基于分布式光纤温度传感器的风电场复合缆在线检测系统

淮南联合大学 洪 滨，吕庆洲

1 引言

与一些发达国家相比，我国电网的电缆平均故障率偏高，尤其是恶劣条件下的风电场。一般来说，电缆线路由于长期过载而使绝缘劣化，特别是外部环境恶劣及内部过电流的条件下，引发端头或中间头局部出现高温，使得电缆端头或中间头处常常发生短路现象，极易引起火灾甚至爆炸事故。而光纤传感技术的发展为电力电缆动态监测与安全防护提供了简单有效的解决方案。

基于拉曼分布式光纤温度传感器适用于大跨度、长距离、环境复杂的传感环境，具有事件检测灵敏度高、响应速度快等特点，而且可以实时对有威胁事件进行定位，十分适合长距电缆的安全防护。利用复合光电缆中光纤作为传感单元，结合先进的分布式光纤传感技术，可以在不重新施工的情况下完成对风电场电缆的安全防护，这对于在实际工程中确保各种风电场能量传输电缆的安全有重要意义。

2 具有温度在线检测光电复合缆的结构

国家发改委提出：2020年风电的总装机为2000万kW，代表性品种为“1.8/3kV及以下风力发电用耐扭曲软电缆”。这种电缆一般采用乙丙橡胶或硅橡胶绝缘（也有用EVM），氯磺化聚乙烯或氯丁橡胶或聚氨酯弹性体为护套。

2.1 风力发电专用电缆

风力发电用电缆特点是：耐扭转、耐低温、耐日光、耐油、耐盐雾（五耐电缆），如图1所示。根据设备和环境的不同，可分为以下几类：

（1） 塔内耐扭电缆，包括①耐扭动力电缆：亦称“风机主缆”，用于传输电能，主要是用在发电机与变频器或变压器之间，或用于机舱与塔底变频变流柜连接；其中，2MW以下的风机主要是用0.6/1kV及以下的软电缆；②耐扭电源线：亦称“风机辅缆”，它为照明等供电用耐扭电线，300/500V、450/750V的装备用耐扭电线；③耐扭控制电缆：类似于GB9330中的控制电缆(弹性体或橡皮材料，软结构)；④耐扭通信类电缆：通信电缆，光缆等。

（2） 塔内非耐扭部分电缆，包括①普通电缆（固定敷设）；②母线排。

（3） 塔外电缆部分，包括①一般低压电线电缆（固定敷设）（2MW以下）；②中压（10kV、35kV）电缆（固定敷设）（3MW以上）；③柔性直流电力电缆（并网电缆）。

图1 风力发电专用电缆

风力发电机发出的全部电功率都是通过变频器变成工频上网的，如图2所示。显然，作为风电场实现能量传输的专用电缆，它与电力系统普通电缆相比，要求具备低传输阻抗、低绝缘损耗、高抗电磁干扰性、高电磁耦合平衡性与环保性能于一身。为实现上述目标，研究人员通过对风力发电系统的研究，从结构、工艺和试验方式上开始设计大功率风力发电机系统用输电光电缆。

图2 风力发电直接接线系统

本文研究的“风电场光电复合电缆产品”属于塔外10kV中压电缆，为了满足风场要求，宜符合以下技术要求：

• 电缆的设计使用寿命为20年；

• 电缆使用的环境温度为-40～+50℃；

• 导体长期的最高工作温度为90℃，瞬时短路电流引起最高短路温度不超过250℃；

• 电缆的最小弯曲半径为电缆直径的6倍；

• 电缆能够经受IEC 60332-1-2单根垂直燃烧试验和IEC 60332-3 C类成束燃烧试验要求；

• 电缆燃烧时释出气体的测定能符合IEC 60754～IEC 60754-2的要求；

• 电缆必须具有耐油性能；

• 电缆必须具有耐紫外线辐射性能；

• 电缆外护套能够经受IEC 60811-1-4试验方法规定的-40℃、16h的低温性能试验要求；

• 电缆必须经受常温下扭转试验：在室温环境下，将l0m长的电缆悬挂在可旋转的转轮上，电缆下部固定，转轮先顺时针扭l440°，再逆时针扭转相同角度，使电缆恢复到原始状态，此后逆时针扭转l440°再顺时针扭转相同角度使电缆恢复到初始状态，此为一个周期，共3600个周期。电缆经扭转试验后，外观应无开裂现象，并且局部放电和电压试验符合规定要求。

2.2 具有测温功能的风电复合缆结构

本风电复合缆选用 “对称3”+“独立1”屏蔽结构设计，从而，实现电缆抗电磁辐射性能的目的，保证电缆一方面不受外界干扰，另一方面不干扰其它电控设施，以提高风电上网系统的用电安全性，实现变频器和电源的匹配，改善功率因数，减少高次谐波的不良影响。

图3 10kV风电场光电复合电缆结构

本复合缆为了导体的增强，采用钢铜混合绞结构(如3钢4铜结构等)，作为中心股将铜线股线绞合在其外边。因此，从电缆导体的轴向上看合成纤维是直的，而所有的铜单线都是螺旋型的。电缆受力最先被拉伸的必然是合成纤维，随着外力的逐渐增大，伸长加大，铜单线再从内向外先后受到拉伸。从而有效提高了电缆导体本身的抗张能力。本风电复合缆基本结构有以下特点：

（1）导体材料。导体材料选用优质退火无氧铜，根据使用条件，选用符合DIN VDE 0295/IEC60228标准要求的第5种镀锡软铜导体，导体表面镀层应均匀、光亮、无氧化和毛刺等。

（2）绝缘材料。绝缘材料采用符合IEC 60092-351的乙丙橡胶混合物，但抗张强度应不小于6.5MPa。乙丙橡胶混合物具有较好的化学稳定性、优良的耐热老化性、优异的耐寒性、卓越的电绝缘性能和耐臭氧、耐气候性，并且无毒无臭，完全满足电缆使用的需求。

（3）三层共挤工艺。利用三层共挤工艺，导体屏蔽、绝缘层、绝缘屏蔽一次挤出。相对于多次挤出工艺，三层共挤能保证绝缘和屏蔽的紧密无间隙结合，防止污染，从而避免电缆在高电场下的游离放电现象，有效降低了局部放电水平，绝缘性能更佳。显然，三层共挤工艺还可以进一步提高绝缘体的综合性能，保证电缆的电压降和相间干扰优越性。

图4 电缆三层共挤工艺设备

（4）蔽层材料。内、外屏蔽层材料采用乙丙橡胶混合物半导电屏蔽料，其热老化性能应与相结合的绝缘层相当，在绝缘屏蔽层外再绕包一层镀锡铜丝作为其金属屏蔽层，以改善电缆的屏蔽效能。编织屏蔽层材料主要采用符合GB/T 4910的镀锡铜丝，为防止扭转时屏蔽层开裂采取特殊设计，提高其耐扭转性能。该结构一方面使电缆结构紧凑、成本下降，同时改善了电缆的柔软性，另一面提高了电缆在高频环境下的屏蔽效果，使保护电磁场呈筒形闭环分布。

（5）隔离层采用PBT聚酯带。采用耐热、非吸湿性和高强度的材料，可以提高屏蔽层与线芯的耐电压冲击性。

（6）外护层采用无卤材料。绿色环保安全是现代电缆外护套的基本要求，而现代无卤材料具有耐油、防水、耐环境浸损于一体，可保证电缆在各种恶劣环境下的性能稳定性。本电缆对内、外护套采取了特殊设计，提高了复合护层的耐扭转强度，内护套材料采用低烟无卤橡皮混合物，其性能应符合EN 50264.1中EI101型护套料的规定；外护套材料采用聚醚型无卤阻燃热塑性聚氨酯，该种护套材料具有抗撕裂强度高、耐候性好、无卤阻燃性能以及优异的抗微生物性能、耐水性能、耐磨性能等。

2.3 光单元与分布式温度传感器

光单元主要以62.5纤芯为主的双芯、四芯、六芯铠装光缆，辅加各类与之配套的元器件组成。主要的性能：工作温度：-40℃～250℃； 允许拉力：600～800N。显然，光单元中的光纤为二氧化硅材料，脆而易受损伤，所以在不锈钢套管中采用纤膏。这既可保护光纤，又能防止水分和潮气的渗入而产生氢损现象，保证光纤性能长期稳定。感温光缆单元采用聚酰亚胺耐高温光纤（工作温度范围：-50℃～430℃），以适应风电场电缆能量传输的各种工况。

图5 分布式温度传感器

在复合缆中，光纤采用内置技术。这样复合缆投运时，光单元不会受敷设环境影响；它有效降低了光纤因人为或意外造成光纤断裂的风险。乙丙橡胶绝缘电缆的导体长期允许工作温度为90℃，如果电缆运行温度最高不得超过90℃，说明电缆过负荷或局部出现故障。通常分布式感温传感器的光单元放置在三相绝缘线芯的中心部位或边缘空隙中，如图4所示。

如果光单元放在导体中心部位，复合缆在承受拉力作用时，光单元由于没有绞合节距而呈直线状态，将率先受力，而一般光单元，只能承受的短暂拉伸力只有2kN左右，这无法满足风电复合缆在制造和敷设时的拉应力，如图6（a）所示。如果光单元放在三相绝缘线芯的边缘空隙中，由于跟绝缘线芯同时绞合成缆，当复合缆中的缆芯受到拉力作用时，光单元和绝缘线芯同时受力，这样所承受的拉力较小，再加上光单元设有一定的光纤余长，拉应力不会对光纤的传输性能构成影响，如图6（b）所示。为避免光单元在与电力电缆的成缆绞合过程中被挤压，故将光单元复合在填充物中，该结构设计可有效保护光单元的安全，如图3所示。

图6 传感光单元内置位置

2.4 光电复合缆护层[9]

风电场光电复合缆必须具备防水、防腐、抗大张力功能。防水性能包括径向防水和纵向防水两个方面，纵向阻水功能的实现，阻水机理是：当水分从复合缆端头或是从护套缺陷中进入后，含有吸水膨胀粉末的材料就会迅速膨胀，并阻止了水分沿复合缆纵向进一步扩散，从而将水分的影响限制在局部的受损处，实现了电缆纵向防水的目的。亦即：复合缆采用绞合导体结构，并在绞合过程中，填入吸水膨胀的阻水材料。对于绝缘屏蔽和纵包金属屏蔽之间存在的间隙，采用在绝缘屏蔽和纵包金属屏蔽之间绕包半导电阻水带的方式实现阻水。同时，通过半导电阻水带与单面铜塑复合带金属一面的接触，实现绝缘屏蔽与铜塑复合带的等电位。径向阻水功能的实现，采用了“增强铜塑复合护层+特种聚乙烯(PE)护套”阻水防腐层新技术。既可实现径向阻水，又有很好的防海水腐蚀作用，而且这种特殊结构还可增强电缆的综合力学性能。

图7 风电复合缆生产工艺示意图

光电复合缆护外护套的挤出过程中，有三方面要注意：

（1） 原材料的干燥问题。由于聚氨酯极性较强，具有很强的吸水性，在空气中极易吸收水分而变潮，挤出时潮气遇高温而挥发，导致产品表面出现毛孔、气泡及外径粗细不均等现象，严重影响护套的力学性能，所以聚氨酯应避免长期暴露在空气中，在挤出前应进行烘干处理。干燥温度宜控制在90℃～110℃，干燥时间应为75～120min。

（2） 挤出温度的控制。聚氨酯通常使用长径比24左右的单螺杆挤出机进行加工，加工时温度应保持稳定。挤出机进料口到机筒末端温度从l65℃逐渐升高至l85℃左右，模口处的温度应比机筒末端低大约5℃。加工温度不能过高，否则容易导致材料降解，电缆表面起泡，降低护套的机械性能。

（3） 挤出模具的选择。电缆护套挤出模具有挤压式和挤管式，采用挤压式模具试制时电缆可以达到很高的圆整度，也容易形成雾面效果，但调试很麻烦，相比较而言挤管式模具加工更容易。

风电场光电复合缆关键的生产工序为：导体绞合、内外屏蔽和绝缘三层共挤、聚氨酯外护套挤出三大工序，如图7所示。

3 在线检测技术在风电场复合光电缆中的实现

电缆分布式光纤温度监测系统一般是沿电缆表皮或护套内敷设实时测量空间温度场的光缆，用于电缆及周围设备环境温度监测，提供连续测量电缆测量位置的温度信息。根据测温度值、电缆的散热系数和周围的敷设环境等条件，通过建立电缆测量位置温度与电缆线芯温度或载流量之间的对应关系，可以推算出电缆线芯温度，实现电缆载流量实时评估功能；可以起到电缆运行状态监测，规避运行管理的风险作用。

光纤传感器一般分为两大类，一类是利用光纤本身的某些敏感特性或功能制成的传感器称为功能型传感器；另一类是光纤仅仅起传输光波的作用，必须在光纤端面或中间加装其他敏感元件才能构成传感器，称为传光型传感器。传光型传感器要求能传输的光越多越好，所以它主要用多模光纤构成；而功能型传感器需要靠被测对象调制或改变光纤的传输特性，所以一般多用单模光导纤维构成。

3.1 分布式光纤温度传感技术

图8 分布式光纤温度传感实验

拉曼分布光纤温度传感器系统是近十多年随着光电技术发展起来的一种测量空间温度场的高新技术，它是集激光、红外、光纤、波分复用、光谱和弱信号检测技术的光机电和计算机一体化综合技术。拉曼分布式光纤温度传感器已成为光纤传感和检测技术的发展趋势，在系统中光纤既是传输媒体又是传感媒体，光纤所处空间备点的温度场通过拉曼效应调制了光纤中的反斯托克斯拉曼光子通量，用解调器解调后得到待测空间各点的温度信息，它是一种典型的光纤通讯系统：利用光纤光时域反射(optical time domain re fl ection OTDR)原理[4]，由光纤中光的传播速度和光回波的时间间隔，对所测温度点定位，它是一种典型的光纤温度雷达。

图9 拉曼(Raman)散射效应

光纤测温的原理是依据后向拉曼(Raman)[3]散射效应，激光脉冲与光纤分子相互作用发生散射。散射有多种，其中拉曼散射是由于光纤分子的热振动，产生一个比光源波长长的光，称斯托克斯(Stokes)光，和一个比光源波长短的光，称为反斯托克斯(Anti.Stokes)光。反斯托克斯光信号的强度与温度有关，斯托克斯光信号与温度无关。从光波导内任何一点的反斯托克斯光信号和斯托克斯光信号强度的比例中，可以得到该点的温度[3]。

式（1）中：h为普朗克常数；K为玻尔兹曼常数；IS为斯托克斯光强度；Ias为反斯托克斯光强度；f0为伴随光的频率；△f为拉曼光频率增量。

关于拉曼散射效应，可参见图10所示；电缆载流量与温度的关系，参见图9电缆分布光纤温度传感器试验。显然，为了消除干扰与系统损耗的影响，需要对对象进行多次测量，然后进行加权平均处理，以便更真实地反映所测温度场的温度判据曲线。再通过软件编程，仿真出电力电缆温度过热点，在取得电缆表面温度和周围环境温度数据后，将电缆的负荷电流按照划分的区域描成一组相关曲线，并从电流值推算出芯线导体的温度系数，以便求出线芯温度与运行负荷电流的逻辑关系，并以此来支持电缆的安全运行监控。

3.2 分布式电缆测温及在线故障检测系统

本系统光路设计采用（Raman）拉曼分布式光纤温度传感器作为基本结构，Raman分布式光纤温度传感器已成为光纤传感和检测技术的发展趋势。由于它具有诸多独特的性能，因此，分布式光纤温度传感器已成为现代工业过程控制中的一种新的检测装置。图11为光纤分布式温度传感系统的结构，该系统主要起到运行中的电力电缆导体温度的实时监测，及线芯温度与载流量的模拟计算的判据作用。

对电缆温度异常点的空间定位是通过光纤光时域反射技术(0TDR)实现的，当激光脉冲在光纤中传输时，在时域里，入射光经过背向散射返回到光纤入射端所需时间为t，激光脉冲在光纤中所走过的路程为2L。则有：2L=V•t …………(2)；V=C/n…………(3)。

上式中：V为光在光纤中的传输速度；C为真空中的光速；n为光纤折射率。

图10 光纤分布式温度传感系统示意图

利用光时域反射技术可以确定沿光纤温度场中每个温度采集点的距离及异常温度点、光纤断裂点的距离定位信息。分布式光纤测温系统的主体是测温光缆，它不仅是温度传感器，也是传输温度数据的媒介；此外，它还有电缆温度监测系统主机、分布式光纤测温主机(Distributed Temperature Sensing，简称DTS)、光路切换开关、报警信息发生器等组成部分。在线检测装置硬件主要有光路模块和电路模块两大类：

光路模块是系统核心，主要包括大功率半导体激光器模块、分光器件、探测器等组成。半导体激光器模块发出的大功率脉冲激光经分光器件后进入传感光缆，激光在光缆传输过程中因分子热振动而发生背向拉曼散射光，背向拉曼散射光经分光光路分离出反斯托克斯光和斯托克斯光，并由探测器接收，经放大电路后由高速数据采集电路同步采集，信号处理单元实现温度信号计算及火灾报警判断。

电路模块主要由控制及信息处理电路、驱动电路、探测电路、高速采集电路、接口电路等组成。控制及信息处理电路实现对整个电路模块及光电器件的控制和协调，并对采集信号进行温度计算，可实现定温、差温火灾报警判断。驱动电路实现大功率半导体激光器发出高功率、窄脉宽激光脉冲。探测电路实现微弱背向散射信号的放大、调理。高速采集电路实现高速信号采集与硬件累加功能。接口电路实现测温主机和外部设备之间的数据和状态信息的通讯，实现远程数据传输和系统运行状态的远程监控，如图11所示。

根据经验：计算区间越短，计算结果误差越小。本电缆故障在线检测装置的故障定位法，采用特殊的算法。将故障计算的起始点和终结点尽可能地向故障点不断靠近，缩短故障的计算区间，以减小判定误差。

4 结语

图11 分布式光纤温度传感器电缆故障在线检测装置

上世纪90年代，发达国家就有人利用“光电复合缆”来进行电缆故障测距，即：采用光纤温度分布传感器，将光纤复合到电缆中，做成光纤复合电缆；而光纤温度分布传感器完全不受电磁感应的影响，激光束注入光纤后，用分光仪将拉曼(Raman)后向散射光线分离出来，该光线的强度随温度变化。通过测量光强，经过公式转换后可以读出温度值。而故障距离可以通过激光脉冲的注入时间与反射光线的到达时间差来计算，激光在此类光纤中的传播速度为0.2lm/ns。显然，该方法对故障的定位准确，定位时间少，而且对电缆的损伤小于其它行波法。但当时，制造复合光纤电缆造价高，保护光纤不受损伤比保护电缆本身难度更大，该技术的使用受到了抑制，故目前还没有能够满足工程要求的产品出现。随着耐高温光纤技术的发展，使得利用光纤嵌入技术进行电缆故障在线监测成为可能。

本项目为安徽省高等学校省级质量工程项目，其研究技术的创新点为：（1）电缆导体采用特种合成纤维束作为加强芯，主要作为光电缆承力编织层或内部的承力构件，在光电缆内部它与导体和光纤是分离的。（2）采用聚酰亚胺耐高温光纤作为拉曼分布式光纤温度传感器，使XLPE光纤复合缆工艺上易于实现，目前，该装置只能测出一根过负荷的电缆，或大致指出在10米范围内的故障点，而不能精确到某个点或比较小的范围，还有待进一步研究。（3）以上问题还需要大量实际测试数据资料的积累，以确定分布式电缆测温及在线故障检测系统监测报警阈值；同时，还需对拉曼分布式光纤温度传感器探测到的数据，进行重构、特征提取、模式识别，使传感器能够感应到2m以内的实用范围。

近年来，风电场发展很快，对复合海缆的安全防护问题就凸显出来。每年报道的地埋复合电缆被盗、海底复合缆被船锚钩断或损坏等事件屡见不鲜，严重影响正常电力供应和数据传输，经济损失上亿元，因此亟需对已敷设复合电缆进行全程安全防护的系统。

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