道監測的具體情況

2．1 設備簡介

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:實時監測運行電纜的纜表溫度，若電纜纜表溫度達到報警設定值，則輸出報警信息;同時，通過網絡的形式把數據發送給CSM主機。

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

路由器:實現DTS主機與CSM主機之間的通信連接。

2．2 系統特點

a．可靠性高，對電纜全長度敷設測溫光纜，不存在探測盲區。

b．傳感器使用壽命長，可達30 a，即使在火災發生后，測溫光纜也能繼續使用。

c．技術先進，可準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，反應迅速，測量距離遠。

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，可實現多種參數在線設置，可對電纜結構及敷設環境進行獨立建模。

g．界面顯示多樣化，可顯示多種類型曲線、參數等，具有人性化的顯示界面。

h．可擴展性強、事故后可恢復能力強。

i．內置多種規約，便于在大監控平臺集成。

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

系統核心功能如下:

a．線路電纜全長溫度實時監測。b．溫度尖峰異常點監測。c．電纜結構按需建模、電纜靜態載流量計算。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．電纜多層溫度細節展現。g．電纜纜芯溫度、纜表溫度及線路載流量綜合展現。h．無人值守功能。i．溫度細節放大顯示。j．多級報警轉換機制。k．報警閥值在線設置功能。l．歷史事件顯示。m．多區域配置功能。

2．3 通信規約

系統通過 CDT規約、101規約、104規約、Modbus規約、繼電器通信約定、功能碼的分配、數據幀的配置等來實現各種數據的傳輸及詢問、確認主站的報文，使測溫主機及時檢測到報警信息，觸發相應的繼電器，將報警信息輸出到輸入模塊中，觸發報警。

3 結論

光纖光柵溫度在線監測系統在許多發電企業和供電公司得到了廣泛應用，如北京東效變電站220 kV電纜溫度測量系統、烏江思林水電站220kV電纜監測、彭水水電站母線監測、大盈江水電站等都已經采用此系統。實踐證明，光纖光柵溫度在線監測系統測溫數據可靠，運行情況良好，提高了設備安全檢測人員的工作效率。