一种基于分布式光纤光栅传感器的电缆温度监测系统

／许继电气股份有限公司 王龙阁 郭宏燕 陈磊 龚东武 王志成／

一种基于分布式光纤光栅传感器的电缆温度监测系统

／许继电气股份有限公司 王龙阁 郭宏燕 陈磊 龚东武 王志成／

本文介绍了一种基于分布式光纤光栅传感器的电缆温度监测系统，该系统使用光纤光栅传温度感器获得电缆测点的温度数据，之后传感器将数据传送至主机。主机对这些温度数据进行分析对比，初步判断当前电缆温度是否正常，并将电缆的温度数据通过IEC 61850规约上传至状态接入控制器（CAC）。最终将数据被送至PMS生产管理系统。实际使用情况表明，该系统测量准确，运行稳定可靠。

电缆；温度监测；光纤光栅； 传感器

0 引言

随着我国电力行业的发展，电力电缆的应用范围逐渐增大，地下电缆通道内电缆线路和电力设备数量也随之增多，通道结构日趋复杂，地下电缆的检测与维护越来越困难。电力电缆的隐患与故障多发生在电缆接头处，包括中间接头和终端接头。由于电缆接头处工艺水平不够、连接不牢固等原因导致该接头处接触电阻过大，在电缆线路中电流的作用下会引起接头氧化发热，致使连接处温度明显升高，严重的会导致电缆绝缘破坏、泄露电流增大，甚至引起火灾。而连接处以外的电缆电阻较为均匀，一般不易发生故障。因此，对电缆温度进行实时监测是非常必要的。

目前，常用的温度传感器有：热敏电阻、热电偶、温控晶闸管、集成电路测温元件和红外传感器等。其中，红外传感器具有非接触测量的优点，且自身的安全性较好，但是抗干扰能力比较差，并且对环境要求高；热敏电阻和热电偶传感器对传输距离有所限制[1]。并且常规的的温度传感器只能测得一个测量点的温度。为获得更多点的温度数据，就需要布置更多的传感器。然而即使放置再多的传感器，所获得的数据点仍然具有较大的离散性。同时由于电缆外皮是不良导热体，因此无法保证每个传感器都能快速感知任意位置的电缆温升[2]。

1 分布式光纤光栅温度传感器

分布式光纤光栅温度传感器克服了上述温度传感器的缺点，具有测量快速准确、不受距离限制、无连接损耗，且能够适应电缆的弯曲等优点。通过在光纤中串接多个光栅，即能实现分布式测量，非常适合电缆温度的在线监测。分布式光纤光栅温度传感器与传统温度感应器相比，主要体现为测量原理上的不同，传统的温度感应器以机电测量为基础，而光纤光栅温度传感器采用光学测量，不受电磁干扰且不产生电磁干扰、测量结果更加稳定、可靠性高、体积小重量轻、灵敏度高、绝缘性能好，特别适用于易燃易爆、强电磁场等恶劣环境[3]。

光纤温度传感器的原理如图1所示，光纤温度传感器由光源、光纤、感温原件和光电探测器组成。光源发出的光通过入射光纤传导至感温元件，感温元件将探测到的温度信号以光波参数的形式（振幅、相位、波长、光强、偏振态等）传导给出射光纤，再由出射光纤发送至光电探测器，光电探测器将光信号转换成电信号[4]。

图1 光纤温度传感器原理图

经过光电探测器转换后的电信号，经过A/D转换、编码，以无线方式发送给主机进行处理，如图2所示。

图2 信号处理原理图

2 系统

基于分布式光纤光栅测温的电缆监测系统如图3所示。图中，使用光纤温度传感器获得电缆各测点的温度数据，之后传感器通过无线网络，将所测数据传送至变电站内主机。主机对这些温度数据进行分析对比，初步判断当前电缆运行状况并将判断结果在站内展示，同时将电缆的温度数据通过IEC 61850规约上传至状态接入控制器（CAC）。状态接入控制器负责接入变电站内所有一次设备的在线监测数据，并将监测数据通过基于WebService的I2接口传送至主站端（CAG）。主站端接收CAC发送的数据后，将数据转送至PMS生产管理系统。

图3 基于分布式光纤光栅测温的电缆监测系统图

2.1 主机

主机功能主要为：接收传感器传送的数据、初步判断电缆温度状况、规约转换、数据上传CAC等功能。

主机通过无线网络接收传感器发送的电缆测点的温度数据，根据该温度数据初步判断电缆的温度状况是否正常、是否存在隐患，并在站内展示判断结果，以供站内工作人员及时发现问题。主机具备规约转换功能，通过IEC 61850规约将数据传送至状态接入控制器（CAC），如图4所示。

图4 主机功能结构图

2.2 CAC

CAC部署在变电站内，主要功能为：接入站内在线监测数据、数据处理、数据上传至CAG、支持CAG控制等功能。CAC接收IEC61850规约的站内监测数据，并通过I2接口（基于WebService）与主站端CAG进行数据交互：转发采集的站内监测数据，并接收CAG下发的控制命令，将控制命令转发给相应的监测装置，在状态监测系统中发挥着承上启下的枢纽作用[5]。

WebService是一种跨编程语言和跨操作系统平台的远程调用技术。不同功能或不同在线监测厂商提供的监测系统，都可通过标准的服务封装集成在面向服务的统一框架中，由服务注册中心统一管理，向外发布服务，从而能方便地被服务请求者调用，实现网省级在线监测数据的共享和流程的集成[6-7]。

CAC周期的向CAG上送监测装置（包括主机）的心跳信息和历史数据文件信息，并接收CAG向CAC发送的控制命令。

2.3 CAG

主站端负责接收CAC发送的数据，并将数据转送至PMS生产管理系统，便于管理及数据的深加工使用。在有需要时，也向CAC发送控制命令。

3 使用情况

图5为某变电站35 kV高压室电缆沟内，电缆正常状态和隐患状态温度对比。横坐标代表位置，即沿电缆的不同测点，纵坐标代表温度。

图5 电缆正常状态和隐患状态温度对比图

从图中可以看出，正常状态下，电缆各测点的温度，在某一平均温度处上下波动，各点的温度虽然有差别，但并没有偏离该平均值。隐患状态下，电缆的前3个测点处温度偏高，后5个测点温度偏低，且两处温度相差较大；和正常状态电缆温度相比较，后5个测点温度与正常状态的电缆温度相差不大，前3个测点温度与正常状态的电缆温度相差较大，说明温度偏高的这段电缆处于隐患状态。

因此，在温度对比图中，通过多点之间的温度对比，可以方便地判断电缆是否处在异常运行状态及异常测点的位置。另外，虽然由于外界环境温度和负荷状况等原因，不同时间测得的电缆同一测点的温度是不相同的，但从总体上来说，测得的结果与电缆的实际温度是一致的，即总体温度较高时各测点温度均较高，总体温度较低时各测点温度均较低。

4 结束语

本文介绍的电缆温度监测系统是基于分布式光纤光栅传感器，该传感器主要由光源、光纤、感温原件、和光电探测器四部分组成组成。具有不受电磁干扰且不产生电磁干扰、测量结果稳定、可靠性高、体积小重量轻、灵敏度高、绝缘性能好等优点。能将测得的电缆温度数据通过无线网络发送至主机，再由主机发送至CAC，最终将温度数据传送至PMS生产管理系统。实际使用情况表明，该系统测量准确，运行稳定可靠，为“大运行”、“大检修”体系建设奠定了良好基础。

参考文献：

[1]肖少非.光纤测温系统在高压电缆测温中的应用[J].江苏电机工程,

2009（7）:51-52.

[2] 赵强. 基于物联网技术的电力设备状态检修[D].北京：华北电力大学， 2011.

[3]曾凡超，等. 光纤光栅测温在变压器油温监测中的应用[J].电工技术，2009（7）:12-13

[4]张熙岳. 基于新型光纤温度传感器的电缆温度监测系统研究[D]. 南京：南京理工大学，2011.

[5]王龙阁. 一种状态接入控制器的实现与应用[J]. 电气技术，2015（2）：88-91.

[6] 国家电网公司. Q/GDW 740-2012 输变电设备在线监测系统变电设备在线监测I2接口网络通信规范[S].

[7]郭宏燕. 基于WebService的状态监测系统I2接口研究与实现[J]. 电器与能效管理技术，2016（3）：58-62.