分布式光纤测温技术在电缆测温中的应运

分布式光纤测温技术在电缆测温中的应运

菅晓清张岩吴尚恒

（内蒙古电力勘测设计院内蒙古•呼和浩特010020）

摘要:文章中介绍了分布式光纤测温技术在电缆测温中的应运，解决了较大规模电缆隧道中电缆的测温问题。同时对电缆隧道中电缆测温和隧道测温的不同方案进行了探讨，列出了解决问题的办法，提出了方案的优缺点。

关键词:线性分布式光纤测温技术

引言

随着城市建设脚步的加快，电力建设也在迅速发展。但随之引起的电力走廊用地问题以及环境、安全等问题都比较突出。为了缓解上述矛盾，近二年内蒙呼市地区陆续审批开工建设了多项电力电缆隧道工程。

由于电缆隧道位于地表下方，隧道中电缆状态及隧道环境温度等的监测问题很重要。根据相关规程[1~2]要求对隧道中的电缆设置线型感温火灾探测器。过去在传统的变电站及送电工程中，电缆路径一般为电缆沟或较短的电缆隧道，电缆及隧道温度的监测采用火灾报警系统中的感温电缆监测。但随着供电线路的加长回路的增多，感温电缆监测的方案已无法满足需求。更重要是如电缆隧道较长，在火灾发生的情况下，传统的火灾报警控制系统和隧道中控的风机联锁控制很难实现。

基于以上问题设计院经过多方调研咨询，在“呼和浩特东二环架空线路入地改造工程”和“东乌线破口接入呼东北郊变220kV电缆线路”工程同时首次采用“线性分布式光纤测温技术”的方案，对电缆表面温度及隧道内温度进行在线监测。

名词解释：

线性分布式光纤测温技术：一般采用DTS分布式光纤测温技术，对被测物体表面温度进行实时监测，主要基于拉曼散射原理。激光器发出光脉冲与光纤分子相互作用发生散射，拉曼散射与被测物体分子中的热震动有关系，所以可以用来测量物体表面的温度。在测温光纤中根据散射信息，结合脉冲光源以及信号的采集和处理得到不同测量点的温度。用在电缆测温中，可以得到电缆沿线及接头部位的实时温度。

概述：

分布式光纤测温监测电缆温度的优点：

1）可以解决较长电缆线路电缆表面温度的测量问题；2）光纤测温灵敏度优于常规感温电缆；3）光纤测温实时性较好，预警性强。可有效避免电缆在过热状态下运行，保障电缆安全运行；4）光纤可在电缆接头部位缠绕，对接头部位温度可有效探测；5）光纤测温主机可以通过计算软件，对感温光纤进行单米报警设置，这样不仅增加了测温的灵敏度，而且对温度异常部位可进行定位，有利于早期发现电缆故障及隧道内温度过高或火灾部位。6）方便与上位机通讯实现温度与风机的联锁。7）由于光纤价格较感温电缆便宜，所以电缆回路越多线路越长价格优势越明显。

论述：

下面以“呼和浩特东二环架空线路入地改造工程”方案为例展开详细论述。

工程概况：该工程设置了“电缆测温”和“隧道测温”两台主机，分别对电缆表面温度（含电缆接头温度）和隧道内部温度及火灾情况进行实时监测。其中电缆测温主机8个监测通道，每通道的探测距离不小于8km；隧道测温主机4个监测通道，4通道总计探测距离10km，测温介质均采用分布式光纤。同时本工程根据生产的需要还设置了火灾报警主机和上级监控平台。电缆测温主机可以接入上述2套系统，完成监视通讯控制等功能。

测温系统：主要由测温主机和测温光纤构成，测温主机一般最大为8通道，每通道最长可接入8公里光纤。如果超过此要求需特制，且一定要有检测报告。该系统采用分布式光纤测温技术对电缆隧道中电缆表面温度及隧道内环境温度进行监测，电缆测温主机可以实时显示温度报警等。上述二项工程中电缆状态的监测由呼供局线路处的相关部门负责，所以在便于监测的“金川变电站“设有线路运行监控中心，在此设置了电缆隧道上位综合监控平台。电缆测温主机主机可以与上位综合监控系统通讯，满足上级运行生产人员的实时监视，通过上位监控系统设置PLC程序完成火灾情况下测温系统与隧道内风机的联锁。同时工程中还在电缆出线起点的变电站内设置了火灾报警系统，光纤测温系统可将报警输出接点接入火灾报警系统中，提示变电站内运行人员电缆隧道温度及火灾情况。如火灾报警主机协议开放，二者也可选用通讯的方式，接收报警数据。

一、光纤测温系统具有以下功能及特点：

1：能够连续测温，实时显示线路上的温度分布曲线、各点温度随时间变化曲线。各点温度随时间变化曲线和常规监控指标。正常显示为监控域全局状态视图，出现报警信号时可切换到报警画面及故障信号所在区域的分布图，并显示故障区域最高温度或其他相关报警指标。由于测温系统所带数据库基于CPU技术存储数据量大，所以测量数据可存储，可调用不同时段数据、在测量过程中可同步浏览。

由于测温介质采用光纤，其自身特点就是测量精度高•测量速度快，而且可精确的定位事故点。其实时监测一般不大于10s，温度分辨率0.1℃，空间分辨率可达到1米。

传统感温电缆配合火灾报警装置保存历史数据量弱于本系统，也无法实现各点温度随时间变化体现在曲线上；而且很难实现温度的分辨率及空间侧分辨率和事故点的定位。

2：报警功能：光纤测温系统可对被测区域进行划分、编程、设置温度报警值，可设置多级报警门槛值分级报警（如60℃、70℃、80℃）。且可在不同报警区域中设置不同报警类型：具备定温报警、差定温报警、温升速率报警、平均温度报警、系统故障报警、光纤断裂报警等。由于测温主机具备CPU的性质，所以具备自检报警功能，如光纤回路异常、测温主机异常等。同时还可显示测温、报警数据。并可提供符合工业标准的报警输出接点，向火灾报警联动系统提供数据；报警信息应实时存入数据库。

传统火灾报警的功能弱于以上功能，无法实现较多级的温度门槛；回路自检功能实现也比较困难。

3：可在电缆接头等部位绕行感温光纤，保证电缆接头处的测温灵敏度、准确度。

4：采用光纤作为传感器本征无源不需要供电、光信号传输无需另外布线。避免了在电缆隧道内部设置电源的问题。给工程的实施带来了很大方便，也节约了投资。

5：系统可实现调试、参数设计、图形界面显示、数据处理（保存/查询/导入等）、通信、网络、打印等功能。系统具有历史记录功能及打印功能，系统的操作界面友好，数字或图形界面，显示为中文语言。

6：软件系统可同时连接扩容的多台光纤测温主机，并实现上述所有功能。具有较强的扩展性。同时测温主机内置多种通信规约，便于与电缆综合上位监控系统通讯或与其它电缆监测功能集成。如和电缆载流量、护层电流、局放等的监测。这些功能如护层电流可与电缆测温共用测温主机，只是增加计算软件等，这样就方便了其它功能的集成。随着电力电缆隧道建设的增多，为了提高对供电线路预警，电缆状态的监测功能将会随之加强。所以电缆测温功能是基础，也是最主要和必须的。现在在电缆隧道建设的相关规程中也明确了电缆隧道电缆表面设置线型感温火灾探测器。

7：系统可预留与其它智能装置的接口,拥有与其它智能设备的通信的能力。机的操作；另一方面：在发生火灾时，停止风机运行，以免进一步加大火灾范围。同时以上俩方面可设置优先级，按照优先级要求设置起停相关联的风机。联动控制具备三种方案，具体选择可根据实际情况选择。第一种硬接点联动：测温主机配置火灾报警输出接点接入火灾报警主机，再通过联动模块与风机控制电源回路相连，通过接点闭合与否控制风机电源控制回路的通断，完成与风机的联锁。第二种自动方式：通过通讯软件联锁。测温主机与上位机通讯，当有火灾报警需停止风机时，通过PLC程序逻辑判断运算，由上位机输出命令至中继站监测装置（与隧道综合监系统成套配置），监测装置接到命令后输出控制接点，来进一步控制风机启动或者停止。可同时输出多个接点，控制多套风机电源控制回路。第三种远程控制：在集中控制软件平台上，进行远程控制，远程控制风机的运行与停止等操作。此方案结合了第二种方案，通过通讯程序逻辑启停，但可在上位机上远程控制风机。通讯流程见下图所示。

传统火灾报警及感温电缆与风机的联锁只能通过多线联动控制模块硬接点联锁，与上述第一方案相似。当电缆线路超过1.5公里，由于火灾报警系统总线长度的限制，总线长度小于等于1500米；且感温电缆一般要求每200米配合接入一个中继模块，传统感温电缆与火灾报警系统配合测量的灵敏度和准确度都无法满足。而且在电缆隧道长孔数多的情况下，风机数量会增加且会安装在不同位置，这样传统的硬接点控制会造成在隧道中敷设大量控制电缆，一个是远距离传输精度的问题，另一个是隧道中辐射控制电缆的难度系数很大，更重要的是安全系数差。

三、造价

相比传统感温电缆光纤的价格更便宜，测温主机较贵。但是在测温回路增多，测温距离加长情况下，价格优势越来越明显（一般光纤每米单价1元左右，感温电缆每米单价3.5元左右）。且测温光纤外部采用阻燃底卤无烟抗腐蚀材料，光纤又具有很好的热传导特性。材料柔软便于与电缆紧密贴合。同时光缆不带有金属结构，其绝缘性能和抗电磁干扰性能都更适合在电缆隧道中的高压电缆监测。

四、展望

目前电缆隧道的监控还属于初级阶段，不太成熟。隧道监测按功能划分为：电缆状态检测系统、隧道环境检测系统、隧道安防检测系统。电缆状态又包含电缆测温、载流量监测、护层电流监测、局放监测。根据隧道的电压等级和重要性或不同侧重点选择设置其监测功能。内蒙地区基于电缆隧道建设发展速度以及投资等，在循序渐进的选择某些功能。但按其重要性、经济型、及消防等相关要求等，电缆测温功能首先被选择，在本年度后续审核的几项工程中都保留了该功能。随着电缆隧道工程的增多，电缆状态的监测会不断完善，也会给输电线路监视检修维护带来很多方便，将会越来越显示其重要性。电缆的分布式光纤测温作为电缆电缆状态监测最主要的组成部分将会被逐渐大规模采用，也会给电力线路的正常运行、检修及生产运行人员的监控带来很大便利。

参考文献

[1]电力电缆隧道设计规程DL/T5484-2013.

[2]火灾自动报警系统设计规范GB50116-2013.

作者简介

菅晓清,内蒙古电力勘测设计院电气高级工程师。

张岩,内蒙古电力勘测设计院设计总工程师。

吴尚恒,内蒙古超高压供电局电气工程师。