重庆地区分布式测温光纤应用情况分析

张 勇,曹泰山

(国网重庆市电力公司市区供电分公司,重庆 400020)

随着城市的迅速发展和电力负荷的快速增长,输电电缆的运行数量不断增加,对电缆的安全可靠运行提出了更高的要求。国家电网公司在《国家电网有限公司十八项电网重大反事故措施》第13章《防止电力电缆损坏事故》中明确指出:“运行部门应加强电缆线路负荷和温度的检(监)测,防止过负荷运行,多条并联的电缆应分别进行测量。巡视过程中应检测电缆附件、接地系统等关键接点的温度。”《国家电网有限公司110(66)千伏及以上电缆及通道运维管理规定》的附表6、附表7明确要求,一、二级电缆隧道及隧道内110(66) kV及以上高压电缆,应安装分布式光纤测温系统,三级电缆隧道具备安装条件或满足特定环境需求应安装分布式光纤测温系统,三级电缆隧道内的110(66) kV及以上高压电缆可选择安装分布式光纤测温系统。电缆隧道作为城市电缆敷设的主要通道,常被运用在核心区域,具有容量大、敷设线路多等特点。由于隧道比较封闭,一旦出现火灾、故障等情况,扑救比较困难,且事故发生后的修复工作周期漫长,会造成严重的社会影响、经济损失。利用探测手段可及时发现隐患及故障,将事故消灭在萌芽阶段。检测装置应具备不受电磁干扰、灵敏度高、传输距离远等特点。测温光纤作为一种可靠的温度检测手段已在电力系统得到广泛运用。在实际运用中,测温光纤能实时监测电缆运行温度及环境温度,为电缆的运行方式及负荷监测提供支持。

1 分布式光纤测温系统原理介绍

在分布式光纤测温系统(DTS)中,光纤既是传输媒体又是传感媒体,该系统主要由光纤测温主机及测温光缆组成。其组网结构如图1所示。

图1 分布式光纤测温系统组成

分布式光纤测温系统是一种实时、快速、多点测温和测量空间温度场分布的传感系统,也是一种分布式的、连续的、功能型光纤温度测量系统。在系统中,光纤不仅是探测单元,同时也是传输单元。系统主要利用拉曼散射和光时域反射2种原理发挥测温与定位的功能:利用光纤后向拉曼散射的温度效应,可以对光纤所在的温度场进行实时的测量;利用光时域反射可以对测量点进行精确定位[1]。

拉曼散射测温原理:激光脉冲在光纤中传输时,由于激光和光纤分子的相互物理作用,会产生3种散射光,即瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射,其光谱分布如图2所示。其中,拉曼散射和布里渊散射都对温度敏感,因此拉曼散射和布里渊散射都可用来测量温度[2]。

图2 拉曼散射测温原理

由于布里渊散射和瑞利散射在频谱上靠得非常近,难以分开且布里渊散射受应力等其他因素的影响也比较大,所以用来测温难度比较大。目前技术上比较成熟的还是分布光纤拉曼散射温度传感器。测量流程如下(见图3)[3]。

图3 测温过程

1)激光器发出一束激光,通过耦合器调制后射入测温光纤中。

2)光纤中反射回的拉曼散射光通过光谱分离模块,被分解成不同波长的Stokes反射光和Anti-stokes反射光。其中Stokes反射光的强度与温度弱相关,而Anti-stokes反射光的强度与传输介质的温度强相关[4]。

3)光时域反射处理单元通过对2束光信号进行处理和对比计算得出温度沿光纤的分布曲线。

光时域反射定位原理:激光器发出的脉冲光信号在光纤中传输时,其在不同位置产生的后向散射光沿光纤达到探测器的时间不同,将后向散射光到达探测器与激光器发出光脉冲的时间差,乘以光在光纤中的传输速率,再除以2,即可得到散射点在光纤上的位置(见图4)[5]。

图4 光时域反射定位原理

目前在用的光纤线芯主要有2种,即50 μm芯和62.5 μm芯。62.5 μm芯径多模光纤比50 μm芯径多模光纤芯径大、数值孔径高,包括我国在内的多数国家均将62.5/125 μm多模光纤用作局域网传输介质和室内配线。62.5/125 μm光纤几乎成了数据通信光纤市场的主流产品。

2 重庆地区分布式测温光纤规模及应用情况

重庆地区现有电缆隧道136条,共190.98 km,已经安装光纤的电缆隧道有80条,共166.985 km,重庆地区110 kV及以上电缆542回长度为878.8 km。

目前重庆各公司正在接入电缆精益化管理平台(CMP),全地区已经接入163条的测温数据。平台可以分析不同的隧道各个运行时段的运行温度情况、冬夏电力负荷峰谷期间的运行温度情况,从业者可据此设定不同季节不同负荷时段的温度报警阈值,定期根据温度变化情况设定预警值和报警值,以预防火灾的发生。

2.1 分布式测温光纤安装情况

重庆地区安装隧道测温光纤139.25 km,安装低压槽盒测温光纤99.221 km(主要是62.5/125 μm多模光纤),110 kV及以上电缆安装测温光纤1 812.657 km(62.5/125 μm多模光纤共计1 118.415 km,50/125 μm多模光纤共计564.491 km,单模光纤129.751 km)。

2.2 分布式测温光纤测温系统分布情况

重庆地区现有600套测温系统主要分布在重庆主城区各供电单位。其中,重庆SQ公司232套(38%),重庆SB公司194套(32%)、重庆JX公司87套(15%)、重庆BB公司55套(9%)、重庆BS公司27套(5%)、重庆QN公司5套(1%)。

2.3 分布式测温光纤测温系统主机厂家情况

重庆地区所辖电缆及通道内分布式测温系统主机(91台)的厂家主要为苏州光格科技股份有限公司(20台)、山东康威通信技术股份有限公司(19台)、上海波汇有限公司(16台)、成都荣耀科技有限公司(9台)等。

2.4 分布式测温光纤测温系统光纤厂家情况

重庆地区所辖电缆及通道内分布式测温系统光纤(590根/回)的厂家主要为山东康威通信技术股份有限公司(138根)、苏州光格科技股份有限公司(127根)、重庆硕远科技有限公司(104根)、上海波汇有限公司(93根)等单位。

3 分布式测温光线系统运行中主要问题

1)部分光纤没有铠甲保护层,容易在施工中损坏或被小动物啃噬,进而造成断纤。部分或因年久失修无法使用。测温光纤经过多次熔接后,对检测温度的准确性降低,误报比例将大幅上升。

2)同一通道内存在62.5 μm和50 μm 2种光纤混用,不同规格型号的光纤不能熔接使用,不同光纤不能接入同一测温主机使用。

3)受主机位置及通道走向影响,测温光纤走向杂乱,不是按照一条发射线敷设,无法正确反映温度异常点的准确位置。

4)光纤覆盖率不高,部分隧道、槽盒没有安装测温光纤,且备用光纤余量不足,在线路末端没有余量无法检测光纤系统。

5)光纤主机安放位置千差万别,不统一,部分主机位于电缆夹层、蓄电池室、电缆通道内等环境较差的场所,恶劣环境极易导致主机运行异常,从而发生误报或漏报。

6)测温光纤主机厂家众多,逻辑不统一,主机报警恢复、后期增设光纤接入调试对接厂家困难。测温主机端口数量不能匹配光纤数量,有时需要2台以上主机,增加设备及数据的维护工作。

7)现有测温光纤系统检测手段落后,无法定时、定点、定温度检测光纤测温(见图5)。

图5 系统常规试验

8)虽然分布式光纤测温系统能采集到温度异常上升的数据,但多种原因导致测温系统功能失效,没有发出报警短信。失效原因主要包括光纤断纤、主机失电、无短信报警模块或模块没有升级4G功能、模块通信欠费等,应有的预警报警作用没能发挥。

9)测温光纤主机对环境温度要求较高,超过一定的温度范围会导致恒温箱不稳定,测温数据不精准。

10)测温光纤经过熔纤后,光信号经过熔纤点处后会出现明显的衰减,测量的温度会发生一定程度的波动。当同一根测温光纤出现多个(一般大于3个)熔纤点时,对测得的温度数据(尤其是熔纤点后端的数据)影响会很大,误报比例将大幅上升,不宜作为判断温度是否正常的依据(见图6)。

图6 光纤本体熔接点

4 分布式测温光纤问题解决措施

4.1 针对光纤本体的措施及建议

1)严格按照标准进行设备选型和实施。所选光纤及主机须符合《电力电缆分布式光纤测温系统技术规范》(DL/T 1573—2016),明确分布式光纤及测温主机配置标准,明确光纤及主机的安装及检修标准。可编制新的光纤采购技术规范,明确光纤敷设方式,从源头上进行规范化。

2)建议由公司统一光纤型号。结合重庆地区实际情况,明确使用一种型号光纤(要么50 μm要么62.5 μm),便于通用对主机和光纤的维护器材。

3)清理优化光纤主机位置及光纤走向。一、二级电缆通道内110 kV及以上电缆,均采用三相单独敷设测温光纤,采用射线方式敷设,减少迂回、S型敷设。优化测温主机的安装位置,并加强端口准入管理。

4)加强测温光纤测温系统建设。一、二级电缆隧道及隧道内110(66) kV及以上高压电缆应安装分布式光纤,其余电缆通道则依照实际情况加装分布式光纤,尽量全覆盖。

5)优化系统测温区段配置。细化电缆本体测温光纤调试分区,将电缆起始端设置为0 m,按电缆段进行分区配置数据,电缆中间接头设置为独立分区,以减小测温光纤与电缆本体因长度不同导致的报警位置的误差。

4.2 针对测温主机的措施及建议

1)明确要求测温光纤主机功能。主机应标配短信报警模块,常用端口数量不少于8口,并做好通信费用不少于3年等维护工作,定时测试短信功能是否正常。

2)完善测温主机位置选址。优化分布式测温系统主机(子站)屏柜位置选址,禁止在隧道内、夹层内等环境恶劣场所安装测温主机(子站),在变电站规划设计中增加安放位置预设。

3)加强测温主机设备选型。选用通用性强、扩展性能高的主机,可依据运行使用经验分析总结,逐步对落后、小众测温主机进行淘汰。

4)加强运维人员培训工作。分布式光纤测温主机新投验收前,厂家需提供全套操作说明手册,并对运维人员进行功能使用、系统调试培训,特别注意在运维工作中关闭光源,严禁将光缆对准眼睛,防止激光灼伤眼睛。

5)深化精益化平台运用。须加快推进现有测温系统数据接入精益化平台,新建测温系统必须同步接入精益化平台。精益化平台测温数据模块须根据实际需要进行优化,如增加数据对比分析功能,将储存数据保留5年以上。

4.3 针对测温系统试验的措施及建议

1)完善光纤测温系统自检功能。定期对光纤测温系统进行检测:检测光纤通道是否完好,测温距离和相别是否准确,测量温度是否精确,主机和系统端报警短信发送和数据传输是否准确可靠。

2)加强设备日常运维。需要定期巡视检查测温主机功能是否完好,数据传输是否正常,供电是否正常,短信功能是否正常,通信卡是否欠费等。

3)加强检测新技术运用。现已研发出固定恒温加热检测模块,可以设定好测试时间、周期及温度,该模块能够定时恒温检测光纤测温系统,能及时掌握光纤测温系统的完整性、准确性、及时性及可靠性。

4.4 针对测温系统预警的措施及建议

1)加强测温系统报警监控。依托专业机构及人员24 h监控,有条件的单位可对光纤预警信号实施24 h有人监控。完善光纤短信报警功能,并覆盖所有分布式测温系统。在实际使用过程中,能及时发现隧道内的温度变化,通过平台报警信号,查看具体长度位置,迅速进行定位,去现场实际复核情况,对事件的及时性及可靠性提供支持(见图7)。

图7 使用过程中的报警断纤信号

2)优化精益化平台。对精益化平台测温数据模块进行优化,使其将数据进行整合,每条测温数据用曲线展示。工作人员可以根据需要对展示周期进行调整。平台可以直观地把测温曲线分不同时间或周期进行对比,可以分析不同通道、同一通道在不同位置、不同电压等级、不同相别、不同摆放位置上的温度差异,并结合负荷变化预判温度变化趋势,有效地分析温度异常的原因,准确判断导致温度异常的原因是否属于火灾隐患,以及时有效地消除火灾隐患。

3)制订通道火灾应急预案。针对所有通道制订火灾应急预案,一旦收到预警短信,立即进行研判,同时启动火灾应急预案,一旦核实且收到报警短信,立即实施火灾应急预案,各部门各专业进行联动,尽快消除火灾隐患,把损失降到最低。

5 结语

本文分析重庆地区的分布式测温光纤运用情况及运行中存在的问题,提出从光纤本体、测温主机、系统准确性效验、测温系统预警等4个方面采取措施,解决现有分布式测温光纤存在的主要问题,进一步提高测温光纤在施工、运行、维护及检修过程的规范性、可靠性、准确性,从而提高重庆地区分布式测温光纤的覆盖率、在线率、可靠性,更好地为输电电缆安全可靠运行保驾护航,助力成渝双城经济圈的建设。