電纜分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的應(yīng)用

0引言

電纜是城市配電網(wǎng)電能傳輸?shù)年P(guān)鍵，其高效可靠運(yùn)行對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性至關(guān)重要。電纜數(shù)量多且地下分布廣泛，故障排除和修復(fù)難度大，運(yùn)維管理繁重。為提升運(yùn)行環(huán)境、供電可靠性和運(yùn)維效率，需對(duì)電纜運(yùn)行狀況實(shí)施有效監(jiān)控，開(kāi)展高效故障預(yù)警與定位，以提升電纜運(yùn)行效率。

電纜纜芯溫度是評(píng)估電纜線路運(yùn)行的關(guān)鍵指標(biāo)。目前，主要依賴測(cè)溫傳感器測(cè)量電纜外護(hù)套或緩沖層溫度，并通過(guò)計(jì)算估算纜芯溫度。計(jì)算方法包括IEC60287標(biāo)準(zhǔn)和有限元分析技術(shù)。但參數(shù)選擇、電纜敷設(shè)條件及環(huán)境變化等可能影響熱傳遞模型，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏差。

由于電力電纜系統(tǒng)纜芯溫度難測(cè)，故障定位復(fù)雜。本文提出基于分布式光纖測(cè)溫技術(shù)的解決方案，通過(guò)嵌入測(cè)溫光纖實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)纜芯溫度。分析不同位置溫度分布，識(shí)別接近預(yù)警閾值的區(qū)段，實(shí)現(xiàn)早期預(yù)警和精確定位，提升電纜運(yùn)行可靠性。

1分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)原理

分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)，通常稱為內(nèi)置光纖測(cè)溫系統(tǒng)，是一種能夠?qū)崟r(shí)、在線、連續(xù)監(jiān)測(cè)溫度的先進(jìn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)融合了后向拉曼散射原理和光時(shí)域反射技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了光信號(hào)的生成、光譜分析、光電轉(zhuǎn)換、信號(hào)放大及處理等多項(xiàng)功能。它采用特制的感溫光纜作為溫度感應(yīng)器，能夠精確地測(cè)量并定位沿光纜鋪設(shè)路徑上各點(diǎn)的溫度，包括溫度異常點(diǎn)。該系統(tǒng)以其卓越的性能指標(biāo)和穩(wěn)定性而著稱。

集計(jì)算機(jī)技術(shù)、光纖通信、光纖傳感和光電控制等尖端技術(shù)于一身，分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)不僅具有本質(zhì)安全特性，還具備耐腐蝕性和抗電磁干擾能力。它能夠?qū)﹂L(zhǎng)距離和大范圍的環(huán)境溫度進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，為電力、石油、交通、煤礦等行業(yè)提供了高效的溫度監(jiān)測(cè)解決方案。

2分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)主要由光泵浦模塊、光路模塊、傳感光纖模塊、光信息接收器、數(shù)據(jù)處理器以及溫度控制系統(tǒng)等部分構(gòu)成，其硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖 1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

1）系統(tǒng)光源

本系統(tǒng)采用半導(dǎo)體激光器作為光源，其核心參數(shù)包括中心波長(zhǎng)為841nm，峰值電流為4A，以及峰值功率達(dá)到1488mW。

2）系統(tǒng)光路設(shè)計(jì)

光路系統(tǒng)是硬件系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分之一，它負(fù)責(zé)激光器泵浦激光在系統(tǒng)內(nèi)的傳輸路徑以及拉曼散射光的傳播路徑。分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的光路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖 2 系統(tǒng)光路連接圖

在獲取電壓信號(hào)之后，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，并將其傳輸至計(jì)算機(jī)。在計(jì)算機(jī)軟件的精確控制下，對(duì)拉曼散射的兩種光信號(hào)電平值進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換處理。經(jīng)過(guò)計(jì)算和標(biāo)定，最終得到精確的溫度讀數(shù)。

3）數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與處理環(huán)節(jié)，主要由光電轉(zhuǎn)換電路和信號(hào)采集處理兩個(gè)部分構(gòu)成。在光電轉(zhuǎn)換部分，核心組件包括光電敏感材料和運(yùn)算放大器。設(shè)計(jì)的光電轉(zhuǎn)換電路原理圖詳見(jiàn)圖3。

圖 4 光路轉(zhuǎn)換電路圖

模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD采用雪崩光電探測(cè)器和高精度運(yùn)算放大器，具備高響應(yīng)度、速度、帶寬、可靠性和穩(wěn)定性，滿足系統(tǒng)信號(hào)轉(zhuǎn)換需求。該芯片為精密雙運(yùn)算放大器，低失調(diào)電壓。拉曼散射光通過(guò)光電轉(zhuǎn)換，A/D探測(cè)信號(hào)光強(qiáng)驅(qū)動(dòng)電流信號(hào)，芯片作為恒流源驅(qū)動(dòng)放大電路。通過(guò)外接電阻將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)兩級(jí)放大處理，光強(qiáng)完全轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。

4）網(wǎng)絡(luò)接口電路設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)接口作為分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)與上位機(jī)計(jì)算機(jī)軟件的重要數(shù)據(jù)傳輸通道，意義較為重大。

2.2軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文采用Windows XP系統(tǒng)軟件平臺(tái)，基于Web框架構(gòu)建的系統(tǒng)平臺(tái)軟件，具備內(nèi)嵌的智能分析模塊和基礎(chǔ)功能模塊，包括系統(tǒng)總界面模塊、溫度和電流數(shù)據(jù)采集模塊等。

1）系統(tǒng)總界面設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主界面集成了多項(xiàng)功能，包括數(shù)據(jù)分析、歷史數(shù)據(jù)分析、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)展示、關(guān)鍵參數(shù)高亮顯示以及故障預(yù)警提示。這些功能為電纜運(yùn)維人員提供了關(guān)鍵參數(shù)的顯著展示，并確保敏感的異常數(shù)據(jù)能夠及時(shí)彈出警告。

2）數(shù)據(jù)采集模塊

采集的溫度和電流參數(shù)實(shí)時(shí)地以曲線形式展示在系統(tǒng)界面上。系統(tǒng)還提供了歷史數(shù)據(jù)回顧功能，便于進(jìn)行分析和總結(jié)，同時(shí)實(shí)時(shí)曲線能夠?qū)﹄娎|接頭等關(guān)鍵敏感位置進(jìn)行有效標(biāo)記。

3應(yīng)用場(chǎng)景

3.1系統(tǒng)應(yīng)用

分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)電纜過(guò)載、導(dǎo)體高溫以及溫度異常突變可能造成的風(fēng)險(xiǎn)隱患，并自動(dòng)產(chǎn)生日常巡檢報(bào)告。系統(tǒng)能夠精確識(shí)別單相短路、相間短路以及外力造成的破壞性故障，并具備故障定位、導(dǎo)航以及提供搶修方案指引的功能。運(yùn)維人員可以利用手機(jī)APP隨時(shí)查看電纜的運(yùn)行狀況、安排和跟蹤運(yùn)維搶修工作的進(jìn)度。物聯(lián)網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 物聯(lián)網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

3.2故障定位及預(yù)警應(yīng)用

分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)已現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，可精確定位和導(dǎo)航電纜故障點(diǎn)，迅速識(shí)別具體位置。故障時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)確定故障點(diǎn)，通過(guò)手機(jī)APP導(dǎo)航信息給指定人員，減少人力物力投入。提升維修效率，縮短恢復(fù)供電時(shí)間。電纜線路運(yùn)行以經(jīng)緯度標(biāo)注在電子地圖，記錄敷設(shè)環(huán)境。系統(tǒng)監(jiān)測(cè)導(dǎo)體內(nèi)部溫度突變，提前發(fā)現(xiàn)潛在風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，鎖定隱患位置，制定巡視和跟蹤計(jì)劃，預(yù)防故障發(fā)生。

4 安科瑞分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)

4.1分布式光纖測(cè)溫原理

激光器發(fā)射出高功率的光脈沖。當(dāng)這些光脈沖在光纖中傳播時(shí)，會(huì)發(fā)生散射現(xiàn)象。其中，帶溫度信息的拉曼散射光會(huì)返回到光路耦合器。光路耦合器不僅能夠?qū)⒐饷}沖直接耦合到傳感光纖，還能將這些散射回來(lái)的、波長(zhǎng)不同于發(fā)射波長(zhǎng)的拉曼散射光耦合至分光器。分光器由兩個(gè)不同中心波長(zhǎng)的光濾波器構(gòu)成，用于分離斯托克斯光和反斯托克斯光光信號(hào)。這兩路光信號(hào)隨后被接收機(jī)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換和放大處理，再由數(shù)據(jù)采集單元進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采樣并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。最終，通過(guò)進(jìn)一步的信號(hào)處理，這些數(shù)據(jù)被用于計(jì)算溫度。

4.2應(yīng)用場(chǎng)景

4.3 分布式光纖測(cè)溫應(yīng)用示意圖

1）電力電纜測(cè)溫

配電母線槽測(cè)溫

管道泄露倉(cāng)儲(chǔ)溫度監(jiān)測(cè)

4.4分布式光纖測(cè)溫主機(jī)裝置技術(shù)指標(biāo)

4.5分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的功能

報(bào)警功能：包括定溫報(bào)警、區(qū)域溫差報(bào)警、溫升過(guò)快報(bào)警、斷纖報(bào)警以及裝置異常等多種報(bào)警機(jī)制。

可視化大屏顯示功能：可展示全程分區(qū)圖、溫度分布曲線，并實(shí)時(shí)顯示重點(diǎn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度隨時(shí)間變化曲線。

查詢功能：可查詢和顯示歷史數(shù)據(jù)；用戶可以直接在系統(tǒng)圖上查詢?cè)O(shè)備信息、運(yùn)行參數(shù)、統(tǒng)計(jì)信息等。

分析功能：提供歷史趨勢(shì)顯示，并對(duì)未來(lái)趨勢(shì)進(jìn)行評(píng)估，為檢修提供參考信息。

4.6分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

實(shí)時(shí)監(jiān)控：本系統(tǒng)對(duì)指定區(qū)域的溫度實(shí)施全天候（7×24小時(shí)）實(shí)時(shí)監(jiān)控，可迅速識(shí)別并精確定位任何溫度異常，確保早期預(yù)警。

分布式監(jiān)測(cè)：采用分布式測(cè)溫技術(shù)，系統(tǒng)能夠提供連續(xù)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)信號(hào)，實(shí)時(shí)捕捉被監(jiān)測(cè)物體上每隔1米（或5厘米）各點(diǎn)的溫度變化。

技術(shù)先進(jìn)：光纖既作為信號(hào)傳輸介質(zhì)，也用于溫度檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了通信與傳感的融合。通過(guò)選用不同的外護(hù)套材料，系統(tǒng)能夠適應(yīng)各種環(huán)境條件。

測(cè)量精準(zhǔn)：系統(tǒng)具備高精度測(cè)溫能力，精度可達(dá)±0.05℃，同時(shí)定位精度可達(dá)0.05米。

操作靈活：系統(tǒng)功能的設(shè)定通過(guò)主機(jī)上的應(yīng)用軟件完成，支持設(shè)置多級(jí)溫度報(bào)警閾值，并可根據(jù)不同環(huán)境進(jìn)行調(diào)整。每個(gè)報(bào)警區(qū)域均可獨(dú)立編程，并可根據(jù)用戶需求定制。

擴(kuò)展性強(qiáng)：系統(tǒng)支持對(duì)多路光纖同時(shí)進(jìn)行測(cè)量，用戶可根據(jù)實(shí)際需求選擇不同路數(shù)的設(shè)備，包括4路、8路、12路和16路等配置。

兼容性佳：系統(tǒng)兼容以太網(wǎng)口和RS485接口，能夠向終端用戶提供分區(qū)、溫度及報(bào)警信息。

耐用性長(zhǎng)：在不受外力破壞的情況下，鎧裝感溫電纜的使用壽命可長(zhǎng)達(dá)25年。

操作簡(jiǎn)便：可提供直觀、簡(jiǎn)潔明了的可視化顯示界面，不會(huì)給用戶帶來(lái)額外的管理成本。

本質(zhì)安全：系統(tǒng)具備本質(zhì)安全特性，包括防爆、抗強(qiáng)電磁干擾、防雷擊等。

4.7分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)應(yīng)用示例

5.結(jié)語(yǔ)

分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)包含了分布式光纖測(cè)溫主機(jī)和智能運(yùn)維管理平臺(tái)，系統(tǒng)平臺(tái)基于分布式光纖測(cè)溫技術(shù)實(shí)現(xiàn)電纜線路的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障預(yù)警及定位。在線路故障時(shí)能快速生成故障點(diǎn)位置信息發(fā)送給運(yùn)維人員，在線路正常運(yùn)行時(shí)能實(shí)時(shí)分析運(yùn)行狀態(tài)，提前感知隱患點(diǎn)，從而整體提高電纜線路運(yùn)行的可靠性。

參考文獻(xiàn)

【1】胡冉，厲冰，葉文忠.基于分布式光纖測(cè)溫的智能電纜測(cè)控系統(tǒng)

【2】安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)應(yīng)用手冊(cè).2020.06版.