重慶地區分布式測溫光纖應用情況分析

張 勇,曹泰山

(國網重慶市電力公司市區供電分公司,重慶 400020)

隨著城市的迅速發展和電力負荷的快速增長,輸電電纜的運行數量不斷增加,對電纜的安全可靠運行提出了更高的要求。國家電網公司在《國家電網有限公司十八項電網重大反事故措施》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)測,防止過負荷運行,多條并聯的電纜應分別進行測量。巡視過程中應檢測電纜附件、接地系統等關鍵接點的溫度?！薄秶译娋W有限公司110(66)千伏及以上電纜及通道運維管理規定》的附表6、附表7明確要求,一、二級電纜隧道及隧道內110(66) kV及以上高壓電纜,應安裝分布式光纖測溫系統,三級電纜隧道具備安裝條件或滿足特定環境需求應安裝分布式光纖測溫系統,三級電纜隧道內的110(66) kV及以上高壓電纜可選擇安裝分布式光纖測溫系統。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,一旦出現火災、故障等情況,撲救比較困難,且事故發生后的修復工作周期漫長,會造成嚴重的社會影響、經濟損失。利用探測手段可及時發現隱患及故障,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得到廣泛運用。在實際運用中,測溫光纖能實時監測電纜運行溫度及環境溫度,為電纜的運行方式及負荷監測提供支持。

1 分布式光纖測溫系統原理介紹

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

圖1 分布式光纖測溫系統組成

分布式光纖測溫系統是一種實時、快速、多點測溫和測量空間溫度場分布的傳感系統,也是一種分布式的、連續的、功能型光纖溫度測量系統。在系統中,光纖不僅是探測單元,同時也是傳輸單元。系統主要利用拉曼散射和光時域反射2種原理發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)激光器發出一束激光,通過耦合器調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:激光器發出的脈沖光信號在光纖中傳輸時,其在不同位置產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、數值孔徑高,包括我國在內的多數國家均將62.5/125 μm多模光纖用作局域網傳輸介質和室內配線。62.5/125 μm光纖幾乎成了數據通信光纖市場的主流產品。

2 重慶地區分布式測溫光纖規模及應用情況

重慶地區現有電纜隧道136條,共190.98 km,已經安裝光纖的電纜隧道有80條,共166.985 km,重慶地區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),全地區已經接入163條的測溫數據。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,從業者可據此設定不同季節不同負荷時段的溫度報警閾值,定期根據溫度變化情況設定預警值和報警值,以預防火災的發生。

2.1 分布式測溫光纖安裝情況

重慶地區安裝隧道測溫光纖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分布情況

重慶地區現有600套測溫系統主要分布在重慶主城區各供電單位。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主機廠家情況

重慶地區所轄電纜及通道內分布式測溫系統主機(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光纖廠家情況

重慶地區所轄電纜及通道內分布式測溫系統光纖(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)同一通道內存在62.5 μm和50 μm 2種光纖混用,不同規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。

5)光纖主機安放位置千差萬別,不統一,部分主機位于電纜夾層、蓄電池室、電纜通道內等環境較差的場所,惡劣環境極易導致主機運行異常,從而發生誤報或漏報。

6)測溫光纖主機廠家眾多,邏輯不統一,主機報警恢復、后期增設光纖接入調試對接廠家困難。測溫主機端口數量不能匹配光纖數量,有時需要2臺以上主機,增加設備及數據的維護工作。

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

圖5 系統常規試驗

8)雖然分布式光纖測溫系統能采集到溫度異常上升的數據,但多種原因導致測溫系統功能失效,沒有發出報警短信。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揮。

9)測溫光纖主機對環境溫度要求較高,超過一定的溫度范圍會導致恒溫箱不穩定,測溫數據不精準。

10)測溫光纖經過熔纖后,光信號經過熔纖點處后會出現明顯的衰減,測量的溫度會發生一定程度的波動。當同一根測溫光纖出現多個(一般大于3個)熔纖點時,對測得的溫度數據(尤其是熔纖點后端的數據)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(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技術規范》(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?？删幹菩碌墓饫w采購技術規范,明確光纖敷設方式,從源頭上進行規范化。

2)建議由公司統一光纖型號。結合重慶地區實際情況,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)清理優化光纖主機位置及光纖走向。一、二級電纜通道內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建設。一、二級電纜隧道及隧道內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)優化系統測溫區段配置。細化電纜本體測溫光纖調試分區,將電纜起始端設置為0 m,按電纜段進行分區配置數據,電纜中間接頭設置為獨立分區,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。優化分布式測溫系統主機(子站)屏柜位置選址,禁止在隧道內、夾層內等環境惡劣場所安裝測溫主機(子站),在變電站規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,可依據運行使用經驗分析總結,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、系統調試培訓,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。須加快推進現有測溫系統數據接入精益化平臺,新建測溫系統必須同步接入精益化平臺。精益化平臺測溫數據模塊須根據實際需要進行優化,如增加數據對比分析功能,將儲存數據保留5年以上。

4.3 針對測溫系統試驗的措施及建議

1)完善光纖測溫系統自檢功能。定期對光纖測溫系統進行檢測: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,主機和系統端報警短信發送和數據傳輸是否準確可靠。

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,數據傳輸是否正常,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?，F已研發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,能及時掌握光纖測溫系統的完整性、準確性、及時性及可靠性。

4.4 針對測溫系統預警的措施及建議

1)加強測溫系統報警監控。依托專業機構及人員24 h監控,有條件的單位可對光纖預警信號實施24 h有人監控。完善光纖短信報警功能,并覆蓋所有分布式測溫系統。在實際使用過程中,能及時發現隧道內的溫度變化,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)優化精益化平臺。對精益化平臺測溫數據模塊進行優化,使其將數據進行整合,每條測溫數據用曲線展示。工作人員可以根據需要對展示周期進行調整。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,各部門各專業進行聯動,盡快消除火災隱患,把損失降到最低。

5 結語

本文分析重慶地區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、系統準確性效驗、測溫系統預警等4個方面采取措施,解決現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范性、可靠性、準確性,從而提高重慶地區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,助力成渝雙城經濟圈的建設。