CN105116285B - 一种电力隧道电缆运行监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种电力隧道电缆运行监测系统，包括两个电流信号调制终端、两个电流信号解调终端、一个光纤沉降信号解调终端、一个光纤分布式温度解调终端、两根连接光纤、光路切换单元、光纤时延测量器、微处理器、光缆锁扣、测温光缆以及光纤沉降传感器。该电力隧道电缆运行监测系统能够避免光纤长度不同带来时延差异且无需电缆接口退出运行，且能够对电缆的温度和电力隧道的沉降情况进行实时检测，具有较好的市场应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种电缆监测系统，尤其是一种用于电力隧道内的电缆运行状态监测系统。
背景技术
目前，高压电缆绝缘故障点定位技术主要是采用基于离线测试的脉冲法，当产生电缆故障时，先断电，然后将电缆线路从系统中解开，再利用脉冲信号进行电缆故障测距，以电缆线路的参数模型为基础，通过现场对电缆施加脉冲信号，再由电压电流行波信号在电缆中传播时间和速度计算出故障点距离。该方法存在明显的缺点，在电缆发生故障后，需要把电缆接口退出运行，然后把故障测量设备运到现场，布置测量设备和接线，才能开始测量。
另外，基于GPS同步高压电缆故障在线定位，由于GPS时钟的同步性差，难以精确定位，而基于光纤传输的时钟同步的定位技术，要求定位装置到两传感器模块端光纤长度的一致，这给实际工程施工带来不便，同时增加了光缆成本，对于定位装置的布局带来限制。
电力隧道环境相对恶劣，会受到地质条件、气候条件长期运行中隧道本身结构老化等因素的影响，特别是南方的城市，电力隧道面临长期有水的状况，基于以上原因电力隧道结构会产生位移变化，最典型的就是引起隧道结构的沉降，包括电力隧道施工过程中的隧道开挖活动以及建成后运行过程中产生的结构沉降，这将给整个电力隧道带来极大威胁，造成隧道破裂 沉陷、甚至坍塌的严重后果，一旦发生加速沉降，隧道就会破裂，影响电力隧道正常运行，严重会造成停电事故。
在电缆金属护套环流出现异常时，会造成电缆绝缘局部高温损耗发热，加速绝缘老化，降低电缆使用寿命，严重时导致电缆发生直接击穿接地故障，使电缆外护套破损，出现多点接地现象，在外护套破损后，金属护套被腐蚀，既增加了主绝缘体老化的几率，又易诱发局部放电和电树枝；所以可以通过电缆温度的监测来间接监测电缆金属护套环流异常情况。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：现有技术中由于连接光纤的长度不同带来时延差异而造成的定位不准的问题，且需要电缆接口退出运行，不能够在线检测。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种电力隧道电缆运行监测系统，包括两个电流信号调制终端、两个电流信号解调终端、一个光纤沉降信号解调终端、一个光纤分布式温度解调终端、两根连接光纤、光路切换单元、光纤时延测量器、微处理器、光缆锁扣、测温光缆以及光纤沉降传感器；两个电流信号调制终端用于连接至待检测电缆的两端进行电流信号采集，并将采集到的两路电流信号调制为两路光信号，再通过两根连接光纤传输至光路切换单元的两个光信号输入端；微处理器控制光路切换单元将两根连接光纤切换连接至光纤时延测量器的测量端或电流信号解调终端的输入端；光纤时延测量器对接入的两根连接光纤进行时延分析获得两根连接光纤的时延信息，并将时延信息发送至微处理器；两个电流信号解调终端将输入的光信号解调为电信号，再将电信号AD转换后送入微处理器；测温光缆沿待检测电缆铺设，并通过光缆锁扣固定于待检测电缆上；测温光缆连接至光纤分布式温度解调终端；光纤分布式温度解调出测温光缆感知的温度信息送入微处理器；光纤沉降传感器布设于待检测电缆所在的电力隧道内，并与光纤沉降信号解调终端相连；光纤沉降信号解调终端解调出光纤沉降传感器感知的沉降信息送入微处理器。
采用电流信号调制终端能够实时在线检测电流信号，而无需将电缆接口退出运行，能够提高电缆检测的实时性和检测效率；采用光路切换单元能够根据检测需要将电流信号调制终端发送的光信号送入光纤时延测量器或电流信号解调终端，从而使延时检测和故障检测共用连接光纤，节省了系统成本；采用光纤时延测量器能够根据需要检测由连接光纤造成的信号时延，从而有效提高故障点定位的精度；采用测温光缆来对电缆的温度进行实时监测，从而间接监测电缆金属护套环流异常情况，避免出现重大安全故障；采用光纤沉降传感器实时监测电力隧道的沉降情况，并由微处理器进行分析是否出现超出安全值的沉降，从而实现对电力隧道沉降的实时监测。
作为本发明的进一步限定方案，电流信号调制终端包括电流传感器以及电光转换器；电流传感器用于对待测电缆的电流信号进行采集，并将采集到的电流信号发送至电光转换器；电光转换器将电流信号转换为光信号，并通过连接光纤传输至光路切换单元的光信号输入端。采用电流传感器能够实时在线检测被测高压电缆上的电流信号和故障行波，且为非接触式测量，安全性能较高。
作为本发明的进一步限定方案，电流信号解调终端包括光电转换器和AD转换器；光电转换器将光路切换单元输出的光信号转换为电信号，并由AD转换器进行AD转换后送入微处理器。
作为本发明的进一步改进方案，电流信号解调终端还包括一个连接在光电转换器与AD转换器之间的信号调理电路；信号调理电路将光电转换器输出的电信号调整至适应于AD转换器的工作范围。采用信号调理电路能够将光电转换器输出的电信号调整至适应于AD转换器的工作范围，提高定位系统检测的可靠性。
作为本发明的进一步限定方案，光纤时延测量器为光时域反射仪。
作为本发明的进一步限定方案，光路切换单元由第一可控1×2光开关、第二可控1×2光开关以及第三可控1×2光开关构成；第一可控1×2光开关和第二可控1×2光开关的1端口通过两根连接光纤分别连接至两个电流信号调制终端的输出端，第一可控1×2光开关和第二可控光1×2开关的2端口中均有一端口连接至对应的电流信号解调终端的输入端；第三可控1×2光开关的2端口分别连接至第一可控1×2光开关和第二可控光1×2开关的2端口中的另一端口，第三可控1×2光开关的1端口连接至光纤时延测量器的测量端。采用三个可控1×2光开关能够实现光路的可控切换，并利用第三可控1×2光开关将输入的两路光纤依次切换至光纤时延测量器，能够避免使用昂贵的多输入端的光纤时延测量器，有效降低了系统成本。
作为本发明的进一步改进方案，还包括一个与微处理器相连的显示屏。利用显示屏能够实时显示故障位置。
作为本发明的进一步改进方案，还包括一个与微处理器相连的报警器。采用报警器能够在监测到高温点时及时发出警报，提醒监控人员迅速进行排查。
作为本发明的进一步改进方案，光缆锁扣包括扎条、安装在扎条一端的插口以及连接在扎条另一端的插条；在插口内设有主棘齿，在插条上设有与主棘齿相对应的从棘齿；在扎条的中段设有供测温光缆嵌入的半圆环形凸起。采用半圆环形凸起能够方便固定测温光缆的位置，防止捆扎后出现位置移动影响测量效果。
作为本发明的进一步改进方案，在扎条的圈内侧设有防滑凸棱。采用防滑凸棱能够有效防止扎条捆扎后出现围绕待检测电缆转动的问题，增强了测温光缆的定位效果。
本发明的有益效果在于：（1）采用电流信号调制终端能够实时在线检测电流信号，而无需将电缆接口退出运行，能够提高电缆检测的实时性和检测效率；（2）采用光路切换单元能够根据检测需要先用光纤时延测量器测量两路光纤的时延，后用电流信号解调终端进行电流信号的解调，从而使延时检测和故障检测共用连接光纤，节省了系统成本；（3）采用光纤时延测量器能够根据需要检测由连接光纤造成的信号时延，从而有效提高故障点定位的精度；（4）采用测温光缆来对电缆的温度进行实时监测，从而间接监测电缆金属护套环流异常情况，避免出现重大安全故障；（5）采用光纤沉降传感器实时监测电力隧道的沉降情况，并由微处理器进行分析是否出现超出安全值的沉降，从而实现对电力隧道沉降的实时监测。
附图说明
图1为本发明的电路结构示意图；
图2为本发明的光路切换单元的结构示意图；
图3为本发明检测获得的故障行波示意图；
图4为本发明的光缆锁扣结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明提供的电力隧道电缆运行监测系统包括：两个电流信号调制终端、两个电流信号解调终端、一个光纤沉降信号解调终端、一个光纤分布式温度解调终端、两根连接光纤、光路切换单元、光纤时延测量器、微处理器、光缆锁扣、测温光缆、显示屏、报警器以及光纤沉降传感器。
其中，两个电流信号调制终端用于连接至待检测电缆的两端进行电流信号采集，并将采集到的两路电流信号调制为两路光信号，再通过两根连接光纤传输至光路切换单元的两个光信号输入端；微处理器控制光路切换单元将两根连接光纤切换连接至光纤时延测量器的测量端或电流信号解调终端的输入端；光纤时延测量器对接入的两根连接光纤进行时延分析获得两根连接光纤的时延信息，并将时延信息发送至微处理器；两个电流信号解调终端将输入的光信号解调为电信号，再将电信号AD转换后送入微处理器；测温光缆沿待检测电缆铺设，并通过光缆锁扣固定于待检测电缆上；测温光缆连接至光纤分布式温度解调终端；光纤分布式温度解调出测温光缆感知的温度信息送入微处理器；光纤沉降传感器布设于待检测电缆所在的电力隧道内，并与光纤沉降信号解调终端相连；光纤沉降信号解调终端解调出光纤沉降传感器感知的沉降信息送入微处理器；微处理器根据输入的延时信息和AD转换的电信号进行分析计算，获得故障位置信息；微处理器根据输入的温度信息判断是否出现局部高温危险；微处理器根据输入的沉降信息判断沉降是否超出安全值；显示屏和报警器均与微处理器相连；光纤沉降传感器为以光波长为特征参数的光纤光栅静力水准仪、光纤光栅液体压力传感器或光纤F-P液体压力传感器；光纤沉降信号解调终端由光波长解调单元和传感器沉降计算分析单元组成；光波长解调单元为光波长计或光纤光栅解调仪。
电流信号调制终端一般包括电流传感器以及电光转换器；电流传感器用于对待测电缆的电流信号进行采集，并将采集到的电流信号发送至电光转换器；电光转换器将电流信号转换为光信号，并通过连接光纤传输至光路切换单元的光信号输入端。
电流信号解调终端一般包括光电转换器、信号调理电路和AD转换器。光电转换器将光路切换单元输出的光信号转换为电信号，并由AD转换器进行AD转换后送入微处理器；信号调理电路连接在光电转换器与AD转换器之间；信号调理电路将光电转换器输出的电信号调整至适应于AD转换器的工作范围。
光纤沉降信号解调终端的光波长解调单元（或光纤光栅解调单元）一般包括光源、光耦合器、光电转换器、信号调理电路、AD转换器以及数据处理器。光源通过光耦合器向光纤沉降传感器发送检测光信号；光电转换器、信号调理电路、AD转换器以及数据处理器用于对光纤沉降传感器返回的光信号进行解调处理。
光纤分布式温度解调终端一般包括激光器、光耦合器、滤波分光器、光电转换器、信号调理电路、AD转换器及信号处理器。激光器通过光耦合器向测温光缆发送检测光信号；光电转换器、滤波分光器、信号调理电路、AD转换器及信号处理器用于对测温光缆背向反馈的光信号进行解调处理。
该电力隧道电缆运行监测系统在进行故障定位工作时，首先利用光路切换单元将两根连接光纤切换连接至光纤时延测量器，由光纤时延测量器分别测量两根连接光纤L1和L2各自造成的信号传输时延T1和T2；
再利用光路切换单元将两根连接光纤切换分别连接至两个电流信号解调终端，由电流信号解调终端进行光信号解调后送入微处理器进行故障分析，获得故障行波从故障点左侧高压电缆和连接光纤L1传输至微处理器的时长t1以及从故障点右侧高压电缆和连接光纤L2传输至微处理器的时长t2；
最后根据如下公式计算故障点距离待测高压电缆左侧检测点的距离为：
X=（L-V×（t1－t2＋T2-T1））/2
式中，L为待测高压电缆左右两个检测点之间的线缆长度，V为故障行波的传播速度。
如图2所示，光路切换单元由第一可控1×2光开关、第二可控1×2光开关以及第三可控1×2光开关构成；第一可控1×2光开关和第二可控1×2光开关的1端口通过两根连接光纤分别连接至两个电流信号调制终端的输出端，第一可控1×2光开关和第二可控光1×2开关的2端口中均有一端口连接至对应的电流信号解调终端的输入端；第三可控1×2光开关的2端口分别连接至第一可控1×2光开关和第二可控光1×2开关的2端口中的另一端口，第三可控1×2光开关的1端口连接至光纤时延测量器的测量端。
如图1和3所示，在定位故障测量前，微处理器控制光路切换单元的第一可控1×2光开关、第二可控1×2光开关以及第三可控1×2光开关，将两根连接光纤依次切换连接至光纤延时测量器，从而对两根连接光纤L1和L2造成的时延进行测量，分别得到时延值为T1和T2，并由光纤延时测量器将T1和T2发送至微处理器进行存储记录；然后再控制光路切换单元将两路光信号切换分别输入至两个电流信号调制终端。时延测量完毕后，微处理器控制光路切换单元，将光路切换至故障行波信号监测状态。
当待检测电缆发生故障时，会出现图3中所示的故障行波。此时电流传感器将对待检测电缆上的故障行波信号进行实时采集，并由电光转换器将采集的故障行波信号转换为光信号，并通过连接光纤传输至光路切换单元的第一可控1×2光开关和第二可控1×2光开关的1端口光信号输入端；再由微处理器控制光路切换单元的第一可控1×2光开关和第二可控1×2光开关，将两根连接光纤L1和L2输送的光信号切换输入至光电转换器，由光电转换器将接收到的光信号转换为电信号；再由信号调理电路对光电转换器输出的电信号进行调理，使该电信号能够被AD转换器完全采集；微处理器对AD转换后的信号进行处理。假设微处理器根据AD转换后的信号分析获得故障行波分别从故障点左右两边的高压电缆和两根连接光纤L1和L2传输至微处理器的时长为t1和t2，故障行波的传播速度为V，待检测电缆的长度为L，由微处理器计算故障点C至左侧的电流信号调制终端检测点距离为：
X=V×（t1-T1） (1)
计算故障点C至右侧的电流信号调制终端检测点距离为：
L-X=V×(t2-T2) (2)
再根据式（1）和（2）可得：
X=（L-V×（t1－t2＋T2-T1））/2 （3）
从而计算得出故障点C至左侧的电流信号调制终端检测点距离X的大小，并由显示屏进行实时显示。
该电力隧道电缆运行监测系统在进行沉降监测工作时，首先由光纤沉降传感器实时监测待检测电缆所在的电力隧道内的沉降情况，并通过传输光纤将各个光纤沉降传感器采集的沉降信息发送至光纤沉降信号解调终端进行解调，再由微处理器进行分析处理，若沉降超过安全值，则微处理器控制报警器进行报警，提醒监控人员迅速对电力隧道进行排查，避免造成重大安全故障。
如图4所示，本发明的光缆锁扣包括扎条1、安装在扎条1一端的插口4以及连接在扎条1另一端的插条5；在插口4内设有主棘齿，在插条5上设有与主棘齿相对应的从棘齿；在扎条1的中段设有供测温光缆嵌入的半圆环形凸起2；在扎条1的圈内侧设有防滑凸棱3。在固定测温光缆时，将测温光缆嵌入在半圆环形凸起2内，再将扎条1捆扎在待检测电缆上，使插口4内的主棘齿与插条5上的从棘齿相啮合固定。当微处理器接收到测温光缆传输回来的温度监测信号，并分析出现局部高温时，则控制报警器进行报警，提醒监控人员迅速进行排查。
Claims (10)
1.一种电力隧道电缆运行监测系统，其特征在于：包括两个电流信号调制终端、两个电流信号解调终端、一个光纤沉降信号解调终端、一个光纤分布式温度解调终端、两根连接光纤、光路切换单元、光纤时延测量器、微处理器、光缆锁扣、测温光缆以及光纤沉降传感器；两个电流信号调制终端用于连接至待检测电缆的两端进行电流信号采集，并将采集到的两路电流信号调制为两路光信号，再通过两根连接光纤传输至光路切换单元的两个光信号输入端；微处理器控制光路切换单元将两根连接光纤切换连接至光纤时延测量器的测量端或电流信号解调终端的输入端；光纤时延测量器对接入的两根连接光纤进行时延分析获得两根连接光纤的时延信息，并将时延信息发送至微处理器；两个电流信号解调终端将输入的光信号解调为电信号，再将电信号AD转换后送入微处理器；测温光缆沿待检测电缆铺设，并通过光缆锁扣固定于待检测电缆上；测温光缆连接至光纤分布式温度解调终端；光纤分布式温度解调出测温光缆感知的温度信息送入微处理器；光纤沉降传感器布设于待检测电缆所在的电力隧道内，并与光纤沉降信号解调终端相连；光纤沉降信号解调终端解调出光纤沉降传感器感知的沉降信息送入微处理器；
光路切换单元将两根连接光纤切换连接至光纤时延测量器，由光纤时延测量器分别测量两根连接光纤L1和L2各自造成的信号传输时延T1和T2；再利用光路切换单元将两根连接光纤切换分别连接至两个电流信号解调终端，由电流信号解调终端进行光信号解调后送入微处理器进行故障分析；
在定位故障测量前，微处理器控制光路切换单元将两根连接光纤依次切换连接至光纤延时测量器，从而对两根连接光纤L1和L2造成的时延进行测量，分别得到时延值为T1和T2，并由光纤延时测量器将T1和T2发送至微处理器进行存储记录；然后再控制光路切换单元将两路光信号切换分别输入至两个电流信号调制终端；时延测量完毕后，微处理器控制光路切换单元，将光路切换至故障行波信号监测状态。
2.根据权利要求1所述的电力隧道电缆运行监测系统，其特征在于：电流信号调制终端包括电流传感器以及电光转换器；电流传感器用于对待测电缆的电流信号进行采集，并将采集到的电流信号发送至电光转换器；电光转换器将电流信号转换为光信号，并通过连接光纤传输至光路切换单元的光信号输入端。
3.根据权利要求1或2所述的电力隧道电缆运行监测系统，其特征在于：电流信号解调终端包括光电转换器和AD转换器；光电转换器将光路切换单元输出的光信号转换为电信号，并由AD转换器进行AD转换后送入微处理器。
4.根据权利要求3所述的电力隧道电缆运行监测系统，其特征在于：电流信号解调终端还包括一个连接在光电转换器与AD转换器之间的信号调理电路；信号调理电路将光电转换器输出的电信号调整至适应于AD转换器的工作范围。
5.根据权利要求1或2所述的电力隧道电缆运行监测系统，其特征在于：光纤时延测量器为光时域反射仪。
6.根据权利要求1或2所述的电力隧道电缆运行监测系统，其特征在于：光路切换单元由第一可控1×2光开关、第二可控1×2光开关以及第三可控1×2光开关构成；第一可控1×2光开关和第二可控1×2光开关的1端口通过两根连接光纤分别连接至两个电流信号调制终端的输出端，第一可控1×2光开关和第二可控光1×2开关的2端口中均有一端口连接至对应的电流信号解调终端的输入端；第三可控1×2光开关的2端口分别连接至第一可控1×2光开关和第二可控光1×2开关的2端口中的另一端口，第三可控1×2光开关的1端口连接至光纤时延测量器的测量端。
7.根据权利要求1或2所述的电力隧道电缆运行监测系统，其特征在于：还包括一个与微处理器相连的显示屏。
8.根据权利要求1或2所述的电力隧道电缆运行监测系统，其特征在于：还包括一个与微处理器相连的报警器。
9.根据权利要求1或2所述的电力隧道电缆运行监测系统，其特征在于：光缆锁扣包括扎条（1）、安装在扎条（1）一端的插口（4）以及连接在扎条（1）另一端的插条（5）；在插口（4）内设有主棘齿，在插条（5）上设有与主棘齿相对应的从棘齿；在扎条（1）的中段设有供测温光缆嵌入的半圆环形凸起（2）。
10.根据权利要求9所述的电力隧道电缆运行监测系统，其特征在于：在扎条（1）的圈内侧设有防滑凸棱（3）。
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