电磁能量采集型电缆隧道综合监测系统.docx

电磁能量采集型电缆隧道综合监测技术 杭州休普电子技术有限公司1 概述1.1 电缆隧道安全监测的意义电缆隧道为敷设和运行在其中的电力电缆提供了一个良好运行环境。就电力电缆运行条件而言，运行于隧道环境中的电力电缆通过敷设方式的优化、环境因素的改善和控制将直接影响到电缆实际载流量和运行寿命的提高；就电力电缆本体而言，隧道的建立使得实现对电力电缆的绝缘状况、电缆的运行温度特别是电缆接头的温度变化等关系到电缆运行安全的实时运行状态监视成为可能。上述所有影响电力电缆正常运行的因素和保证电缆状态的措施就是电缆隧道运行和环境监控的基本内容。发展到今天，各类测温消防报警系统、消防与通风设备的联动系统以及通信系统等以火灾预警和消防控制为主要目的各类功能性装置已在电缆隧道中得以普及并开始尝试各功能装置间的协调和简单集成，这些装置的应用，在一定程度上保证了电缆隧道的安全运行。1.2 设计原则1、以确保隧道运行，人身安全和电缆输送能力为目的，对隧道实行统一监控和集中管理2、建立多级、分功能、多系统集成计算机网络，完成智能监控、操作、维护、通信、资源共享等功能，各子系统保持相对独立性，且均有自诊断功能，以便及时准确地发现异常和故障，并能迅速地清除故障。3、设备选型应考虑隧道内的工作环境，尽可能采用成熟技术及产品，关键设备计算机采用冗余配置，确保系统可靠性。4、系统具有开放性、可靠性、先进性、可扩展性等特点，同时必须具有高速、实时、可靠检测隧道内运行状态以及检测各类事故、灾情的能力，还能掌握各类管理信息，及时做出有效的措施。主系统具有开放性，子系统具有可扩展性余留管理的网络接口和通信接口。5、为便于对电缆隧道进行科学化管理，还应从“人性化”的角度将多个子系统进行整合。1.3 主要功能电缆隧道监控系统是整个电缆隧道运行管理的指挥、调度中心，其主要功能将涉及对隧道内运行的电力电缆本体的实时状态监测、隧道环境和辅助设施工作状态的监视以及特殊事件的预警及应急处理等三个层次。首先系统应能完成对隧道内电缆实际运行状态的信息的采集，在此基础上通过综合计算和深入分析以实现对电力电缆这一隧道内主要电气运行设备实际工况和环境的实时监测和掌控，确保电缆的安全和性能的可靠，使之正常高效运行并满足电网要求；其次，系统通过对隧道内环境信息和一系列辅助设备系统工作运行状态的监视以控制和提高整个隧道系统运行环境的可靠性和相应控制与调整的有效性；再次，能对灾害、电缆损伤、电缆盗取及电网事故等事件进行尽量准确的预警，并在事件发生时能通过人性化的人机交互和必要的预案和智能手段及时有效地控制和处理将事件影响范围限制在最小范围内，保证电网安全稳定和人身安全。电缆隧道监控系统对电缆及隧道监控的实现，并不是简单地对应各类功能需求设置相关的辅助设备并分别完成相应的监视和控制功能，而应在构建完善的计算机综合监控系统的前提下以网络化、集成化和数字化的方式将隧道内所有相互独立的辅助设备纳入一个系统范围内，进行有机的集成，在信息充分共享的基础上实现高度智能和系统的联动，使之形成一个综合性的监控系统。根据现有电缆隧道运行经验并结合电网不断发展对电缆隧道运行的要求，电缆隧道监控系统具体应具备下列监控功能：1、对电力电缆运行状况的实时监测2、通过监测电缆护层电流来监测电缆的护套绝缘状态3、对盗取电缆行为的实时监测报警4、智能化的综合处理能力和人性化的人机界面（事件报警、定位、信息的多媒体显示、应急预案等）上述具体监控功能中，对电力电缆运行状况的实时监测是现行电缆及隧道运行管理的薄弱点，应作为电缆隧道监控主要突破方向；对电缆隧道运行环境和辅助设施状态的监视应向信息采集整体化、场景显示多维化发展，以完全替代传统的人工巡视方式；对隧道内火灾报警、消防联动设备的控制，则要求在现行隧道火灾报警系统上重点发展多信息综合处理、预警技术和辅助设备系统智能联动功能；人性化的人机交互和必要的智能控制决策手段（包括事件报警及定位、信息的多媒体显示、高级应用软件等）是提高电缆运行管理效率，减轻运行管理人员的劳动强度的有效手段。2 执行/引用标准本系统方案设计遵循“功能齐全，技术先进，实用可靠，扩展性好，有利管理，投资合理”的原则，完全符合国家标准，行业标准以及中华人民共和国公安部有关条例和规范，包括：IEC 62498.3-2010轨道交通设备环境条件第3部分：通信和信号设备GB/T21197-2007线型光纤感温火灾探测器SY6503-2000可燃气体检测报警器使用规范GB50166-92火灾自动报警系统施工及验收规范SY/T10045-2003工业生产过程中安全仪表系统的应用ISO9001国际标准化管理体系GPT75-94中华人民共和国公共安全行业标准防盗报警控制器设计规范GAT75-94中华人民共和国公共安全行业标准安全防范工程程序与要求GBJ23-90、92 电气装置安装工程施工及验收规范JGJ/16-92民用建筑电气设计规范GB/50198-94民用闭路监视系统工程技术规范以上仅列出了主要标准但不是全部,采用上述规范及上述规范所指定的规范应为最新版本。3 系统构架3.1 概述由杭州休普电子技术有限公司研发的电磁能量采集型电缆隧道综合监测技术，包括隧道电缆温度监测及载流量监测子系统、电缆护层电流监测子系统、环境监测子系统、视频监测子系统等四个系统。其中温度和载流量的监测采用电磁能量采集型无线传感器和分布式光纤监测共同实现。系统使用先进的载流量监控系统，该系统在对电缆缆表温度监测的基础上，进一步对载流量进行监控。是一套基于动态载流量模型（DCR）和分布式光纤测温技术（DTS）的电缆安全在线监控系统。该系统可以监测长距离电缆表面的温度，且根据动态载流量模型推算出实时导体温度，对电缆进行负荷计算，系统可设置高温预警、高高温报警、温度异常报警等诸多功能，系统通过监测电缆护层电流来监测电缆的护套绝缘状态。为电缆的安全监控和负荷管理提供了有力的手段，有效地提高了电缆的输电能力和资产利用率。3.2 系统结构总图4 电缆温度监测及载流量监测子系统4.1 隧道电缆监测及火灾报警系统功能杭州休普电子技术有限公司测温系统是国内最先进、也是最稳定的。主要由无线传感器监测和光纤传感监测两部分组成。在电缆的两头采用电磁能量采集型无线测温的方式装设SPS063传感器，实时监测电缆的温度和载流量，在现场可以直接观察温度和载流量数值，并且具备现场声光报警。分布式光纤测温系统通过电缆及隧道沿线敷设的测温光纤，实时监测长距离隧道系统的温度，及时发现电缆及隧道过热点、异常点，保障电力电缆的安全运行、对隧道系统的火灾预警提供高效率、高准确率的监测方案。4.1.1 测温技术参数：无线温度传感器作为系统的感知层，分布于各个发热点，实时测量其表面温度，并将温度数据通过无线方式上传给接收终端。 接收终端在系统中承担着数据中继功能，它接收到传感器的数据之后再通过光纤、485 或者无线等方式传输给数据后台，他们形成了系统的网络层。 数据到达后台后，用户可以通过浏览器方式监测现场每个传感器的实时温度、历史曲线，如果出现超温情况，可以快速定位并及时通知相关人员。这就是系统的应用层。 两端无线测温原理 无线测温传感器SPS063的技术参数型号4公里机型10公里机型20公里机型测量距离4km10km20km取样间隔1米1米1米定位精度1米1米1米测温范围-120+400摄氏度-120+400摄氏度-120+400摄氏度温度精度1摄氏度1摄氏度1摄氏度温度分辨率0.1摄氏度0.1摄氏度0.1摄氏度单通道测量时间3秒5秒20秒工作特性工作温度贮存温度工作湿度最大工作海拔光纤类型光纤接无凝结4000米(50/62.5)/125 多模光纤FC/APC尺寸(W x H x D)482 x 177 x 480 mm (19 x 7 x 18.9)重量16.5 kg (31.9 lb)通信接口RS232、Ethernet、USB电源AC220V10%激光辐射等级1M4.1.2 电缆测温系统功能；1) 具有自检功能，可实时监测运行状况，并对故障点进行报警；2) 可进行分区管理，能显示检测分区的温度，并能按分区定位；3) 温度信号（火灾）声光报警；4) 定温报警温度可设置为：6595；5) 报警级别设定：预警、火警2级报警报警级别设定：预警8090；、火警2级报警95以上6) 可进行差温报警，并可设报警值；7) 可根据温度升高的速率进行报警，并可设定报警速率值；8) 可连接至监控计算机实现数据管理功能；9) 报警设备上具有人工复位按钮，出现报警后必须确认复位后才能取消报警4.1.3 电缆测温光纤的敷设方式如上图所示，对关键及单独铺设电缆进行单根紧贴安装；对电缆沟架等多根电缆部分，可采用蛇形铺设，光纤与电缆用专用固定件安装固定。4.1.3.1 电缆表面测温光缆的安装电缆表面绑扎：分布式光纤测温系统采用每回路电缆敷设一条测温光缆的方式来测量电缆缆表温度，测温光缆固定在待监测电缆回路上，在电缆中间接头采取加强敷设来实现对电缆接头的重点监控。电缆本体绑扎规则：1.探测光缆采用每回路电缆敷设一条测温光缆的方式，在电缆中间接头及终端部位采用双环折返敷设方式。2.探测光缆绑扎固定方式为可拆卸式，固定间距为100厘米，测温光缆安装在电缆侧面，并保证测温光缆与电缆外护套紧密接触。外敷光缆电缆品字形放置时测温光缆的敷设3.电缆品字形摆放时，采用固定夹具、将测温光缆紧密地附着在一相电缆上，并通过尼龙绳或胶带进行绑扎固定，确保测温光缆与电缆表面紧密接触。4.遇到电缆固定夹具时，采用跳跃式敷设测温光缆，在夹具两侧10cm至20cm处分别使用绑带进行绑扎；5.测温光缆每500米预留长度为10米的光缆余量环；6.光缆拐弯时，弯曲半径应大于5厘米。7.光缆接头处使用光缆接头盒。光缆接头盒、终端保护盒应具备高防水密封性能，光缆接头盒应固定于高处，不得放置在地面或支架上。8.在电缆监测的始端、终端、机柜底部及中间接头处测温光缆上挂铝质标牌（40mm40mm），标识测温对象、所在区域、长度等信息。电缆接头绑扎：1.采用双环折返敷设方式，沿电缆接头的纵向往返敷设三次，每次往返要在不同侧面位置，光缆之间表面距离不小于10厘米；2.使用尼龙扎带将测温光缆绑扎在电缆接头上，绑扎间距应不大于50厘米，并且在光缆环的始端、尾端均应进行绑扎，绑扎时应保证测温光缆有较大的弯曲半径；4.1.3.2 光缆余量的设置光缆余量，也称之为光缆环，主要用于光纤测温系统定位、测量环境温度、防止测温光缆敷设过程中光缆损伤所采用的一种措施。其设置场景如下：（1）测温光缆应每隔500米设一光缆余量段；（2）测温光缆穿越不同的区域（如从电缆层进入电缆隧道）应设一光缆余量段；（3）测温光缆从一个电缆跳转至另一电缆上应设一光缆余量段；（4）需要测量环境温度时，可通过设置光缆余量段来实现；（5）在测温光缆的尾端，应设置光缆余量段来实现终端显式定位，并在尾端进行防水处理；（6）在测温光缆的始端，应设置光缆余量段来实现始端显式定位；设置要点：（1）余量段长度为10 15米；（2）使用34个尼龙扎带将余量段绑扎成环状；（3）牢靠固定，并且保证出入环处的光缆有较大的弯曲半径；4.1.3.3 光缆的熔接在以下三种场景处需要进行光缆的熔接操作：（1）不同光缆盘之间接续；（2）光缆断点处；（3）光缆较大损耗点处；熔接步骤：（1）剥开测温光缆长度约50cm左右；（2）固定测温光缆剥开部分至接头盒内；（3）清洗测温光纤；（4）穿热缩管，对于多纤光缆完成分纤匹对；（5）制作光纤端面，并熔接；（6）盘内光纤固定；（7）密封光缆接头盒，并牢靠固定于高位；4.1.3.4 光缆接头盒固定固定要点:（1）光缆接头盒应采用螺钉方式进行固定；（2）测温光缆在接头盒的进出口处应有较大的弯曲半径；（3）对于潮湿的敷设环境，应对光缆接头盒进行密封处理；（4）接头盒应固定工作人员不易接触之处；4.1.3.5 隧道温度探测光缆安装安装工具：膨胀挂钩、膨胀挂环、花篮挂钩、钢丝绳卡、钢丝绳、光缆固定件（光缆托卡）安装方法：通过测量，在隧道顶端找出安装膨胀挂钩（膨胀挂环）的位置，并将该位置做好标记。使用手电转等打孔工具在标记处转孔，孔的深度根据膨胀挂钩底部膨胀螺杆的长度而定，一般孔深约45mm左右。将膨胀挂钩（膨胀挂环）尾端膨胀螺杆放入空洞内，两个膨胀挂钩（膨胀挂环）之间的距离为20米。钢丝绳头穿过花篮螺栓的挂钩后张紧并用钢丝绳卡紧固，将花篮螺栓的另一端挂在膨胀挂钩（膨胀挂环）上。牵引钢丝绳沿着膨胀挂钩向前，到达下一个花篮螺栓处，在稍有余量且不浪费的前提下降钢丝绳剪断。钢丝绳穿过花篮螺栓，将花篮螺栓的另一端挂在膨胀挂钩（膨胀挂环）上。观察钢丝绳水平度，张紧钢丝绳。花篮螺栓之间的间隔约为100米。使用光缆固定件（光缆托卡）将光缆固定在钢丝绳上，每隔1米左右使用固定件进行固定。4.2 电缆载流量监测功能分布式光纤测温技术通过监测电缆的温度场分布，结合载流量分析的软件，可以进行电缆载流量监测。它采用分布式光纤传感器实时检测各相电缆全长范围内的电缆表面温度，结合电缆结构和实时电流，计算出电缆线芯温度，进一步推算出动态载流量并模拟各种运行状态。模型包括了多态环境的考虑，可以适应复杂环境中的应用，监测电缆的温度异常和负荷安全水平，在发生危险和潜在危险时，发出报警。利用光纤测温系统，通过安装载流量计算软件系统；本系统读取监控平台电缆分布温度和回路电流，实时显示各回路分布温度、负荷电流、计算的导体温度和短时应急负荷；在发生过负荷风险时发出报警。优化系统调度，提高电缆运营能力。4.2.1 监测过程图示4.2.2 系统特点1.准确性全局状态刷新（新的分布温度或负荷电流读入后完成全部必要状态刷新，包括报警输出）时间不小于500ms；显示电缆实时分布温度、瓶颈点位置和负荷温度响应曲线，各种图形刷新时间小于200ms；实时导体温度计算误差小于+/-2。2.灵活性监测系统提供的是一个连续的动态监测信号,系统可设置多级导体温度点报警即系统支持多级报警，可以根据环境不同进行报警点温度参数设定；为避免误报发生，针对事故发生前的温度变化率大的特点,在报警设置中可设置温度变化率阈值进行监测,当监测到温度变化率大于该值时发出报警信号,并提供相应的信号输出；多种报警条件，只要满足一条，系统就会立即产生报警。可根据现场要求对取样间隔进行调整，最短取样间隔为1米；报警控制区可编程,并可按照用户的要求进行灵活设计，每一系统可针对环境变化可设置不小于500个不同报警控制区域。3.安全性系统软件授权管理，安全可靠，用户可以对系统今后的升级和维护进行更新；系统具备安全记录功能，可储存系统运行以来的所有历史数据，并可使用便携式计算机下载有关数据；4.2.3 系统功能1.提供一个全局视图：可呈现监测的所有回路的布局图；显示各回路报警指标的当前的量值；2.电缆结构按需建模：系统算法符合IEC相关标准，可以根据用户的实际电缆结构参数和敷设情况建立电缆结构模型，提供精确的算法。3.电缆静态载流量模型建模：根据电缆结构、边界温度、周边环境等为基准建立电缆静态载流量模型，可用来校验DCR模型参数和电缆厂商/电缆系统设计师的参数的一致性。4.电缆多层温度细节展现：可分别显示电缆上各点当前的导体温度、表面温度、边界温度，瓶颈点空间位置等详细信息，并分别以文字及图形方式展现在界面上，方便用户直观查看。5.动态载流量曲线展现：可显示电缆上任意一点以时间为横坐标的导体温度、表面温度变化情况，以分布式曲线的形式展现给用户，并可同时显示此位置点负荷电流的情况。系统可提供三个时间尺度的分布式曲线。6.短时许用电流计算：系统可由动态载流量模型计算出短时许用电流，供用户进行电缆负荷调度。7.无人值守：可手机短消息报警，报警分工作级和管理级两层，按照事件的重要级别发送到工作人员和全部人员（包括负责人）；用户自定义报警事件的报警等级和接收人群。8.在事件发生时，发出声光提示：要求主界面给出报警事件提示对话框或其他显著的提示方法，根据事件等级发出不同的警铃声。9.温度细节放大显示：可按照用户鼠标选定显示任何一局部温度细节。可同时呈现多至20个实时图形窗口，实时显示线路上的温度变化的分布曲线，计算变化的时间步长分别为日、小时和设备实时周期。10. 多级报警转换机制：当安全状态发生转移时，系统根据实际情况进行报警等级转换，安全事件信息格式：时间事件等级/类型对象指标类型位置信息指标状态信息；安全事件等级：相关联的安全状态的最大值。11. 报警阈值在线设置：可在线设置区域报警触发值，根据用户需求设定不同区域不同的报警触发值。12. 历史事件显示：可在操作界面中点击查看历史事件列表。历史数据现有配置可保存10 年的数据；利用保存的测量数据对电缆的历史运行情况进行分析，能及时发现问题，防患于未然。13. 多区域配置功能：能对整个测量范围在长度上进行分区，分区数可达500个以上。系统可对每个分区进行分别配置，对某些区域进行重点监测。14. 计算和报警数据回写数据库：根据集成商的给定的数据地址，实时将计算的各回电缆导体温度、短时应急负荷和报警信息回写入数据库。显示电缆监测温度及报警状况界面：电缆护层电流监测子系统4.3 系统配置系统通过监测电缆护层电流来监测电缆的护套绝缘状态。硬件系统由护层电流监控主机、护层电流传感器、护层电流采集器和通信电缆构成。当接地电流有异常变化时及时发出警报，保障电力电缆安全运行。采用现场总线以光缆以太网方式将监测数据发送给中心服务器，同时中心服务器根据现场情况进行相应的数据分析、管理和故障判断，用户可浏览各监测点的电缆运行状态，同时可通过手机接收故障报警信号。4.4 系统功能1)接地电流有效值测量；2)接地电流频率特性测量；3)接地电流阈值报警；4)接地电流趋势数据存储与查询；5)接地电流暂态变化参数分析；6)软件界面为中文，关于界面接头状态显示应具备组件化显示；7)报警时接头组件应具备三级报警显式区别展示；8)关于报警等级应具备三级以上报警；9)具备护层电流报警、比例报警、变化趋势报警等四种以上功能；10)采集装置具备线路电流接入功能；11)采集装置应具备以太网口；12)采集装置应具备扩展功能：增加三路护层电流接入或者三路温度数据接入功能；13)上位软件系统应历史数据管理功能，历史数据保存时间应大于3年；同时应具备历史数据自动清除功能；4.5 电缆护层电流监测系统构成电缆护层电流监测系统装置采用电流互感器测量，每监测点至少应包含3个钳形电流互感器、1套护层电流信号采集器，连接电缆通讯电缆、系统接地等。所有接头处必须密封，密封按不低于IP66的要求处理。互感器安装支架需采用无磁绝缘材料制作，以保证测量的效果。并做好相应的防护与防水保护。以及绝缘隔离，应考虑采用填充绝缘介质的方法达到高于300KV的隔离能力。1）引线采用外包塑软管防护，引线长度不少于5米。2）互感器需进行防水密封安装，要求：电流互感器内径表面应与高压线缆外表面直接需使用绝缘隔离材料填充，紧固件需采用无磁绝缘材料；防水接头朝向水平地面避免水流浸入等。3）走线应合理美观，遵循垂直或平行走线法则，转接线缆应有PVC套管防护。4）防水接头应能完全缩紧线缆且能紧固外包塑软管，防潮防水防尘。5）电流互感器应在明显位置，且固定标识牌；标识牌上应注明互感器编号、运行管理单位名称和联系方式。A、防水盒强度满足GB/T 14153-1993 硬质塑料落锤冲击试验方法通则。B、防水性能应满足GB4208-2008外壳防护等级（IP代码）的IP67标准。护层电流信号采集器提供独立的电流有效值信号与频率脉冲信号。电流有效值信号规格为420mA，精度为0.2%，转换响应时间不大于10mS。频率信号范围为0.1Hz1MHz，幅值为12V。护层电流信号采集器供电规格为DC24V6V，最大功率消耗不大于2W。信号连接端子不小于2.5规格。需就地安装在设备盒内，设备盒材质为铸铝，设备盒应具有不低于IP65的防护能力。4.6 电缆护层电流监测系统技术要求实时测量电缆线路金属护套的接地电流，当接地电流超过报警设定值时进行预警或报警。当接地线被盗时也会立刻报警并告之被盗接地线的具体位置，并通过短信将报警信息发给值班人员。4.7 护套电流传感器技术参数：1护层电流范围0100A AC50Hz2过载能力20倍标称输入值，持续5秒3穿孔尺寸25mm4精度等级1级5线性范围0%100%标称输入6频率响应DC3kHz7响应时间300mS8辅助电源+12V，+24V，12V9失调电压25mV（输入电流为零，环境温度+25时）10隔离耐压2.5KV，50Hz，1min 11相对湿度95%13温度漂移0.01%/5 隧道环境监测子系统5.1 系统组成环境监测系统包括：气体传感器、超声波水位计、湿度传感器、井盖开启传感器，报警主机（一种带报警的信号采集器，挂墙式的）。气体传感器包括：一氧化碳传浓度感器、氧气浓度传感器，硫化氢浓度传感器、甲烷浓度传感器。报警主机气体传感器超声波液位计井盖防盗器气体传感器采用进口催化燃烧式传感器，具有响应时间短、使用寿命长、准确性高、抗干扰性强等特点，检测灵敏度处于国内同类产品领先水平；采用铸铝合金外壳，表面烤漆，防爆、防尘、耐腐蚀，能够满足各种环境的要求。，一般安装在隧道洞壁上，每隔50m安装一只传感器，然后通过485的线把信号传输到报警主机处理，报警主机把所有的信号打包把数字信号转成光信号通过光纤传输到中控室的主机上。每个报警主机可接32个传感