梁筱丽1 赵光2
1昆明供电设计院有限责任公司 650034
2 云南恒安电力工程有限公司 650034
一、隧道高压电缆安全监控系统构成
为了保证电缆的正常运行、提高隧道管理水平以及充分利用电缆资源，需要在隧道内建立一套完善、稳定和可靠的隧道电缆安全监控系统，以下简称隧道监控系统。隧道监控系统由四个子系统组成：温度监测子系统，现场环境监测和控制子系统、电力负荷监测子系统和上位服务器子系统。其中温度监测子系统是隧道监测系统的主要组成部分，由分布式光纤测温系统DTS（Distributed Temperature Sensing）构成；现场环境监测和控制系统采用可编程逻辑控制器PLC（Programmable Logic Controller），实时监测隧道中的水位、有害气体等现场环境参数，同时自动控制配电、照明、排水、通风和防盗报警等设施；电力负荷监测子系统为隧道监控系统提供实时电流数据；上位服务器子系统是在MS.NET平台上开发的完全面向对象的WIN CE应用程序，是跨越单元级至控制级的伺服系统，上位服务器子系统接收、处理来着温度监测子系统、现场环境监测和控制子系统、电力负荷监测子系统的数据，同时发送指令给这三个子系统。
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1、温度监测子系统
温度监测子系统是隧道监控系统的主要组成部分，采用分布式光纤测温技术DTS。
在DTS技术中，一束脉冲激光通过定向耦合器被耦合到光纤中。脉冲通过光纤传输时会因密度和成分变化以及分子振动和整体振动而使光被反向散射。在匀质光纤中，反向散射光的密度会随着时间减弱。因为人们已经十分了解光纤中光的传输速度，所以能够根据返回的反向散射光的传输速度确定距离。因为传输光脉冲与光纤之间存在着不同的交互机制，所以反向散射光由不同的光谱组分构成 ，这些反向散射光谱组分包括 瑞利（Rayleigh）散射、布里渊（Brillouin）散射、和拉曼（Raman）谱峰或谱带。瑞利反向散射组分因其密度和成分波动而成为具有最强特征的组分，并且与初始激光脉冲具有相同的波长。瑞利组分决定了密度衰减曲线的主要斜率，并可用于确定光纤沿路的中断和异质成分。瑞利组分对温度不敏感。布里渊反向散射组分是因传输光脉冲的晶格振动而形成的。但是，这些谱峰离初始激光脉冲太近，因此很难从瑞利信号中分离出布里渊散射组分。拉曼反向散射组分来自于传输光脉冲的受温度影响的分子振动。因此，其强度取决于温度。拉曼反向散射光有两个组分，对称分布在瑞利谱峰的两侧：斯托克斯 (Stokes ) 峰和反斯托克斯 (Anti-Stokes) 峰。反斯托克斯峰的强度低于斯托克斯峰的强度，但与温度的相关性很强，而斯托克斯峰的强度则与温度的相关性较弱。通过计算反斯托克斯峰与斯托克斯峰信号的强度比，可以获得精确的温度测量值。DTS 结合了此温度测量技术和通过光传输速度测量距离的技术 ，可提供沿整个光纤逐步测定出来的温度测量值。在DTS技术中，用一个10ns延迟的激光脉冲，能够实现对最大30km的光纤空间分辨率1-2m的温度测量。
2、现场环境监测和控制子系统
为保障电力电缆的安全运行，在电缆隧道沿线设置供配电、照明、排水、通风等设施，现场环境监测和控制子系统采用可编程逻辑控制器PLC，实时监测隧道中的水位、有害气体等现场环境参数，同时实现对这些设施的自动控制以及隧道内温度监测、防盗报警。监控系统通过实时监测和自动控制功能保障电缆隧道可安全、正常地运行，同时可为管理和决策提供基础数据。
3、电力负荷监控子系统
电力负荷监测子系统为隧道监控系统提供实时电流数据。
4、上位服务器子系统
上位服务器子系统是在MS.NET平台上开发的完全面向对象的WIN CE应用程序，是跨越单元级至控制级的伺服系统，上位服务器子系统接收、处理来着温度监测子系统、现场环境监测和控制子系统、电力负荷监测子系统的数据，同时发送指令给这三个子系统。
二、电缆特性
电缆及其接头的热学特征由电缆结构、运行状态和外部环境决定。
电缆及其接头中局部放电点，导体阻值过大点或其它情况可能导致局部发热量增大，则热量是从电缆内部流电缆外皮。通过计算确定在某处位置、某种运行电流下表面温度与线芯温度之间关系，将有利于判断是否发生内部过热。
电缆的中心导体由铜、铝等金属材料构成，具有较小的热阻；绝缘层由交联聚氯乙烯（XLPE）构成，具有较大的热阻。根据纯电阻电路的发热公式，当电缆中心导体某处电阻值的增大时，其发热量相应增加。由于电缆中心导体的热阻远小于绝缘层的热阻，因此热量优先沿电缆中心导体轴向扩散，而热量沿电缆径向扩散则较慢。根据理论分析及现场经验，我们认为电缆异常点的空间分辨率为，电缆异常点的时间分辨率从几小时到几天。
电缆接头一般为多层固体复合介质绝缘结构，因此与电缆本体相比而言，其径向热阻更大，而其轴向热阻并不明显增大。当电缆接头处发生故障，电阻增大，其发热量相应增加；由于电缆异常点的空间分辨率为，与电缆接头的尺寸一样，因此可以认为电缆接头各处的表面温度相同。但是在电缆接头两端，由于绝缘层厚度明显小于电缆接头内的绝缘层，其热阻也小得多，结果导致电缆接头两端的表面温度明显高于电缆接头的表面温度。
三、分布式光纤测温系统DTS（Distributed Temperature Sensing）
DTS相关的双重监控任务和指标：异常点发现机制和动态载流量模型
现有的DTS产品只能实现对电缆温度的在线监测和报警，其功能相对比较简单；并且当报警发生时，电缆可能已经遭到不可挽回地破坏了。因此，尽早发现电缆故障的早期信号，可以有效避免灾难性事故发生。正是在这样的应用背景下，需要建立DTS动态扫描模型，采用此模型能有效地发现电缆故障的早期信号。
DTS动态扫描模型具有以下技术特点：
1.多时间尺度的扫描机制。由于各种电缆故障的热异常具有不同的周期，从几个小时到几个周期不等，因此采用多时间尺度的扫描机制能够更及时、更准确地发现潜在的电缆故障点。2.独特的电缆异常点定义和发现。
现有的DTS不具有发现电缆异常点的功能，其异常点的判决为：温度升高速度大于阈值，其表达式为，其中是电缆局部温度，是时间，是报警阈值。当阈值被设置地比较低时，电缆整体的正常温度波动会触发错误报警，所以在时间尺度上，无法早期有效地发现电缆故障点；在空间尺度上，无法准确有效地发现电缆故障点。
3.测温点行为特征的记录。在实践中，电缆各点受到外界干扰，温度会产生波动；记录温度变化的统计值，可以了解该点的行为特征，避免发生错误报警；建立灵敏而聪明的机制，必须具备这样的数据记录和智能判断能力。
4.报警分级机制。报警分两个级别：预警和报警，建立异常、报警阈值和日志文件。
四、动态载流量模型
目前，DTS测温光纤附着在电缆表面或绝缘层外侧，检测的是电缆表面或所在层的温度，但电缆线芯的温度才是所需求的。
在100%负荷稳态条件和较简单的敷设环境下，已知电缆表面温度可以通过IEC60287稳态模型推算出线芯温度；但在实际应用场合，负载持续变动，周围环境通常比较复杂，而且环境状态会发生变化，因此无法使用稳态方法推断实际电缆的导体温度。本模型提供了一种动态计算方法，其特征为：
1.采用IEC60287致热公式和相应的传热偏微分方程的数值解法，可实时计算出导体至电缆表面的径向温度分布，在任何时间步长上计算都保持稳定，可处理多种边界条件等。
2.采用系统辨识的方法，分析DTS温度和总热量的关系，估计出周边环境温度和热学参数；并依此推断出短期内许用电流裕值。
3.包括了负载统计特性的计算，并依此做出中长周期的运行模型和负载预警；用户还可以自由给定未来负荷，模型将仿真模拟，给出温度变化曲线；这项功能在电力调度，夏季峰值运行保障上有重要的实用价值。
DTS相关的双重监控中的两个模型：DCRⅠ模型和DCRⅡ模型
根据电缆表面温度、实时电流计算电缆线芯温度。
计算电缆导体实时温度的必要条件：电缆结构参数和材料参数；电缆外护套表面实测温度；开始的电缆发热历史数据。计算导体实时温度时无需考虑电缆周围环境的影响。因此，对敷设于复杂环境的电缆。
电缆在运行中存在发热、吸热和散热三种物理现象。电缆的发热主要包括：电流流过导体的损耗发热、绝缘介质在电压作用下的损耗发热、电缆铠装层流过感应电流的损耗发热。电缆在运行中电压是基本是恒定的，电流是实时变化的，因此电缆的发热量是电流与时间的函数。电缆的散热表现为电缆中热流流动，即电缆中温差的存在，散热量是温差与时间的函数。将电缆看成有内热的导热体，根据能量守恒原则，电缆的发热量、吸热量和散热量之间存在平衡关系。由此可以推出电缆电流、温升以及内、外温差之间的关系。
由于电缆的电流、温升以及温差都是实时变化的，因此必须把电缆的温度计算问题看成是具有内热源的不稳定导热问题。用数值计算法处理不稳定导热问题需要同时对空间和时间使用有限差分的网格，计算的对象是各个时间间隔上的各空间节点的温度。必须对每一个相继的时间间隔求解对应的联立方程组。
根据电缆结构特点，电缆的轴向导热可以忽略，只考虑径向导热，建立不稳定温度场差分方程，对于单位时间通过单位壁厚的圆筒界面而传入的热量与内热源发热量之和等于该单元内能量随时间的变化率。及
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DCRⅡ模型
根据电缆电流，通过系统辨识可以得到电缆表面温度，进一步通过DCRⅠ可以得到导体温度。应用DCRⅡ模型可以推断出短期内许用电流裕值。