基于光纤分布式温度传感器的电缆安全监控系统的安装工程.doc

基于光纤分布式温度传感器的电缆安全监控系统的安装工程摘要：测温光缆安装和回路电流获取是基于DTS电缆安全监控系统安装工程的基本内容。本文汇总了有关的信息和工程实践经验。关键词：DTS 光纤分布式温度传感器 电缆安全监控 测温光缆安装 实时电流采集 变电站自动化系统 SCADA系统1. 引言最近几年DTS光纤分布式温度传感器开始被应用于高压电缆的安全监控领域。一个典型的基于DTS的电缆安全监控系统，通常包括一台监控主机，DTS测温子系统和回路电流采集模块。DTS子系统由DTS测温主机和连接至DTS测温主机的一根或多根敷设在电缆表面的测量光缆组成。监控主机实时获得到电缆表面温度和回路电流进行温度异常监控和负荷监控。为确保所采集的电缆表面温度的完整性和准确性，DTS测温光缆的敷设方案设计和安装质量至关重要；安装质量主要包括两个方面：测温光缆可靠地完全地覆盖设计要求的电缆和电缆附件，光缆和电缆或环境对象的空间位置映射关系被准确记录。虽然对于变电站自动化和电力信息管理系统，回路电流是一个基本的监控变量，很容易在其系统内部获得；但由于在系统架构中，基于DTS的电缆安全监控系统和它们处于并列关系。为保证控制和通信安全，并考虑到各个项目中变电站自动化系统和电力信息管理系统的差异性，在电流采集的设计和实施往往需要多方配合，根据实际条件制定合理的方案。在专业分工上，测温光缆安装和回路电流获取基本上属于基于DTS的电缆安全监控系统的机电安装部分。本文根据目前的现场工程经验，总结了相关的技术背景、设计和施工要点。2. 测温光缆安装工程2.1. 光纤选型按照光传输模式，测温光纤可分为多模和单模两种；DTS测温主机类型决定测温光纤的类型，并仅适用于多模和单模中的一种。目前绝大多数类型的DTS主机采用多模光纤，并同时适用于50/125和62.5/125两种常规的规格。因此，如光纤的选型先于DTS主机的选型，应优选多模光纤。对测温光纤的质量标准可参考关于通讯光纤的国家标准。2.2. 光缆选型按材料结构划分，用于电缆表面温度检测的光缆可分为全介质光缆和带不锈钢管的光缆两种；不锈钢管为非铁磁性的奥氏体不锈钢（如SS304或SS316）采用无缝焊接工艺制成，外径最小可达1-2毫米。不锈钢管的光缆的主要优点是永久性防水，缺点是柔韧性较差，弯曲半径较大；考虑到电缆的感应效应，不锈钢管外应有绝缘（低压绝缘强度）外护套，并设置接地点。在直埋和水浸没的环境中，优选不锈钢管的光缆；其他情况，应优选全介质光缆；为保证施工时不受拉伤，光缆的张力为250N或以上。为保证能够和电缆和电缆附件紧密接触，光缆应具有良好的柔韧性，其弯曲半径不大于50mm，外径不宜大于8mm；为提高测温的响应速度，需要光缆的具有较小热学惯性；因此在保证强度的前提下，应优选较细的光缆。一根测温光缆中通常包括2至3根光纤；通常只使用其中一根，其他作为备用。但有些类型的DTS测温主机支持一种称为双端检测模式，需要同时使用两根并行的光纤；虽然不太常见，但如果设计采用该方案，则测温光缆中需要包括3至4根光纤。由于空间定位需要，光缆表面应印有距离刻度，刻度其间隔为1米，误差小于0.1%。有一种光纤复合电缆，其将测温光缆预制在电缆绝缘层外和屏蔽层/护套之间。电缆的制造商根据工艺需要决定光缆的结构类型。光缆的现场安装工作主要是为电缆端头引出的光缆进行接续。2.3. 布局设计由于环境条件的不确定性，电缆热学瓶颈点可能发生在电缆全长的任何位置；因此，只要条件许可，测温光缆应尽可能覆盖电缆的全长，包括和终端连接的电缆端部。工程实践表明，突出至地面和户外终端连接的电缆尾端，在日间受大气和日照的影响，可能成为瓶颈点。对于重要的三相单芯电缆并行敷设的回路，应考虑光缆覆盖回路的每一相电缆；其他情况，光缆可仅覆盖其中一相，通常考虑选择其中散热最不利的一相。三相电缆在行进过程中可能交换空间位置，在这种情况下，光缆也应随之转移到当前散热最不利的一相电缆上。DTS主机的测温距离是重要的标定其工作容量的指标，从2千米到30千米之间。只要单根测量光纤维的长度不超过DTS主机的测温距离，光缆可以来回敷设，覆盖同一回路的若干电缆或若干回路。为使空间映射关系简单明了，覆盖的顺序应按照回路的相序和回路的序号。在基于DTS的电缆安全监控系统中，回路是基本的监控对象单元；为避免混淆，光缆未完全覆盖某一回路前不应跳至其他回路或其他热源。DTS通过一种成为光纤通道扩展器的设备可以引出两根或以上的测温光纤，每个光缆的长度仍然可以DTS主机的测温距离。DTS主机按照顺序，依次检测各根光纤；这样扩大了系统检测的总的空间长度，但作为代价，系统的检测周期变长了。在很多情况下，采用通道通道扩展器，一个通道的光纤完整地覆盖一个回路是一种良好的设计。见下图：2.4. 光缆的敷设2.4.1. 总体要求只要条件许可，应使测温光缆应和电缆和电缆表面可靠的接触；在人工可以接触的地方，应采用固定件将光缆固定。固定件通常采用非金属材料制造，如采用金属材料，应确保其为非铁磁性材料。固定件在工作环境中使用寿命不应小于十年。如果采用连续的扎带将光缆和电缆包裹，其包裹厚度和覆盖面积比应较小，否则增加的热阻会削弱电缆的载流量。电缆接头是温度监控的重点。测温光缆通过电缆接头时，采用双环折返敷设方式，沿电缆接头的纵向往返敷设三次（如下图所示），每次往返要在不同侧面位置，光缆之间表面距离通常不小于10厘米。使用胶皮和尼龙捆扎绳将测温光缆捆扎在电缆接头上，捆扎点之间距离通常不大于50厘米，并且光纤环的起始端、尾端、折返点均应进行捆扎，起始端和尾端可以根据实际情况捆扎在一起。光缆的应保留一定长度（通常不小于20米或按照DTS主机要求的最小尾纤长度）的尾缆；在光缆敷设完成时，应用热可缩端帽封堵端头，并将余缆盘圈后挂起或安放在托架上，不能将尾缆放于地下，以防止光缆端头被水浸泡。出于施工的原因，光缆每隔一定的长度会留有冗长。冗余的电缆应盘圈后挂起或安放在托架上，避免和其他回路的电缆或其他可能发热的物体接触。光缆的中间接头盒也应安放在合适的位置上，不可放于地下，以防止被水浸泡。光缆的接续可参照YDJ44-89电信网光纤数字传输系统施工及验收暂行规定有关条款。如果采用不锈钢管光缆，则设置接地点并在两段光缆连接处作可靠的电气连接。接地点通常设置在电缆接头处。将光缆外护套剥去1厘米长的一段（如下图所示），露出不锈钢护管，将接地线的一端连接在在不锈钢护管上，另一端接地。接地线可采用2.5平方毫米或以上的铜线。接地电阻应小于1欧姆。光缆安装完毕后，除了要提交必要的过程施工记录外，还应提供光缆-电缆空间映射关系表；该表有一系列的光缆段记录构成，每个光缆段仅覆盖一个的对象。其记录结构如下：光缆标识号光缆起点刻度光缆终点刻度覆盖对象描述光缆的起点和终点刻度为光缆上的标志的长度刻度。对象可为一段电缆，一个电缆接头，一个跳空，一段光缆余长，一个穿越的环境（如防火墙）等。光缆中间接头盒也是一个对象，其起点刻度和终点刻度分别取自起连接的两个光缆端头的长度刻度。一个良好的光缆-电缆空间映射关系表应按照顺序，没有遗漏地记录每根光缆全长范围内每段的位置信息。2.4.2. 隧道电缆由于人力可以接触到电缆，光缆可以通过固定件可靠地固定在电缆表面。对于并行敷设的单芯电缆或三芯电缆，目前较常规的方法采用尼龙扎带将测温度光缆固定在电缆的顶面；对于三角形叠放电缆，除了需要尼龙扎带外，还需要借助一个具有特定结构的固定块将光缆定位于一相电缆的顶面。该固定块可以由橡胶或塑料铸造。安装完毕的光缆应不受拉力，主要依靠重力贴合在电缆顶面。扎带的固定间距视具体情况制定，通常在1-3米之间；对于已经安装固定夹具的电缆，光缆可从夹具上越过，这时扎带的位置可设置在电缆夹具的两侧。对于光缆贴合电缆的紧密度要求，可描述为：在电缆的任意一米内，至少有75%的长度和光缆的间隙小于0.5毫米，其中至少有一点接触到电缆表面。2.4.3. 直埋电缆直埋电缆只有在回填前实施光缆安装。由于人力可以直接接触到电缆，其安装过程和隧道电缆相似。为保证回填后光缆不发生位移和受力，应采用更可靠的固定位置和固定方法。一种被证明有效的方法为：采用宽约50毫米的粘胶带沿电缆纵向将光缆粘贴在电缆的顶面，并间隔3米用尼龙扎带固定。粘胶带并非永久性固定材料，但在回填和早期土壤可能发生迁移的阶段，可确保光缆不发生偏移。2.4.4. 排管电缆对于排管电缆，光缆通常只可能在电缆穿管完毕后，再进行穿管敷设的。在电缆井等暴露在人力接触范围内的电缆段和电缆附件，可以按照隧道电缆的光缆安装方法实施。显然，对于排管内的电缆段，没有有效的方法可以保证光缆可靠地接触电缆表面。但电缆表面到排管内的流体（水或空气）的热阻比较小，光缆即便悬空在该流体内，所测的温度很接近电缆表面温度。有关试验和现场实测也证明了这一点。因此，穿过排管的光缆只要不发生断纤和无高损耗点即可，对其形位和固定不作要求。为使光缆穿过排管，需要借助穿管工具，通常为玻璃钢穿管器。如果排管内壁和电缆表面较光滑，可直接牵引光缆；相反的情况，应考虑采用先牵引塑料光缆子管，再从中牵引光缆，然后再将光缆子管拉出。排管电缆的测温度光缆的敷设具有其特殊性：在非开放条件下，人员和工具和材料布放被限制在电缆井处的狭小空间内，施工难度较大，需要认真制定施工方案。2.5. 施工技术要点光纤具有纤芯细、重量轻、质底脆弱、易受损伤的特点，在施工过程中应注意以下要点： 放出的光缆应严格保护，不能压、砸、损伤等； 光缆的工作弯曲半径应大于光缆外径的15倍，在施工中应大于光缆外径的20倍，这对于保证光缆的安全非常重要；布防时光缆必须从盘的上方放出，并保持松弛弧形，光缆在放出及布放过程中不能出现扭转、打小圈等现象； 布放光缆的牵引力应不超过光缆允许张力的80%，瞬间最大牵引力应不超过允许张力的100%，主要牵引力应作用在加强件上；人工牵引时应匀速，以不超过10m/min；机械牵引时应匀速，以不超过20m/min为宜，调节方式应为无级调试； 当采用机械牵引时，为防止在牵引过程中扭转损伤光缆，牵引端头与牵引绳之间应加转环以释放扭转力；应根据牵引长度、地形条件、牵引张力等因素合理的选用牵引、中间辅助牵引或分散牵引等方式；2.6. 施工组织工作敷设光缆前，必须做好各方面的准备工作，主要包括人员、器材、资料、场地、施工方案、技术支持及后勤保障等。人员准备包括施工技术力量和普工的到位、技术培训、组织结构建立等；资料准备主要包括设计资料、施工验收规范、行业标准、配盘和路由情况等资料的到位及熟悉；施工方案主要包括不同环境和不同条件下，光缆布放的预案建立、组织实施人员、意外情况处理等。为了保证敷设和准备工作的安全进行，组织者必须重视安全工作，保证施工人员和现场工作人员的人身安全。首先，在打开人井铁盖时，应在人井周围布上黄色警戒线，夜间应安置红灯作以警示信号。在繁忙的十字路口，应指派专人维护交通，或增加警示信号设备，防止发生事故。光缆、施工车辆和各种机具应放在街道旁或人行道旁，以免影响交通，在交通繁忙地区，应尽量选择不妨碍交通的时间和施工方法。其次，进入人井，若发现人井及电缆沟里有大量的积水，应该先将其抽干，然后必须做好人井的通风工作，排除人井内的有害气体，待通风工作进行约10分钟后，才可以下井工作。下井后通风设备不要拆除，在保持通风的状况下进行工作。光缆布放时应有专人负责检查外护层的完好程度，发现问题，做好标记；光缆开放后，及时进行外护层的修复，以防留下隐患；特殊地段预留的余缆长度必须按设计要求进行，不能太短，以免影响到下一步的工作；也不能太长，造成不必要的浪费；接头点预留光缆应妥善地置于接头坑内，断头必须做密封处理，防止光缆进水；暂时不接续时，必须保护好光缆端的交叠部分。3. 回路电流采集3.1. 概述回路电流作为最基本的电网负荷变量之一，在控制和信息系统的各层均能访问。下图给出了电流的数据流图。通过安装在电缆上的电流互感器，变电站自动化系统实时检测电缆电流，除了将其作为内部的控制变量外，还将其发送至远程的SCADA系统；MIS管理信息系统通常可以访问SCADA系统的数据库读取到电流数据。该数据流共涉及四个层。下文提供了分别在这四个层获得电流的方案。3.2. 现场即在电缆上新增电流互感器。这意味这基于DTS的电缆监控系系统自带电流检测装置，而不依赖现有系统；这是该方案区别以下三个方案的重要特征。当然，为实现电流采集，还需要电流变送、模数转换等硬件设备。对于安装完毕的电缆，电流互感器必须是开口型的；电流互感器的精度要求为0.5%；为保证不发生二次回路开路拉弧的发生，应在其出线处并连过压保护器。电流互感的设计和安装涉及的安全问题，应认真对待。3.3. 变电站变电站自动化化系统内部分三个子层：设备层、间隔层和站控层。虽然在设备层，可以在现有的电流互感器二次侧以串联的方式增设电流变送器和数据采集卡来实现。但由于涉及和现有检测设备的直接耦合，通常不采纳该方法。事实上，在间隔层和站控层可以通过串口从控制器或工作站读取回路电流。技术上安全的作法通常为：控制器或工作站采用单向传输的CDT规约定时向外广播电流数据。为保证电气连接安全，可