基于光纤测温的电缆过热在线监测及预警系统的应用实践

1 序言
电缆是发电厂、变电站的重要组成部分。由于电缆分布广，又易燃，着火后危害大，电缆的防火历来为电力部门所重视。但是，近年来电缆火灾事故频繁发生，据有关资料统计，近20年来，我国火电厂发生电缆火灾140多次，其中1986~1992年7年间竟达75次。有24个电厂发生过2次及以上电缆火灾事故，个别电厂达4~6次。70%以上的电缆火灾所造成的损失非常严重，其中40% 的火灾事故造成特大损失。1975~1985年间，因电缆着火延燃造成的重大事故发生60起，造成直接和间接损失达50多亿元。
事故分析表明，引起电缆火灾的直接原因往往是电缆接头制作质量不良、压接不紧、接触电阻过大，从而电缆接头过热导致火灾发生。例如，东北某发电厂因2#循环水电缆接头过热，引发电缆着火，烧损该电缆沟内所有电缆，造成电厂停机事故。据了解，上午有人在距故障电缆接头80多米远的竖井上已嗅到了绝缘烧焦的气味，下午7时引发了火灾。又如，某发电厂两台200Mw发电机组，因一台机组的循环水电缆接头过热引燃并烧穿了本机的另一条循环水电缆，同时烧损了另一台机组的循环水电缆，造成两台200Mw发电机组被迫停机事故。1991年10月—11月，华北电网3座主力电厂接连发生低压电缆着火，造成5台200Mw机组停电。由上可见，电缆火灾发生的一个主要原因是由于动力电缆接头制作质量不良所造成的。但是，电缆接头的制作质量的好坏，只能在运行中才较易发现，运行时间越长越容易发生过热烧穿事故。由于从电缆接头过热到事故发生有一个过程，因此，通过对电缆在线过热监测完全可以防止和杜绝此类事故的发生。

2、光纤测温的工作原理
光纤温度测量技术于1981年由南安普敦大学提出，其基本原理是：向光纤中发射一个光脉冲后，光纤中的每一个单独的点都将后向散射一小部分光，这一后向散射光包含有斯托克斯光和反斯托克斯光，其中，斯托克斯光与温度无关，而反斯托克斯光的强度随温度的变化而变化，由反斯托克斯光与斯托克斯光之比和温度的定量关系，可得温度值T：
hΔf IS fO +Δf
T= ——- {ln（——）+ 4ln（————）-1} （1） K IAS fO—Δf
式中：h—普朗克常数（j.s）；
k—玻尔兹曼常数(j/k)；
IS—斯托克斯光强度；
IAS—反斯托克斯光强度；
fO—伴随光的频率(1/s)；
Δf—拉曼光频率增量(1/s)；
K—绝对温度。
利用入射光和后向散射光之间的时间差Δti和光纤内的光传播速度CK，可以计算不同散射点的位置距入射端的距离Xi，因而可以得到光纤沿程几乎连续的温度分布，Xi可按下式计算：
Δti
Xi=CK —— （2）
2
式中：Ck—光纤中的光传播速度（m/s）；
Δti—后向散射延迟时间（s）。
为实施光纤沿程各点温度的分布测量，必须同时确定后向散射各点的位置和与之相对应的温度。实施这些测量所必需的测量装置为：a，严格校准和功率强大的光源（激光）；b，传输和传感光缆；c，确定温度分布的处理单元，这些测量装置构成了DTS系统。

3、csts系统
csts系统是在DTS系统基础上，针对电缆安全监控进行软件二次开发形成的。用DTS系统实时监测电缆温度变化过程，在日本、德国等几个工业发达国家已有应用实例，并取得了良好的效果，通过连续测量电缆及电缆接头温度情况，可以预测电缆过热故障及预警电缆火灾发生。由于光纤抗电磁干扰和辐射，用于高压电缆监测更为合适。软件二次开发后，csts系统的主要功能如下：
（1） 实时数据采集：从监控电缆逐点实时采集温度，形成实时数据库；
（2） 实时数据显示：显示电缆当前采集得到的实时温度；
（3） 超温报警：根据用户要求设置报警和预警温度，并可对被监控电缆按段设置不同分区，每个分区可以任意设置报警值，对不同的部位进行不同标准的监控；
（4） 升温速率报警：对被监控的电缆达到用户要求设置的升温速率预定值时，可以报警、指出报警电缆处位置、数据储存和打印；
（5） 历史数据显示：用户可以通过历史数据查询得到电缆某时某刻温度、某天电缆某点的温度、某时段电缆某点的温度、某天电缆最高温度及某时段电缆某点的最高温度；
（6） 特性曲线显示：包括某时某刻电缆温度分布曲线、某天电缆某点的温度变化曲线、某时段电缆某点的温度变化曲线、某天电缆最高温度分布曲线和某时段电缆某点的最高温度变化曲线；
（7） 远程监控诊断和维修：通过因特网，可实现对现场设备的远程监控、诊断和维修等。

4、 工程应用
秦山核电公司有一条6000V的高压电缆，长度约1Km、带有接头，铺设在电缆槽沟内，因负荷较大，该电缆温度较其他电缆高。为了避免温度过高，造成电缆、尤其是接头处的短路、爆炸等事故产生，经研究，决定采用csts系统对其进行监控。
在2001年12月，把特制的传感光缆铺设在待测电缆上方，为提高监测的精度，以准确地获得被测电缆上各点的温度情况，须将传感光缆梆扎在电缆上，让二者紧密接触。2002年3月，又安装了DTS 系统的主机和外围设备，连接了传感光缆，开通了DTS系统，并设置了预警温度。由于高压电缆较长，并有几个接头，因此对该电缆设置了8个区域，即电缆在配电房内为第1区域，配电房与接头1之间为区域2，接头1为区域3，接头1与接头2之间为区域4，接头2为区域5，接头2与接头3之间为区域6，接头3为区域7，接头3之后为区域8。图1为分区监控的显示界面。

图1 分区监控的显示界面
图2为2003年7月25日17点电缆温度分布曲线，从中可以清楚地看到当时整条电缆的温度分布情况，二端温度低，是电缆在室内部分；中间有若干个低谷，是电缆通过马路部分；其余处于电缆槽沟内，由于日照的影响，致使温度升高；326m附近有温度高峰，据查，该处有一个接头，其温度明显偏高，表明该接头质量并不理想，存在一定问题；

图2 2003年7月25日17点电缆温度分布曲线
图3为2003年7月18日—7月27日接头2的温度变化过程线，由该过程线可以看到、接头2的温度是规律性变化，下午16时温度最高，而上午7时温度最低；

图3 2003年7月18日—27日接头2的温度变化曲线
图4为2003年7月18日—7月27日接头2的最高温度分布直方图，从该图可以发现，在7月18日—7月27日期间，接头2最高温度在25日以前呈上升变化趋向，25日以后温度又骤降了近10ºC，这期间，7月25日接头2达最高温度50ºC。

图4 2003年7月18日—7月27日电缆接头2的最高温度变化曲线
结语
通过对秦山核电公司高压电缆过热实时监控的实践表明，csts系统不仅能够得到电缆的实时温度分布，及时发现薄弱环节，还能超温报警和升温速率报警，并自动生成电缆的各种温度特性曲线。系统能将采集得到的数据、曲线进行实时显示，并形成数据库，以供用户查询。
由于csts系统可以精确量测光程沿线各点的温度，信息密度大；可以及时发现故障位置，数据可靠；施工方便，性价比合理；光纤抗电磁干扰和辐射，使用寿命长。因此是一种理想的电缆过热监控系统，可广泛应用于发电厂和变电站的电缆过热监控中，也可以应用于地铁、船舶、石油平台、银行和大型图书馆等重要场合的电缆过热监控中。