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)展和電力負荷的快速增長,輸電電纜的運行數(shù)量不斷增加,對電纜的安全可靠運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:“運行部門應加強電纜線路負荷和溫度的檢(監(jiān))測,防止過負荷運行,多條并聯(lián)的電纜應分別進行測量。巡視過程中應檢測電纜附件、接地系統(tǒng)等關鍵接點的溫度?！薄秶译娋W(wǎng)有限公司110(66)千伏及以上電纜及通道運維管理規(guī)定》的附表6、附表7明確要求,一、二級電纜隧道及隧道內(nèi)110(66) kV及以上高壓電纜,應安裝分布式光纖測溫系統(tǒng),三級電纜隧道具備安裝條件或滿足特定環(huán)境需求應安裝分布式光纖測溫系統(tǒng),三級電纜隧道內(nèi)的110(66) kV及以上高壓電纜可選擇安裝分布式光纖測溫系統(tǒng)。電纜隧道作為城市電纜敷設的主要通道,常被運用在核心區(qū)域,具有容量大、敷設線路多等特點。由于隧道比較封閉,一旦出現(xiàn)火災、故障等情況,撲救比較困難,且事故發(fā)生后的修復工作周期漫長,會造成嚴重的社會影響、經(jīng)濟損失。利用探測手段可及時發(fā)現(xiàn)隱患及故障,將事故消滅在萌芽階段。檢測裝置應具備不受電磁干擾、靈敏度高、傳輸距離遠等特點。測溫光纖作為一種可靠的溫度檢測手段已在電力系統(tǒng)得到廣泛運用。在實際運用中,測溫光纖能實時監(jiān)測電纜運行溫度及環(huán)境溫度,為電纜的運行方式及負荷監(jiān)測提供支持。

1 分布式光纖測溫系統(tǒng)原理介紹

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

圖1 分布式光纖測溫系統(tǒng)組成

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

拉曼散射測溫原理:激光脈沖在光纖中傳輸時,由于激光和光纖分子的相互物理作用,會產(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溫度敏感,因此拉曼散射和布里淵散射都可用來測量溫度[2]。

圖2 拉曼散射測溫原理

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力等其他因素的影響也比較大,所以用來測溫難度比較大。目前技術上比較成熟的還是分布光纖拉曼散射溫度傳感器。測量流程如下(見圖3)[3]。

圖3 測溫過程

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反射光的強度與溫度弱相關,而Anti-stokes反射光的強度與傳輸介質(zhì)的溫度強相關[4]。

3)光時域反射處理單元通過對2束光信號進行處理和對比計算得出溫度沿光纖的分布曲線。

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

圖4 光時域反射定位原理

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)通信光纖市場的主流產(chǎn)品。

2 重慶地區(qū)分布式測溫光纖規(guī)模及應用情況

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(CMP),全地區(qū)已經(jīng)接入163條的測溫數(shù)據(jù)。平臺可以分析不同的隧道各個運行時段的運行溫度情況、冬夏電力負荷峰谷期間的運行溫度情況,從業(yè)者可據(jù)此設定不同季節(jié)不同負荷時段的溫度報警閾值,定期根據(jù)溫度變化情況設定預警值和報警值,以預防火災的發(fā)生。

2.1 分布式測溫光纖安裝情況

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

2.2 分布式測溫光纖測溫系統(tǒng)分布情況

重慶地區(qū)現(xiàn)有600套測溫系統(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 分布式測溫光纖測溫系統(tǒng)主機廠家情況

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

2.4 分布式測溫光纖測溫系統(tǒng)光纖廠家情況

重慶地區(qū)所轄電纜及通道內(nèi)分布式測溫系統(tǒng)光纖(590根/回)的廠家主要為山東康威通信技術股份有限公司(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 分布式測溫光線系統(tǒng)運行中主要問題

1)部分光纖沒有鎧甲保護層,容易在施工中損壞或被小動物啃噬,進而造成斷纖。部分或因年久失修無法使用。測溫光纖經(jīng)過多次熔接后,對檢測溫度的準確性降低,誤報比例將大幅上升。

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)格型號的光纖不能熔接使用,不同光纖不能接入同一測溫主機使用。

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

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

5)光纖主機安放位置千差萬別,不統(tǒng)一,部分主機位于電纜夾層、蓄電池室、電纜通道內(nèi)等環(huán)境較差的場所,惡劣環(huán)境極易導致主機運行異常,從而發(fā)生誤報或漏報。

6)測溫光纖主機廠家眾多,邏輯不統(tǒng)一,主機報警恢復、后期增設光纖接入調(diào)試對接廠家困難。測溫主機端口數(shù)量不能匹配光纖數(shù)量,有時需要2臺以上主機,增加設備及數(shù)據(jù)的維護工作。

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

圖5 系統(tǒng)常規(guī)試驗

8)雖然分布式光纖測溫系統(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溫系統(tǒng)功能失效,沒有發(fā)出報警短信。失效原因主要包括光纖斷纖、主機失電、無短信報警模塊或模塊沒有升級4G功能、模塊通信欠費等,應有的預警報警作用沒能發(fā)揮。

9)測溫光纖主機對環(huán)境溫度要求較高,超過一定的溫度范圍會導致恒溫箱不穩(wěn)定,測溫數(shù)據(jù)不精準。

10)測溫光纖經(jīng)過熔纖后,光信號經(jīng)過熔纖點處后會出現(xiàn)明顯的衰減,測量的溫度會發(fā)生一定程度的波動。當同一根測溫光纖出現(xiàn)多個(一般大于3個)熔纖點時,對測得的溫度數(shù)據(jù)(尤其是熔纖點后端的數(shù)據(jù))影響會很大,誤報比例將大幅上升,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

4 分布式測溫光纖問題解決措施

4.1 針對光纖本體的措施及建議

1)嚴格按照標準進行設備選型和實施。所選光纖及主機須符合《電力電纜分布式光纖測溫系統(tǒng)技術規(guī)范》(DL/T 1573—2016),明確分布式光纖及測溫主機配置標準,明確光纖及主機的安裝及檢修標準。可編制新的光纖采購技術規(guī)范,明確光纖敷設方式,從源頭上進行規(guī)范化。

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

3)清理優(yōu)化光纖主機位置及光纖走向。一、二級電纜通道內(nèi)110 kV及以上電纜,均采用三相單獨敷設測溫光纖,采用射線方式敷設,減少迂回、S型敷設。優(yōu)化測溫主機的安裝位置,并加強端口準入管理。

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

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

4.2 針對測溫主機的措施及建議

1)明確要求測溫光纖主機功能。主機應標配短信報警模塊,常用端口數(shù)量不少于8口,并做好通信費用不少于3年等維護工作,定時測試短信功能是否正常。

2)完善測溫主機位置選址。優(yōu)化分布式測溫系統(tǒng)主機(子站)屏柜位置選址,禁止在隧道內(nèi)、夾層內(nèi)等環(huán)境惡劣場所安裝測溫主機(子站),在變電站規(guī)劃設計中增加安放位置預設。

3)加強測溫主機設備選型。選用通用性強、擴展性能高的主機,可依據(jù)運行使用經(jīng)驗分析總結(jié),逐步對落后、小眾測溫主機進行淘汰。

4)加強運維人員培訓工作。分布式光纖測溫主機新投驗收前,廠家需提供全套操作說明手冊,并對運維人員進行功能使用、系統(tǒng)調(diào)試培訓,特別注意在運維工作中關閉光源,嚴禁將光纜對準眼睛,防止激光灼傷眼睛。

5)深化精益化平臺運用。須加快推進現(xiàn)有測溫系統(tǒng)數(shù)據(jù)接入精益化平臺,新建測溫系統(tǒng)必須同步接入精益化平臺。精益化平臺測溫數(shù)據(jù)模塊須根據(jù)實際需要進行優(yōu)化,如增加數(shù)據(jù)對比分析功能,將儲存數(shù)據(jù)保留5年以上。

4.3 針對測溫系統(tǒng)試驗的措施及建議

1)完善光纖測溫系統(tǒng)自檢功能。定期對光纖測溫系統(tǒng)進行檢測:檢測光纖通道是否完好,測溫距離和相別是否準確,測量溫度是否精確,主機和系統(tǒng)端報警短信發(fā)送和數(shù)據(jù)傳輸是否準確可靠。

2)加強設備日常運維。需要定期巡視檢查測溫主機功能是否完好,數(shù)據(jù)傳輸是否正常,供電是否正常,短信功能是否正常,通信卡是否欠費等。

3)加強檢測新技術運用。現(xiàn)已研發(fā)出固定恒溫加熱檢測模塊,可以設定好測試時間、周期及溫度,該模塊能夠定時恒溫檢測光纖測溫系統(tǒng),能及時掌握光纖測溫系統(tǒng)的完整性、準確性、及時性及可靠性。

4.4 針對測溫系統(tǒng)預警的措施及建議

1)加強測溫系統(tǒng)報警監(jiān)控。依托專業(yè)機構(gòu)及人員24 h監(jiān)控,有條件的單位可對光纖預警信號實施24 h有人監(jiān)控。完善光纖短信報警功能,并覆蓋所有分布式測溫系統(tǒng)。在實際使用過程中,能及時發(fā)現(xiàn)隧道內(nèi)的溫度變化,通過平臺報警信號,查看具體長度位置,迅速進行定位,去現(xiàn)場實際復核情況,對事件的及時性及可靠性提供支持(見圖7)。

圖7 使用過程中的報警斷纖信號

2)優(yōu)化精益化平臺。對精益化平臺測溫數(shù)據(jù)模塊進行優(yōu)化,使其將數(shù)據(jù)進行整合,每條測溫數(shù)據(jù)用曲線展示。工作人員可以根據(jù)需要對展示周期進行調(diào)整。平臺可以直觀地把測溫曲線分不同時間或周期進行對比,可以分析不同通道、同一通道在不同位置、不同電壓等級、不同相別、不同擺放位置上的溫度差異,并結(jié)合負荷變化預判溫度變化趨勢,有效地分析溫度異常的原因,準確判斷導致溫度異常的原因是否屬于火災隱患,以及時有效地消除火災隱患。

3)制訂通道火災應急預案。針對所有通道制訂火災應急預案,一旦收到預警短信,立即進行研判,同時啟動火災應急預案,一旦核實且收到報警短信,立即實施火災應急預案,各部門各專業(yè)進行聯(lián)動,盡快消除火災隱患,把損失降到最低。

5 結(jié)語

本文分析重慶地區(qū)的分布式測溫光纖運用情況及運行中存在的問題,提出從光纖本體、測溫主機、系統(tǒng)準確性效驗、測溫系統(tǒng)預警等4個方面采取措施,解決現(xiàn)有分布式測溫光纖存在的主要問題,進一步提高測溫光纖在施工、運行、維護及檢修過程的規(guī)范性、可靠性、準確性,從而提高重慶地區(qū)分布式測溫光纖的覆蓋率、在線率、可靠性,更好地為輸電電纜安全可靠運行保駕護航,助力成渝雙城經(jīng)濟圈的建設。