基于分布式光纖溫度傳感器的風電場復合纜在線檢測系統

淮南聯合大學 洪 濱，呂慶洲

1 引言

與一些發達國家相比，我國電網的電纜平均故障率偏高，尤其是惡劣條件下的風電場。一般來說，電纜線路由于長期過載而使絕緣劣化，特別是外部環境惡劣及內部過電流的條件下，引發端頭或中間頭局部出現高溫，使得電纜端頭或中間頭處常常發生短路現象，極易引起火災甚至爆炸事故。而光纖傳感技術的發展為電力電纜動態監測與安全防護提供了簡單有效的解決方案。

基于拉曼分布式光纖溫度傳感器適用于大跨度、長距離、環境復雜的傳感環境，具有事件檢測靈敏度高、響應速度快等特點，而且可以實時對有威脅事件進行定位，十分適合長距電纜的安全防護。利用復合光電纜中光纖作為傳感單元，結合先進的分布式光纖傳感技術，可以在不重新施工的情況下完成對風電場電纜的安全防護，這對于在實際工程中確保各種風電場能量傳輸電纜的安全有重要意義。

2 具有溫度在線檢測光電復合纜的結構

國家發改委提出：2020年風電的總裝機為2000萬kW，代表性品種為“1.8/3kV及以下風力發電用耐扭曲軟電纜”。這種電纜一般采用乙丙橡膠或硅橡膠絕緣（也有用EVM），氯磺化聚乙烯或氯丁橡膠或聚氨酯彈性體為護套。

2.1 風力發電專用電纜

風力發電用電纜特點是：耐扭轉、耐低溫、耐日光、耐油、耐鹽霧（五耐電纜），如圖1所示。根據設備和環境的不同，可分為以下幾類：

（1） 塔內耐扭電纜，包括①耐扭動力電纜：亦稱“風機主纜”，用于傳輸電能，主要是用在發電機與變頻器或變壓器之間，或用于機艙與塔底變頻變流柜連接；其中，2MW以下的風機主要是用0.6/1kV及以下的軟電纜；②耐扭電源線：亦稱“風機輔纜”，它為照明等供電用耐扭電線，300/500V、450/750V的裝備用耐扭電線；③耐扭控制電纜：類似于GB9330中的控制電纜(彈性體或橡皮材料，軟結構)；④耐扭通信類電纜：通信電纜，光纜等。

（2） 塔內非耐扭部分電纜，包括①普通電纜（固定敷設）；②母線排。

（3） 塔外電纜部分，包括①一般低壓電線電纜（固定敷設）（2MW以下）；②中壓（10kV、35kV）電纜（固定敷設）（3MW以上）；③柔性直流電力電纜（并網電纜）。

圖1 風力發電專用電纜

風力發電機發出的全部電功率都是通過變頻器變成工頻上網的，如圖2所示。顯然，作為風電場實現能量傳輸的專用電纜，它與電力系統普通電纜相比，要求具備低傳輸阻抗、低絕緣損耗、高抗電磁干擾性、高電磁耦合平衡性與環保性能于一身。為實現上述目標，研究人員通過對風力發電系統的研究，從結構、工藝和試驗方式上開始設計大功率風力發電機系統用輸電光電纜。

圖2 風力發電直接接線系統

本文研究的“風電場光電復合電纜產品”屬于塔外10kV中壓電纜，為了滿足風場要求，宜符合以下技術要求：

? 電纜的設計使用壽命為20年；

? 電纜使用的環境溫度為-40～+50℃；

? 導體長期的最高工作溫度為90℃，瞬時短路電流引起最高短路溫度不超過250℃；

? 電纜的最小彎曲半徑為電纜直徑的6倍；

? 電纜能夠經受IEC 60332-1-2單根垂直燃燒試驗和IEC 60332-3 C類成束燃燒試驗要求；

? 電纜燃燒時釋出氣體的測定能符合IEC 60754～IEC 60754-2的要求；

? 電纜必須具有耐油性能；

? 電纜必須具有耐紫外線輻射性能；

? 電纜外護套能夠經受IEC 60811-1-4試驗方法規定的-40℃、16h的低溫性能試驗要求；

? 電纜必須經受常溫下扭轉試驗：在室溫環境下，將l0m長的電纜懸掛在可旋轉的轉輪上，電纜下部固定，轉輪先順時針扭l440°，再逆時針扭轉相同角度，使電纜恢復到原始狀態，此后逆時針扭轉l440°再順時針扭轉相同角度使電纜恢復到初始狀態，此為一個周期，共3600個周期。電纜經扭轉試驗后，外觀應無開裂現象，并且局部放電和電壓試驗符合規定要求。

2.2 具有測溫功能的風電復合纜結構

本風電復合纜選用 “對稱3”+“獨立1”屏蔽結構設計，從而，實現電纜抗電磁輻射性能的目的，保證電纜一方面不受外界干擾，另一方面不干擾其它電控設施，以提高風電上網系統的用電安全性，實現變頻器和電源的匹配，改善功率因數，減少高次諧波的不良影響。

圖3 10kV風電場光電復合電纜結構

本復合纜為了導體的增強，采用鋼銅混合絞結構(如3鋼4銅結構等)，作為中心股將銅線股線絞合在其外邊。因此，從電纜導體的軸向上看合成纖維是直的，而所有的銅單線都是螺旋型的。電纜受力最先被拉伸的必然是合成纖維，隨著外力的逐漸增大，伸長加大，銅單線再從內向外先后受到拉伸。從而有效提高了電纜導體本身的抗張能力。本風電復合纜基本結構有以下特點：

（1）導體材料。導體材料選用優質退火無氧銅，根據使用條件，選用符合DIN VDE 0295/IEC60228標準要求的第5種鍍錫軟銅導體，導體表面鍍層應均勻、光亮、無氧化和毛刺等。

（2）絕緣材料。絕緣材料采用符合IEC 60092-351的乙丙橡膠混合物，但抗張強度應不小于6.5MPa。乙丙橡膠混合物具有較好的化學穩定性、優良的耐熱老化性、優異的耐寒性、卓越的電絕緣性能和耐臭氧、耐氣候性，并且無毒無臭，完全滿足電纜使用的需求。

（3）三層共擠工藝。利用三層共擠工藝，導體屏蔽、絕緣層、絕緣屏蔽一次擠出。相對于多次擠出工藝，三層共擠能保證絕緣和屏蔽的緊密無間隙結合，防止污染，從而避免電纜在高電場下的游離放電現象，有效降低了局部放電水平，絕緣性能更佳。顯然，三層共擠工藝還可以進一步提高絕緣體的綜合性能，保證電纜的電壓降和相間干擾優越性。

圖4 電纜三層共擠工藝設備

（4）蔽層材料。內、外屏蔽層材料采用乙丙橡膠混合物半導電屏蔽料，其熱老化性能應與相結合的絕緣層相當，在絕緣屏蔽層外再繞包一層鍍錫銅絲作為其金屬屏蔽層，以改善電纜的屏蔽效能。編織屏蔽層材料主要采用符合GB/T 4910的鍍錫銅絲，為防止扭轉時屏蔽層開裂采取特殊設計，提高其耐扭轉性能。該結構一方面使電纜結構緊湊、成本下降，同時改善了電纜的柔軟性，另一面提高了電纜在高頻環境下的屏蔽效果，使保護電磁場呈筒形閉環分布。

（5）隔離層采用PBT聚酯帶。采用耐熱、非吸濕性和高強度的材料，可以提高屏蔽層與線芯的耐電壓沖擊性。

（6）外護層采用無鹵材料。綠色環保安全是現代電纜外護套的基本要求，而現代無鹵材料具有耐油、防水、耐環境浸損于一體，可保證電纜在各種惡劣環境下的性能穩定性。本電纜對內、外護套采取了特殊設計，提高了復合護層的耐扭轉強度，內護套材料采用低煙無鹵橡皮混合物，其性能應符合EN 50264.1中EI101型護套料的規定；外護套材料采用聚醚型無鹵阻燃熱塑性聚氨酯，該種護套材料具有抗撕裂強度高、耐候性好、無鹵阻燃性能以及優異的抗微生物性能、耐水性能、耐磨性能等。

2.3 光單元與分布式溫度傳感器

光單元主要以62.5纖芯為主的雙芯、四芯、六芯鎧裝光纜，輔加各類與之配套的元器件組成。主要的性能：工作溫度：-40℃～250℃； 允許拉力：600～800N。顯然，光單元中的光纖為二氧化硅材料，脆而易受損傷，所以在不銹鋼套管中采用纖膏。這既可保護光纖，又能防止水分和潮氣的滲入而產生氫損現象，保證光纖性能長期穩定。感溫光纜單元采用聚酰亞胺耐高溫光纖（工作溫度范圍：-50℃～430℃），以適應風電場電纜能量傳輸的各種工況。

圖5 分布式溫度傳感器

在復合纜中，光纖采用內置技術。這樣復合纜投運時，光單元不會受敷設環境影響；它有效降低了光纖因人為或意外造成光纖斷裂的風險。乙丙橡膠絕緣電纜的導體長期允許工作溫度為90℃，如果電纜運行溫度最高不得超過90℃，說明電纜過負荷或局部出現故障。通常分布式感溫傳感器的光單元放置在三相絕緣線芯的中心部位或邊緣空隙中，如圖4所示。

如果光單元放在導體中心部位，復合纜在承受拉力作用時，光單元由于沒有絞合節距而呈直線狀態，將率先受力，而一般光單元，只能承受的短暫拉伸力只有2kN左右，這無法滿足風電復合纜在制造和敷設時的拉應力，如圖6（a）所示。如果光單元放在三相絕緣線芯的邊緣空隙中，由于跟絕緣線芯同時絞合成纜，當復合纜中的纜芯受到拉力作用時，光單元和絕緣線芯同時受力，這樣所承受的拉力較小，再加上光單元設有一定的光纖余長，拉應力不會對光纖的傳輸性能構成影響，如圖6（b）所示。為避免光單元在與電力電纜的成纜絞合過程中被擠壓，故將光單元復合在填充物中，該結構設計可有效保護光單元的安全，如圖3所示。

圖6 傳感光單元內置位置

2.4 光電復合纜護層[9]

風電場光電復合纜必須具備防水、防腐、抗大張力功能。防水性能包括徑向防水和縱向防水兩個方面，縱向阻水功能的實現，阻水機理是：當水分從復合纜端頭或是從護套缺陷中進入后，含有吸水膨脹粉末的材料就會迅速膨脹，并阻止了水分沿復合纜縱向進一步擴散，從而將水分的影響限制在局部的受損處，實現了電纜縱向防水的目的。亦即：復合纜采用絞合導體結構，并在絞合過程中，填入吸水膨脹的阻水材料。對于絕緣屏蔽和縱包金屬屏蔽之間存在的間隙，采用在絕緣屏蔽和縱包金屬屏蔽之間繞包半導電阻水帶的方式實現阻水。同時，通過半導電阻水帶與單面銅塑復合帶金屬一面的接觸，實現絕緣屏蔽與銅塑復合帶的等電位。徑向阻水功能的實現，采用了“增強銅塑復合護層+特種聚乙烯(PE)護套”阻水防腐層新技術。既可實現徑向阻水，又有很好的防海水腐蝕作用，而且這種特殊結構還可增強電纜的綜合力學性能。

圖7 風電復合纜生產工藝示意圖

光電復合纜護外護套的擠出過程中，有三方面要注意：

（1） 原材料的干燥問題。由于聚氨酯極性較強，具有很強的吸水性，在空氣中極易吸收水分而變潮，擠出時潮氣遇高溫而揮發，導致產品表面出現毛孔、氣泡及外徑粗細不均等現象，嚴重影響護套的力學性能，所以聚氨酯應避免長期暴露在空氣中，在擠出前應進行烘干處理。干燥溫度宜控制在90℃～110℃，干燥時間應為75～120min。

（2） 擠出溫度的控制。聚氨酯通常使用長徑比24左右的單螺桿擠出機進行加工，加工時溫度應保持穩定。擠出機進料口到機筒末端溫度從l65℃逐漸升高至l85℃左右，模口處的溫度應比機筒末端低大約5℃。加工溫度不能過高，否則容易導致材料降解，電纜表面起泡，降低護套的機械性能。

（3） 擠出模具的選擇。電纜護套擠出模具有擠壓式和擠管式，采用擠壓式模具試制時電纜可以達到很高的圓整度，也容易形成霧面效果，但調試很麻煩，相比較而言擠管式模具加工更容易。

風電場光電復合纜關鍵的生產工序為：導體絞合、內外屏蔽和絕緣三層共擠、聚氨酯外護套擠出三大工序，如圖7所示。

3 在線檢測技術在風電場復合光電纜中的實現

電纜分布式光纖溫度監測系統一般是沿電纜表皮或護套內敷設實時測量空間溫度場的光纜，用于電纜及周圍設備環境溫度監測，提供連續測量電纜測量位置的溫度信息。根據測溫度值、電纜的散熱系數和周圍的敷設環境等條件，通過建立電纜測量位置溫度與電纜線芯溫度或載流量之間的對應關系，可以推算出電纜線芯溫度，實現電纜載流量實時評估功能；可以起到電纜運行狀態監測，規避運行管理的風險作用。

光纖傳感器一般分為兩大類，一類是利用光纖本身的某些敏感特性或功能制成的傳感器稱為功能型傳感器；另一類是光纖僅僅起傳輸光波的作用，必須在光纖端面或中間加裝其他敏感元件才能構成傳感器，稱為傳光型傳感器。傳光型傳感器要求能傳輸的光越多越好，所以它主要用多模光纖構成；而功能型傳感器需要靠被測對象調制或改變光纖的傳輸特性，所以一般多用單模光導纖維構成。

3.1 分布式光纖溫度傳感技術

圖8 分布式光纖溫度傳感實驗

拉曼分布光纖溫度傳感器系統是近十多年隨著光電技術發展起來的一種測量空間溫度場的高新技術，它是集激光、紅外、光纖、波分復用、光譜和弱信號檢測技術的光機電和計算機一體化綜合技術。拉曼分布式光纖溫度傳感器已成為光纖傳感和檢測技術的發展趨勢，在系統中光纖既是傳輸媒體又是傳感媒體，光纖所處空間備點的溫度場通過拉曼效應調制了光纖中的反斯托克斯拉曼光子通量，用解調器解調后得到待測空間各點的溫度信息，它是一種典型的光纖通訊系統：利用光纖光時域反射(optical time domain re fl ection OTDR)原理[4]，由光纖中光的傳播速度和光回波的時間間隔，對所測溫度點定位，它是一種典型的光纖溫度雷達。

圖9 拉曼(Raman)散射效應

光纖測溫的原理是依據后向拉曼(Raman)[3]散射效應，激光脈沖與光纖分子相互作用發生散射。散射有多種，其中拉曼散射是由于光纖分子的熱振動，產生一個比光源波長長的光，稱斯托克斯(Stokes)光，和一個比光源波長短的光，稱為反斯托克斯(Anti.Stokes)光。反斯托克斯光信號的強度與溫度有關，斯托克斯光信號與溫度無關。從光波導內任何一點的反斯托克斯光信號和斯托克斯光信號強度的比例中，可以得到該點的溫度[3]。

式（1）中：h為普朗克常數；K為玻爾茲曼常數；IS為斯托克斯光強度；Ias為反斯托克斯光強度；f0為伴隨光的頻率；△f為拉曼光頻率增量。

關于拉曼散射效應，可參見圖10所示；電纜載流量與溫度的關系，參見圖9電纜分布光纖溫度傳感器試驗。顯然，為了消除干擾與系統損耗的影響，需要對對象進行多次測量，然后進行加權平均處理，以便更真實地反映所測溫度場的溫度判據曲線。再通過軟件編程，仿真出電力電纜溫度過熱點，在取得電纜表面溫度和周圍環境溫度數據后，將電纜的負荷電流按照劃分的區域描成一組相關曲線，并從電流值推算出芯線導體的溫度系數，以便求出線芯溫度與運行負荷電流的邏輯關系，并以此來支持電纜的安全運行監控。

3.2 分布式電纜測溫及在線故障檢測系統

本系統光路設計采用（Raman）拉曼分布式光纖溫度傳感器作為基本結構，Raman分布式光纖溫度傳感器已成為光纖傳感和檢測技術的發展趨勢。由于它具有諸多獨特的性能，因此，分布式光纖溫度傳感器已成為現代工業過程控制中的一種新的檢測裝置。圖11為光纖分布式溫度傳感系統的結構，該系統主要起到運行中的電力電纜導體溫度的實時監測，及線芯溫度與載流量的模擬計算的判據作用。

對電纜溫度異常點的空間定位是通過光纖光時域反射技術(0TDR)實現的，當激光脈沖在光纖中傳輸時，在時域里，入射光經過背向散射返回到光纖入射端所需時間為t，激光脈沖在光纖中所走過的路程為2L。則有：2L=V?t …………(2)；V=C/n…………(3)。

上式中：V為光在光纖中的傳輸速度；C為真空中的光速；n為光纖折射率。

圖10 光纖分布式溫度傳感系統示意圖

利用光時域反射技術可以確定沿光纖溫度場中每個溫度采集點的距離及異常溫度點、光纖斷裂點的距離定位信息。分布式光纖測溫系統的主體是測溫光纜，它不僅是溫度傳感器，也是傳輸溫度數據的媒介；此外，它還有電纜溫度監測系統主機、分布式光纖測溫主機(Distributed Temperature Sensing，簡稱DTS)、光路切換開關、報警信息發生器等組成部分。在線檢測裝置硬件主要有光路模塊和電路模塊兩大類：

光路模塊是系統核心，主要包括大功率半導體激光器模塊、分光器件、探測器等組成。半導體激光器模塊發出的大功率脈沖激光經分光器件后進入傳感光纜，激光在光纜傳輸過程中因分子熱振動而發生背向拉曼散射光，背向拉曼散射光經分光光路分離出反斯托克斯光和斯托克斯光，并由探測器接收，經放大電路后由高速數據采集電路同步采集，信號處理單元實現溫度信號計算及火災報警判斷。

電路模塊主要由控制及信息處理電路、驅動電路、探測電路、高速采集電路、接口電路等組成。控制及信息處理電路實現對整個電路模塊及光電器件的控制和協調，并對采集信號進行溫度計算，可實現定溫、差溫火災報警判斷。驅動電路實現大功率半導體激光器發出高功率、窄脈寬激光脈沖。探測電路實現微弱背向散射信號的放大、調理。高速采集電路實現高速信號采集與硬件累加功能。接口電路實現測溫主機和外部設備之間的數據和狀態信息的通訊，實現遠程數據傳輸和系統運行狀態的遠程監控，如圖11所示。

根據經驗：計算區間越短，計算結果誤差越小。本電纜故障在線檢測裝置的故障定位法，采用特殊的算法。將故障計算的起始點和終結點盡可能地向故障點不斷靠近，縮短故障的計算區間，以減小判定誤差。

4 結語

圖11 分布式光纖溫度傳感器電纜故障在線檢測裝置

上世紀90年代，發達國家就有人利用“光電復合纜”來進行電纜故障測距，即：采用光纖溫度分布傳感器，將光纖復合到電纜中，做成光纖復合電纜；而光纖溫度分布傳感器完全不受電磁感應的影響，激光束注入光纖后，用分光儀將拉曼(Raman)后向散射光線分離出來，該光線的強度隨溫度變化。通過測量光強，經過公式轉換后可以讀出溫度值。而故障距離可以通過激光脈沖的注入時間與反射光線的到達時間差來計算，激光在此類光纖中的傳播速度為0.2lm/ns。顯然，該方法對故障的定位準確，定位時間少，而且對電纜的損傷小于其它行波法。但當時，制造復合光纖電纜造價高，保護光纖不受損傷比保護電纜本身難度更大，該技術的使用受到了抑制，故目前還沒有能夠滿足工程要求的產品出現。隨著耐高溫光纖技術的發展，使得利用光纖嵌入技術進行電纜故障在線監測成為可能。

本項目為安徽省高等學校省級質量工程項目，其研究技術的創新點為：（1）電纜導體采用特種合成纖維束作為加強芯，主要作為光電纜承力編織層或內部的承力構件，在光電纜內部它與導體和光纖是分離的。（2）采用聚酰亞胺耐高溫光纖作為拉曼分布式光纖溫度傳感器，使XLPE光纖復合纜工藝上易于實現，目前，該裝置只能測出一根過負荷的電纜，或大致指出在10米范圍內的故障點，而不能精確到某個點或比較小的范圍，還有待進一步研究。（3）以上問題還需要大量實際測試數據資料的積累，以確定分布式電纜測溫及在線故障檢測系統監測報警閾值；同時，還需對拉曼分布式光纖溫度傳感器探測到的數據，進行重構、特征提取、模式識別，使傳感器能夠感應到2m以內的實用范圍。

近年來，風電場發展很快，對復合海纜的安全防護問題就凸顯出來。每年報道的地埋復合電纜被盜、海底復合纜被船錨鉤斷或損壞等事件屢見不鮮，嚴重影響正常電力供應和數據傳輸，經濟損失上億元，因此亟需對已敷設復合電纜進行全程安全防護的系統。

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