分布式光纤测温系统应用的可行性

2011-10-11潘向荣李志新赵志强

黑龙江电力 2011年3期

潘向荣，李志新，赵志强

(牡丹江水力发电总厂，黑龙江牡丹江157000)

0 引言

目前，中国电力系统现有的监测电力设备运行温度的设备从工作原理上分为电信号传感器和光信号传感器。电信号传感器主要有传统的热电阻、热电偶、各种半导体传感器等类型;光信号传感器主要有拉曼散射原理传感器和光纤光栅原理传感器。因为电力工业设备大多数处于强电磁场中，很多情况下要测量的地方处于高压环境中(如高压开关的在线监测，高压变压器绕组、发电机定子等点位的温度和位移等参数的实时测量)，所以，测量这些点位需要的传感器要求具有体积小、绝缘性能好，而且是无源器件。黑龙江省电力系统大多数都利用红外测温仪、红外成像仪、感温电缆、传统的点式测温系统进行监测，除了对上述的一些部位无法监测外，对开关柜内的断路器、刀闸联接点、触头测温、全封闭金属铠装柜等更是无能为力。光纤光栅传感技术主要应用于电力行业开关柜的监测中。对此，为了能实现监测不同工作场合电力设备的运行温度，本文提出可采用分布式光纤测温系统。

1 分布式光纤测温系统(DIS)技术原理

光纤测温的机理是依据拉曼(Raman)散射效应，激光脉冲与光纤分子相互作用发生散射来测温的。散射有多种，如瑞利(Rayleigh)散射、布里渊(Brillouin)散射和拉曼(Raman)散射等，其中拉曼散射是光纤分子热振动产生1个比光源波长长的光(称斯托克斯:Stokes)和1个比光源波长短的光(称为反斯托克斯:Anti－Stokes)。光纤受外部温度的调制使光纤中的反斯托克斯光强发生变化，即Anti－Stokes与Stokes比值提供了温度的绝对指示，利用这个原理可以实现对沿光纤温度场的分布式测量。分布式光纤测温系统(DIS)技术原理如图1所示。

图1 分布式光纤测温系统(DIS)技术原理图

结合高品质的脉冲光源、高速的信号采集与处理技术就可以得到沿着光纤所有点的准确温度值。

1．1 电流采集方式

电流采集采用站内自动化读取方式，只需了解电力行业通信协议格式即可获取待测回路的负荷数据。CSM主站工控机按照标准的电力行业通信协议(如CDT规约)读取待测回路的原始数据，如图2所示。

图2 电流采集读取待测回路的原始数据系统图

1．2 动态载流量技术

载流量指某个特定环境中电缆在不超过电缆允许的最高工作温度的条件下、在给定的持续时间内能通过的最大电流。界定载流量算法模型类型的概念有边界、结构和状态，其中模型的边界决定了模型适用的时间尺度。

为电缆及其环境建立时变的传热数学模型，称为DCR模型。DCR模型可计算出在各种初始状态和持续时间条件下的载流量，还可以进行运行仿真(只要给定未来的负荷电流曲线，就可以预测未来包括电缆导体温度场的变化过程)。

在DTS出现以前，DCR计算主要用于暂态和周期性负荷计算。模型边界设置在远处环境时模型包括不确定的电缆环境参数，通常只能取最不利条件;边界设置在电缆内部、电缆表面或邻近处时模型参数基本确定，但边界条件又是未知的，需要做有风险的假设。DTS的应用首次为建立1个完全确定的(局部的、与环境无关的)DCR模型创造了条件。测温光缆布置在电缆的表面或护层内实时检测到电缆的表面温度或护层的温度，以此为边界，DCR模型内的结构参数仅涉及到电缆结构和受周边电缆的电气影响因素(电缆敷设完毕后就已经确定)，如图3所示。构建出电缆结构模型后，根据DTS测量出电缆表面温度及已知的运行载流量，就可以准确计算电缆缆芯温度及未来动态载流量，可实现电缆温度异常监控及负荷监控。

图3 动态载流量系统布置图

在动态载流量系统建立2个动态载流量模型，分别为DCR－I模型(或称内模)及DCR－II(或称外模)。边界在电缆护层或电缆表面的DCR模型称为DCR－I模型。由于模型参数和边界条件是确定的，DCR－I模型可以可靠地计算出边界内的温度场(包括导体温度)，因此，通过分析电缆总热量和该边界温度的响应关系，辨识该边界以外的附近环境散热参数和状态，就可以实现较长时间尺度的动态载流量计算或运行仿真。基于辩识的载流量模型称为DCR－II模型。

1．2．1 DCR －I动态载流量模型1

DCR－I的建模参数为电缆回路的结构，包括导体和各层的几何参数和物性、导体的实际截面积、材料的电阻、电阻温度系数、导体的集肤、邻近因子、绝缘材料的介电系数、介质损耗角、屏蔽损耗率。若测温光缆敷设在电缆表面，则建模时还应包括电缆表面到光缆的接触热阻和光缆本身的传导热阻。

DCR－I模型的输入变量为实时电流和实时测温光纤检测的电缆表面温度，其内部状态为电缆导体到边界的温度场。模型边界条件为一类边界，边界点的数值为DTS测温光缆的温度检测值。图4为DCR－I模型结构示意图。

图4 DCR－I模型结构示意图

1个完备的DCR－I模型应具备如下功能:

a．准确计算导体温度。

b．以任意时间间隔刷新均保持稳定。

c．在任意的初试状态下保持稳定。

d．可以适用于不同规格(截面和电压等级)的电缆。

e．可以适用于不同的光缆布置(电缆某护层或表面)。

1．2．2 DCR －II动态载流量模型2

DCR－II的输入为负荷电流和表面温度的历史曲线、由用户给定的未来电流曲线，输出为未来的负荷电流和表面温度曲线、未来载流量关于可持续时间的函数曲线。图5为DCR－II模型结构示意图。

DCR－II的环境辨识算法通常包括空气散热辨识子模型和热传导辨识子模型，空气散热辨识子模型适用于隧道电缆或其它室内空气中的电缆，热传导辨识子模型适用于排管和直埋电缆。DCR－II可以在无任何参数输入的情况下开始工作，自动识别电缆瓶颈点的环境类型、特性和状态，因此特别适合于复杂的环境。事实上，DCR－II的仿真和载流量的计算基于这样假设:电缆附近环境的边界温度在一段时间内不会变化。DCR－II的计算时间跨度通常设计不超过48 h，完成辨识所需要的历史数据最少为72 h。

图5 DCR－II模型结构示意图

2 电缆在线温度监测

选用1台4 000 m、4通道的Firelaser光纤测温主机对2个隧道内的电缆进行在线温度监测。每个通道监测隧道内的5根电缆，电缆在线温度监测系统方案如图6所示。各通道监测的具体情况如表1所示。

图6 电缆在线温度监测系统图

表1 各通道监测的具体情况

2．1 设备简介

测温光缆:使用扎带或者尼龙绳将测温光缆紧密固定于待测电缆回路表面，测温光缆本身既作为感温光缆，同时也作为信号传输光缆。

DTS测温主机:实时监测运行电缆的缆表温度，若电缆缆表温度达到报警设定值，则输出报警信息;同时，通过网络的形式把数据发送给CSM主机。

CSM主机:通常将CSM上位软件布置在该主机上，主要实现电缆载流量的动态计算与分析、异常点的扫描与判断、报警输出功能、多台DTS主机测温数据采集。

路由器:实现DTS主机与CSM主机之间的通信连接。

2．2 系统特点

a．可靠性高，对电缆全长度敷设测温光缆，不存在探测盲区。

b．传感器使用寿命长，可达30 a，即使在火灾发生后，测温光缆也能继续使用。

c．技术先进，可准确计算出电缆缆芯温度，温度计算误差不大于±2℃。

d．性能先进，反应迅速，测量距离远。

e．防雷击、抗高压、安全性高，适用于对安全等级要求较高的场所。

f．配置便捷，可实现多种参数在线设置，可对电缆结构及敷设环境进行独立建模。

g．界面显示多样化，可显示多种类型曲线、参数等，具有人性化的显示界面。

h．可扩展性强、事故后可恢复能力强。

i．内置多种规约，便于在大监控平台集成。

电缆在线温度监测系统是基于分布式光纤温度测量技术(DTS)与动态载流量技术(DCR)的电缆安全监测系统(简称CSM)，为电力资产实时监测和利用提供有效的解决方案。

系统核心功能如下:

a．线路电缆全长温度实时监测。b．温度尖峰异常点监测。c．电缆结构按需建模、电缆静态载流量计算。d．电缆缆芯温度计算、短时许用电流计算。e．未来短期载流量计算。f．电缆多层温度细节展现。g．电缆缆芯温度、缆表温度及线路载流量综合展现。h．无人值守功能。i．温度细节放大显示。j．多级报警转换机制。k．报警阀值在线设置功能。l．历史事件显示。m．多区域配置功能。