一．方案背景
電力系統(tǒng)中，從發(fā)電廠到輸變電設(shè)備以及到終端用戶電器的整個傳輸過程中都有大量的可變溫度需要檢測。其中保證電纜的穩(wěn)定運行是供電連續(xù)安全的重要保障，而電纜穩(wěn)定運行的重要參數(shù)是由它的絕緣性能決定的，由于大量高壓電纜是鋪設(shè)在戶外，各種錯綜復(fù)雜的因素會成為高壓電纜故障的原因，包括本身施工質(zhì)量的問題、惡劣天氣環(huán)境影響、外力破壞原因等等，通常情況下，電力電纜在出現(xiàn)問題后就會導(dǎo)致其溫度上升，進(jìn)而引發(fā)嚴(yán)重的故障問題。結(jié)合某石化行業(yè)項目闡述由南京國高電氣自動化有限公司推出的一種綜合式電纜測溫檢測系統(tǒng)解決方案。
此項目位于東部沿海某城市，整個項目供電系統(tǒng)來自于兩條不同區(qū)域的35kV變電所，進(jìn)廠為兩條10kV主備電源，高壓電纜遠(yuǎn)距離敷設(shè)在跨海大橋內(nèi)，屬于典型的特殊使用環(huán)境，橋梁的熱伸縮和振動問題會大大增加高壓電纜出現(xiàn)故障的概率，為了解決這一問題，通過和客戶的溝通，經(jīng)過我們內(nèi)部分析，提出了高可靠性的綜合解決方案。
GDTS-4 分布式光纖溫度監(jiān)測系統(tǒng)對電纜主體進(jìn)行連續(xù)的長距離的在線監(jiān)測，同時配合GCW-A-9W無線測溫集中顯示檢測系統(tǒng)，針對高壓電纜接頭和一些易出現(xiàn)故障部位，實時對溫升故障點的運行狀態(tài)進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測。
通過大量的實際情況發(fā)現(xiàn)，電力電纜在運行過程中發(fā)生故障并不是突然發(fā)生的，是一個由量變到質(zhì)變的過程，所以檢測系統(tǒng)通過精確連續(xù)的在線溫度監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)存在的問題，及時采取措施，既可避免故障的擴大化。
綜合解決方案通過點和面的結(jié)合，大大的提高了采樣的精度、準(zhǔn)確性和及時性，提高了系統(tǒng)的可靠性，同時先進(jìn)的光纖感溫技術(shù)具有可靠性強、無源本質(zhì)安全、抗電磁干擾、抗腐蝕、耐溫性好、傳輸距離遠(yuǎn)等特點。
二、方案概述
1.工作原理
GDTS-4 分布式光纖溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)是一款基于拉曼背向散射原理和光時域反射技術(shù)的分布式溫度檢測系統(tǒng)，其原理如下圖1。
圖1
激光脈沖在光纖內(nèi)部的傳輸過程中有背向散射光出現(xiàn)，散射光 Stokes 和Anti-stokes 受到溫度變化影響，其中 Anti-stokes 受溫度影響較大，其它波長則不受溫度變化影響。當(dāng)光纖沿線某處溫度發(fā)生變化時，它的強度會發(fā)生變化。通過精確地測量散射光的信號強度差，可以準(zhǔn)確地測量溫度。測量返回光脈沖的到達(dá)時間，可以確定溫度讀數(shù)的位置，這與顯示汽車或飛機距離的雷達(dá)回聲類似。
2.方案理念
由于客戶現(xiàn)場使用環(huán)境的特殊性，在設(shè)計方案時，需要兼顧考慮采樣的精度、溫度測量的準(zhǔn)確性和及時性、現(xiàn)場的各種抗干擾能力以及后續(xù)的維護(hù)問題。光纖測溫方案實現(xiàn)了整條電纜連續(xù)采樣點的獲得，大大減少了不確定因素，感溫光纖本身沒有電部件和活動部件，具有30年使用壽命，使得維護(hù)費用減少，溫度信息通過光信號傳輸，防震、抗電磁干擾、適應(yīng)各種惡劣環(huán)境。同時與無線測溫方案的配合，能夠有效及時的監(jiān)測到接頭及一些易損點的故障，更加提高了采樣的密度，提高了監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性。在綜合方案中，通過設(shè)置可與一級管理平臺、二級遠(yuǎn)程集控平臺數(shù)據(jù)交換，數(shù)據(jù)接口對外開放，實現(xiàn)電纜管廊內(nèi)的各種信息互通，達(dá)到很高的信息檢索效率與報警準(zhǔn)確率，實現(xiàn)了電纜運行的綜合監(jiān)控。
3.方案構(gòu)架
通過和客戶的溝通，了解了客戶現(xiàn)場的實際需求，整體的方案構(gòu)架如下圖2所示：
圖2
GDTS-4 分布式光纖溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)是由一臺分布式光纖溫度監(jiān)測主機與 PC 相關(guān)外設(shè)、感溫光纜組成。為保障被監(jiān)測電纜絕對安全，本系統(tǒng)采用技術(shù)先進(jìn)、性能優(yōu)越的線式光纖測溫系統(tǒng)，將感溫光纖敷設(shè)在電纜溝和電纜通廊里的高壓電纜上，然后接入控制室的監(jiān)測主機上，監(jiān)測主機將攜帶有溫度信息的光信號解調(diào)后就得到沿電纜的分布溫度。監(jiān)測主機通過通訊口將數(shù)據(jù)傳送到顯示操作系統(tǒng)，生成直觀的圖文畫面供用戶查詢?yōu)g覽。
GCW-A-9W無線測溫集中顯示檢測系統(tǒng)由服務(wù)器后臺和無線測溫裝置組成，服務(wù)器后臺可以和GDTS-4后臺二合為一，無線測溫裝置由多臺無線溫度集中監(jiān)測裝置和多個無線溫度傳感器組成，一臺測溫裝置最多可接入240個傳感器。傳感器捆綁與電纜接頭處或一些易損部位，實時對溫升故障點的運行狀態(tài)進(jìn)行動態(tài)追蹤監(jiān)測，數(shù)據(jù)包括溫度、濕度和工作電壓，測溫裝置可通過多種通訊手段把數(shù)據(jù)傳給后臺服務(wù)器，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析操作。
三、性能特點
1. GDTS-4 分布式光纖溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)
溫度的實時在線監(jiān)測，做到早期預(yù)警，防患未燃。
◆ 高安全可靠性：采樣光波信號，免受高壓環(huán)境下強電磁干擾，數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠。 另外，光纖本身絕緣，不導(dǎo)電，能充分保障操作人員人身安全。
◆ 環(huán)境適應(yīng)性好：光纖主要成分為石英，性能十分穩(wěn)定，耐水浸，耐酸堿腐蝕，使用壽命長達(dá)30年。此外，光纖可彎曲，韌性好，不易折斷，方便施工。加上特殊外護(hù)套后可有效防止粉塵堆積 、潮濕水汽引起的爬電現(xiàn)象。
◆ 系統(tǒng)性能優(yōu)異：測溫精度一般為1℃，空間分辨率一般為1米；通過配置適當(dāng)?shù)墓忾_關(guān)可同時實現(xiàn)對多達(dá)64條通路的監(jiān)控。
◆ 軟件功能豐富：可設(shè)置多重溫度超限報警，如40℃預(yù)報警，50℃采取措施等，并且可以根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境情況進(jìn)行修正；在設(shè)定過溫報警的同時，還可以設(shè)定溫升速率異常報警，或定溫和差溫結(jié)合報警，并把火災(zāi)報警信息以聲光、繼電控制和消防連動等方式輸出并采取適當(dāng)處理措施。
◆ 自檢校正功能：設(shè)備具備實時自檢功能，一旦發(fā)生折斷或老鼠咬斷等意外情況系統(tǒng)會馬上發(fā)出提示信息并指示工作人員定位檢修，斷開的光纖用光纖熔接機接上即可繼續(xù)使用。此外，內(nèi)置數(shù)據(jù)校正單元會對采集回來的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行實時校正，避免因長期使用光源老化或其它情況引起偏差。
◆ 兼容性：系統(tǒng)可以通過RS232、干接點、以太網(wǎng)等形式與PC、消防報警系統(tǒng)、SCADA等其他控制系統(tǒng)進(jìn)行互連；
2. GCW-A-9W無線測溫集中顯示檢測系統(tǒng)
2.1無線測溫監(jiān)測裝置
外形結(jié)構(gòu)如下圖3
面板顯示：
①報警指示燈 ②告警指示燈 ③運行指示燈 ④電源指示燈
⑤溫度值顯示 ⑥溫度自身供電電壓顯示 ⑦報警狀態(tài)顯示 ⑧時鐘顯示
圖3
產(chǎn)品性能參數(shù)如下圖4
圖4
2.2無線測溫傳感器
無線測溫傳感器有多種規(guī)格和型號可供選擇，可根據(jù)現(xiàn)場的實際使用情況進(jìn)行確認(rèn)。參數(shù)介紹如下圖5。
圖5
四、系統(tǒng)設(shè)備安裝
1．計算機和監(jiān)測主機的安裝
工控機、分析儀和顯示器安裝在控制室的監(jiān)控柜或是操作臺內(nèi)。
2．感溫光纖的安裝
將測溫光纖沿著被測高壓電纜的走向展開，用阻燃扎帶將測溫光纖扎在高壓電纜上。如果是對多條高壓電纜進(jìn)行同時監(jiān)測時，可以將測溫光纖以S形敷設(shè)在高壓電纜上，以增大覆蓋面。安裝效果顯示如下圖6
圖6
因為測溫光纖不僅是信號的載體，還是溫度傳感器，安裝的質(zhì)量直接關(guān)系到測量的準(zhǔn)確性，因此應(yīng)該注意以下幾個方面：
測溫光纖如同電線，應(yīng)盡量避免被外力損傷，折斷；
測溫光纖是石英制品，在需要彎曲鋪設(shè)時只能以大于5cm的圓弧實現(xiàn)，否則會引起光纖損耗，影響測量精度；
測溫光纖接頭必須保持清潔，為此可先鋪設(shè)光纖，再安裝接頭。
3.電纜接頭部分的安裝
由于電纜接頭是極易產(chǎn)生過溫故障的部位，大部分的電纜火災(zāi)都是因為電纜接頭的發(fā)熱而引起，一旦不及時處理，就會引發(fā)大面積的電纜著火，造成重大損失。所以電纜接頭也是需要重點監(jiān)測的部位。
將無線測溫傳感器捆綁與電纜接頭或一些易損部位。
五、現(xiàn)場驗收
現(xiàn)場驗收的時間和條件由買方根據(jù)現(xiàn)場安裝和調(diào)試的進(jìn)度確定。賣方全部完成現(xiàn)場安裝和調(diào)試的各項工作，根據(jù)現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)，優(yōu)化設(shè)置參數(shù)，達(dá)到預(yù)期最佳效果，負(fù)責(zé)培訓(xùn)買方技術(shù)人員，使其掌握系統(tǒng)維護(hù)的各項技能，現(xiàn)場驗收試驗結(jié)束后，雙方將簽字確認(rèn)試驗結(jié)束。
六、技術(shù)培訓(xùn)及服務(wù)
技術(shù)培訓(xùn)，為了便于設(shè)備的安裝、調(diào)試和投運，買方可派出高級技術(shù)人員參與安裝調(diào)試，起動投運等技術(shù)服務(wù)。
賣方技術(shù)人員除了解答和解決由買方在合同范圍內(nèi)所提的問題外，還將詳細(xì)地解釋圖紙、運行方式、設(shè)備設(shè)置以及使用注意事項。
質(zhì)保期后的技術(shù)服務(wù)，質(zhì)保期后，賣方仍將向買方提供優(yōu)惠服務(wù)，以合理的價格向買方提供所需的備件。合同提供的所有設(shè)備的備品備件，5年內(nèi)如再需要購買，賣方保證能夠提供。