牽引供電系統(tǒng)電纜及電纜頭在線監(jiān)測技術(shù)適用性分析

1 引言

21ic智能電網(wǎng)：近年來，隨著《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》的調(diào)整實施，我國鐵路加快建設(shè)發(fā)展，以建設(shè)客運專線、區(qū)際大能力通道、西部開發(fā)性新線為重點，鐵路營業(yè)里程不斷增加，線路質(zhì)量和技術(shù)等級不斷提高，從而為人民出行、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、國防交通需要提供了可靠的支撐和保障。

當(dāng)前，在鐵路客運專線的牽引變電所設(shè)計中，高壓輸電電纜正在牽引供電系統(tǒng)得到越來越廣泛的應(yīng)用。這類電纜分布在沿線牽引變電所所內(nèi)以及接觸網(wǎng)上網(wǎng)處，受加工工藝、施工質(zhì)量、運行工況以及運行環(huán)境的影響，牽引供電系統(tǒng)的27.5kV電纜及電纜接頭故障率較高。而輸電電纜的正常工作與否直接關(guān)系到鐵路客運專線的正常運營。

由于鐵路沿線電纜接頭眾多且分散，不易人工巡視，因此，在線監(jiān)測高壓輸電電纜及其接頭的工作溫度，可及時發(fā)現(xiàn)電纜過熱現(xiàn)象，避免由于高壓輸電電纜故障造成的鐵路運營事故，具有十分重要的意義。

電纜溫度在線監(jiān)測技術(shù)在我國已經(jīng)有了較為長期的發(fā)展，實現(xiàn)手段比較多，而且應(yīng)用也比較廣泛[1] [2]。但由于此類產(chǎn)品沒有相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)或者行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，造成產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊，針對不同的應(yīng)用環(huán)境尚沒有成熟、統(tǒng)一的解決方案。為了便于此項技術(shù)在我國鐵路系統(tǒng)的應(yīng)用，本文對現(xiàn)有的各種電纜在線測溫技術(shù)進(jìn)行了介紹，并針對電氣化

鐵路實際情況，對各種技術(shù)的適用性進(jìn)行了比較。

2 現(xiàn)有電纜在線測溫技術(shù)原理及特點

目前，在實際工程應(yīng)用中，電纜在線測溫技術(shù)按原理不同主要有光纖光柵測溫、分布式光纖測溫、紅外測溫、無線測溫等4類產(chǎn)品。

2.1紅外測溫技術(shù)

一切溫度高于絕對零度的物體都在不停地向周圍空間發(fā)出紅外輻射能量。物體的紅外輻射能量的大小及其按波長的分布——與它的表面溫度有著十分密切的關(guān)系。因此，通過對物體自身輻射的紅外能量的測量，便能準(zhǔn)確地測定它的表面溫度，這就是紅外輻射測溫所依據(jù)的原理基礎(chǔ)。

紅外測溫技術(shù)屬于非接觸式測溫方式，不改變柜內(nèi)原有的接線及結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)在現(xiàn)場一般由紅外溫度傳感器和數(shù)據(jù)采集器組成。紅外溫度傳感器安裝在每個監(jiān)測對象附近，將溫度數(shù)據(jù)通過信號電纜傳入數(shù)據(jù)采集器。數(shù)據(jù)采集器一般安裝在開關(guān)柜柜門上，一般可以接入6只傳感器溫度信號。

下圖紅外測溫系統(tǒng)方案示意圖。

圖1：紅外測溫系統(tǒng)方案示意圖

2.2無線測溫技術(shù)

在工業(yè)控制環(huán)境下的短距離無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已成為近年來的研究熱點之一，基于Bluetooth(IEEE802.15.1)、Wi-Fi(IEEE802.11)和ZigBee(IEEE802.15.4)等協(xié)議的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相繼問世[3]。其中ZigBee短程無線網(wǎng)技術(shù)以其數(shù)據(jù)傳輸安全可靠、組網(wǎng)簡易靈活、設(shè)備成本低、低功耗等優(yōu)勢，在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

基于ZigBee的無線測溫技術(shù)即通過無線通訊方式將傳感器測量的溫度數(shù)據(jù)向外傳遞。帶有ZigBee天線的溫度傳感模塊直接安裝在被測試設(shè)備上，與數(shù)據(jù)接收裝置之間沒有直接的電氣聯(lián)系，所以該技術(shù)也認(rèn)為是非接觸溫度測量技術(shù)的一種。它最大的優(yōu)點在于傳感器本體無須任何接線，并不受安裝場合的限制。

該系統(tǒng)主要由無線溫度傳感器和數(shù)據(jù)采集器組成。

無線溫度傳感器一般由控制器、無線通信模塊、溫度傳感器和電池組成，根據(jù)現(xiàn)場情況的不同，可通過粘結(jié)、尼龍扎帶等方式將測溫模塊固定在被測物體上。傳感器采用免申請的2.4G通信頻段，并由電池供電，一般可保證工作5年以上。下圖為無線測溫系統(tǒng)的原理圖。

圖2：無線測溫系統(tǒng)的原理圖

數(shù)據(jù)采集器可以接收、上傳、管理、轉(zhuǎn)換其所在范圍內(nèi)的溫度傳感器，并帶有液晶顯示溫度功能，可安裝在開關(guān)柜的柜門上。

下圖為無線測溫系統(tǒng)方案示意圖。

圖3：無線測溫系統(tǒng)方案示意圖

2.3光纖光柵測溫技術(shù)

光纖傳感技術(shù)是20世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來的一門新技術(shù), 它是伴隨著光纖及光通信技術(shù)的發(fā)展而逐步形成的。

光纖光柵測溫系統(tǒng)是一種準(zhǔn)分布式溫度監(jiān)測系統(tǒng)，光纖光柵測溫系統(tǒng)是利用光纖材料的光敏性在光纖纖芯形成的空間相位光柵來進(jìn)行測溫，光纖光柵傳感器的傳感過程是通過外界參量對布喇格光柵中心波長的調(diào)制來獲取信息，是一種波長調(diào)制型光纖傳感器[4] [7]。

光纖光柵采用均勻周期的光纖布喇格光柵，這種光纖光柵的作用實質(zhì)上是在纖芯中形成一個窄帶反射鏡。當(dāng)寬帶光傳輸?shù)焦鈻盘帟r，光柵將有選擇地反射一窄帶光。所反射窄帶光的中心波長

(即布喇格波長)由光柵常數(shù)決定，光柵常數(shù)即光柵的條紋周期

和光柵的有效折射率

它們滿足模式耦合理論的一級近似相位匹配條件：

當(dāng)光纖光柵的溫度發(fā)生變化時，由于光纖材料的熱脹冷縮以及熱光效應(yīng)，光纖光柵選擇性反射的布喇格波長會發(fā)生變化，變化的大小為：

上式中右邊第1項為熱膨脹效應(yīng)：因熱膨脹引起的條紋周期變化，

為光纖的熱膨脹系數(shù);第2項為熱光效應(yīng)：因溫度變化引起的折射率變化，

為光纖的熱光系數(shù)。實驗表明，在常規(guī)的溫度范圍內(nèi)α和β保持為常數(shù)，波長變化與溫度變化保持很好的線性關(guān)系，因此只要測得光纖光柵的布喇格波長，就可知光纖光柵的溫度。

光源發(fā)出的光經(jīng)放大后，由光纖到達(dá)傳感器熱敏材料部分;每一個傳感器反射回一個與自身溫度相對應(yīng)的窄譜脈沖光信號;信號處理部分對返回信號列進(jìn)行濾波采樣和分析，從而確定每一個傳感器的溫度。

光纖光柵在線測溫系統(tǒng)一般由光纖光柵測溫主機(jī)、光纜、光分路器、光纖傳感器、系統(tǒng)軟件等組成。

光纖光柵溫度傳感器內(nèi)部敏感元件為單模石英光纖，傳感器外殼為非金屬材質(zhì)，傳感器感溫底面為絕緣導(dǎo)熱陶瓷。光纖傳感器直接安裝在高壓開關(guān)柜內(nèi)的觸點、高壓電纜終端頭等連接部位。下圖為傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。

光纖光柵測溫主機(jī)或者調(diào)制解調(diào)儀，用來產(chǎn)生光源、溫度轉(zhuǎn)換以及通信控制。

光分路盒主要起到分離光束和合成光束的作用，它將來自測溫主機(jī)的同一束光等比例的分成若干份，分別射入相應(yīng)的每支光纖光柵傳感器中，然后再將傳感器反射回來的光合成一束送回到測溫主機(jī)。

下圖為光纖光柵測溫系統(tǒng)示意圖。

2.4分布式光纖測溫技術(shù)

分布式光纖測溫的機(jī)理是依據(jù)后向拉曼(Raman) 散射效應(yīng)。激光脈沖與光纖分子相互作用, 發(fā)生散射，散射有多種，如：瑞利(Rayleigh)散射、布里淵(Brillouin)散射和拉曼(Raman)散射等[5]。其中拉曼散射是由于光纖分子的熱振動，它會產(chǎn)生一個比光源波長長的光，稱斯托克斯(Stokes)光，和一個比光源波長短的光，稱為反斯托克斯 (Anti-Stokes)光。光纖受外部溫度的調(diào)制使光纖中的反斯托克斯(Anti-Stokes)光強發(fā)生變化，Anti-Stokes與 Stokes的比值提供了溫度的絕對指示，利用這一原理可以實現(xiàn)對沿光纖溫度場的分布式測量。

分布式光纖測溫技術(shù)轉(zhuǎn)為長距離大范圍多點溫度測量的應(yīng)用而設(shè)計制造的，在使用時只需要一條或幾條光纖就可以監(jiān)測長達(dá)數(shù)公里的線型和點式設(shè)備[8] [9]。

該系統(tǒng)由測溫主機(jī)或者調(diào)制解調(diào)儀、絕緣感溫光纖及相應(yīng)附件組成。

分布式光纖傳感器既是信號的傳輸通道，又是溫度傳感器，其主要由高純度的絕緣材料石英組成。

測溫主機(jī)通過將敷設(shè)在高壓開關(guān)柜電纜接頭、上網(wǎng)電纜接頭處的探測光纖感應(yīng)的溫度信息經(jīng)光學(xué)濾波、光電轉(zhuǎn)換、放大、AD轉(zhuǎn)換等系列程序轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，并進(jìn)行大規(guī)模數(shù)字處理后，將規(guī)定的信息通過通訊總線上傳到測溫工作站。

下圖為光纖光柵測溫系統(tǒng)示意圖

圖6：分布式光纖測溫系統(tǒng)方案示意圖

3 高壓電纜在線測溫技術(shù)在牽引變電所適用性分析

對于電氣化鐵路而言，電纜溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用較少，積累的運行經(jīng)驗也不多，另外牽引供電系統(tǒng)也有自身的獨特性，為了便于設(shè)計選型，現(xiàn)從以下幾個方面對上述在線測溫技術(shù)進(jìn)行綜合分析比較。

3.1溫度測量的準(zhǔn)確性

上述4種原理的電纜在線測溫技術(shù)測量溫度的準(zhǔn)確性存在較大的差異：

Ø 紅外測溫：測溫準(zhǔn)確性受安裝質(zhì)量影響很大，紅外線照射角度偏差將導(dǎo)致測溫誤差加大，一般在±5℃

Ø 無線測溫：直接接觸被測物體表面，測溫準(zhǔn)確性直接受所采用的溫度傳感器決定，一般在±0.5℃

Ø 光纖光柵測溫：取決于傳感器加工精度以及測溫主機(jī)的計算準(zhǔn)確性，準(zhǔn)確性一般低于±0.5℃

Ø 分布式光纖測溫：取決于傳感器加工精度以及測溫主機(jī)的計算準(zhǔn)確性，準(zhǔn)確性一般低于±1℃

3.2絕緣耐壓及防污閃性能

由于電纜在線測溫設(shè)備一般與高壓電纜直接接觸，所以這些測溫設(shè)備的絕緣耐壓以及防污閃性能顯得尤為重要。盡管生產(chǎn)所有廠家在產(chǎn)品設(shè)計階段一般都考慮了設(shè)備的絕緣耐壓及防污閃性能，但在實際應(yīng)用中，仍然存在一些由技術(shù)原理本身所帶來的薄弱之處。

Ø 紅外測溫：紅外溫度傳感器沒有與被測試點直接接觸，絕緣耐壓性能高。但對安裝空間有嚴(yán)格的要求，必須保證足夠的安全距離，否則傳感器較易損壞

Ø 無線測溫：傳感器體積小巧，為全密封設(shè)計，外殼一般采用全金屬材料或者包裹絕緣套管，具有高的絕緣耐壓性能。由于傳感器信號通過無線方式向外傳輸，所以一般不存在污閃問題。

Ø 光纖光柵測溫及分布式光纖測溫：這兩類光纖測溫系統(tǒng)都是通過將光纖傳感器之間與帶電的被監(jiān)測點接觸來測量溫度的，所以一般不存在絕緣耐壓及污閃的問題。

3.3 抗諧波干擾

電氣化鐵路是一種單相不對稱波動負(fù)荷，由于鐵路運輸?shù)奶厥庑?，牽引供電?fù)荷波動頻繁、沖擊大，并對電力系統(tǒng)產(chǎn)生諧波、負(fù)序等不利影響?？瓦\專線交直交動車組采用四象限整流，通過GTO或IGBT控制導(dǎo)通和關(guān)斷角來控制機(jī)車的出力，可分別控制導(dǎo)通和關(guān)斷機(jī)車主變壓器的若干個低壓繞組的整流，使電流波形逼近正弦波，且電流與電壓的相位基本同步[6]。所以，交直交型電力機(jī)車的諧波含量很小，但諧波的頻譜及幅值與交直車不同，根據(jù)整流相數(shù)的不同產(chǎn)生了如23、25次的高次諧波。

應(yīng)用在牽引供電系統(tǒng)的電纜頭在線監(jiān)測系統(tǒng)是否會受到諧波的干擾成為一個需要重視的問題。

光纖光柵測溫系統(tǒng)采用無源光纖光柵溫度傳感器技術(shù)，監(jiān)測現(xiàn)場無需供電,可以有效的避免任何電磁干擾。

無線測溫系統(tǒng)目前采用了ZigBee標(biāo)準(zhǔn)，是直序擴(kuò)頻技術(shù)(DSSS)，即全頻帶傳送數(shù)據(jù)，使得原來較高的功率、較窄的頻率變成較寬的低功率頻率，以有效控制噪聲，是一種抗干擾能力強，保密性，可靠性都很高的通信方式。根據(jù)工廠試驗的結(jié)果，目前存在的諧波等各類電磁干擾信號難以對 ZigBee通信系統(tǒng)產(chǎn)生有效的干擾。

但是目前無線測溫系統(tǒng)在牽引供電系統(tǒng)內(nèi)的應(yīng)用較少，其傳感器及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的可靠性對于牽引供電系統(tǒng)的電磁環(huán)境的適應(yīng)性還需要現(xiàn)場運行中進(jìn)一步驗證。

3.4工程施工及運行維護(hù)

本文提到的4種原理的測溫技術(shù)在工程施工方面有各自的特點：

Ø 紅外測溫：傳感器的安裝具有較高的要求。以監(jiān)測開關(guān)柜觸頭溫度為例，在每個監(jiān)測點附近安裝須一只紅外傳感器，傳感器的安裝位置必須在該開關(guān)柜電壓等級所要求的安全距離之外，否則傳感器將極易損壞。如10kV 開關(guān)柜的安全距離為125mm，而35kV開關(guān)柜的安全距離為300mm。當(dāng)柜內(nèi)空間狹小時，則難以保證傳感器與觸點之間具有足夠的安全距離。另外，紅外傳感器安裝完畢后，必須調(diào)整紅外線射出角度，使得紅外線正對被監(jiān)測對象的表面，否則測量準(zhǔn)確度難以得到保證。隨著運行時間的增加，往往會出現(xiàn)傳感器角度發(fā)生變化，或者傳感器紅外線發(fā)射口被灰塵覆蓋等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)工作穩(wěn)定性。

Ø 無線測溫：傳感器安裝較為方便，只需將每個傳感器與被監(jiān)測點緊密接觸并牢固固定即可。由于采用無線通信技術(shù)，開關(guān)柜內(nèi)以及室外電纜接頭處均無需布線，大大減少工程施工工作量。但是在運行維護(hù)方面，沿線電纜頭的測溫傳感器需定期更換電池，維護(hù)工作較為復(fù)雜，工作量大。

Ø 光纖光柵測溫及分布式光纖測溫：兩者都需要將光纖安裝在被監(jiān)測點上，安裝時應(yīng)注意要保持光纖在正常的彎曲半徑內(nèi)，而且光纖在安裝過程中，需要專業(yè)設(shè)備進(jìn)行熔接，熔接的質(zhì)量直接影響了光的傳輸效果。因此在敷設(shè)和安裝過程中對施工工藝要求較高。在運行維護(hù)中，由于客運專線光纖埋入地下或電纜溝內(nèi)，維護(hù)工作量較大。

4 結(jié)論

隨著鐵路客運專線的牽引供電系統(tǒng)中越來越多的采用高壓輸電電纜，電纜及電纜接頭故障率較高，采取電纜及電纜接頭在線監(jiān)測的系統(tǒng)可以提前發(fā)現(xiàn)故障隱患，及時處理，避免了故障影響范圍的的擴(kuò)大，提高了牽引供電系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性;同時采取在線監(jiān)測的手段減少了相關(guān)設(shè)備的檢修維護(hù)工作量，提高了檢修維護(hù)的工作效率。因此在牽引供電系統(tǒng)中采用27.5kV電纜及電纜頭在線監(jiān)測系統(tǒng)是完全必要的。

本文對當(dāng)前存在的紅外測溫、無線測溫、光纖光柵測溫以及分布式光纖測溫等電纜及其接頭溫度在線監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行了介紹，并針對牽引供電系統(tǒng)的特點，從測溫準(zhǔn)確性、絕緣耐壓及防污閃性能、抗諧波干擾、工程施工及維護(hù)等幾個方面對上述技術(shù)分別進(jìn)行了分析比較。在電磁環(huán)境復(fù)雜的鐵路牽引供電系統(tǒng)中，光纖光柵測溫系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定可靠，在確保牽引供電系統(tǒng)的可靠性的前提下，該系統(tǒng)更適宜于鐵路牽引供電系統(tǒng)的高壓電纜及電纜附件的監(jiān)測。

如果要實現(xiàn)對遠(yuǎn)距離的電纜頭監(jiān)測(如變電所遠(yuǎn)端饋線上網(wǎng))，光纖光柵測溫系統(tǒng)則還存在著施工、維護(hù)困難等不足之處。個人建議可以將光纖光柵測溫系統(tǒng)與無線測溫系統(tǒng)取長補短，有機(jī)的結(jié)合在一起：即對于距離牽引變電所較遠(yuǎn)的接觸網(wǎng)上網(wǎng)處的監(jiān)測現(xiàn)場，利用光纖光柵的技術(shù)進(jìn)行精確測溫，設(shè)置現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集器，通過光纖對現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，利用無線傳輸技術(shù)(如GSM-R、ZigBee、CDMA、GPRS等)實現(xiàn)長距離的數(shù)據(jù)集中傳輸，這樣可以有效改善單純的光纖光柵測溫系統(tǒng)的不足;而牽引變電所所內(nèi)因變配電設(shè)備集中，電磁環(huán)境更為惡劣，仍采用光纖光柵測溫，光纖直接上傳的方式。既可以保證系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、適應(yīng)性，又可以有效的克服長距離敷設(shè)光纖造成的弊端。建議的系統(tǒng)方案示意圖如下：

圖7：光纖光柵測溫+無線傳輸?shù)姆桨甘疽鈭D

另外還可以通過使用預(yù)制光纜加光纖連接器這樣的方法來盡量減少光纖的熔接和光纖現(xiàn)場敷設(shè)損傷的概率，這樣也可以減少施工難度，提高施工效率，同時提高后期的可維護(hù)性。

以上僅為個人的一些建議，請大家給予批評指正。

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