牵引供电系统电缆及电缆头在线监测技术适用性分析

1 引言

21ic智能电网：近年来，随着《中长期铁路网规划》的调整实施，我国铁路加快建设发展，以建设客运专线、区际大能力通道、西部开发性新线为重点，铁路营业里程不断增加，线路质量和技术等级不断提高，从而为人民出行、经济发展、国防交通需要提供了可靠的支撑和保障。

当前，在铁路客运专线的牵引变电所设计中，高压输电电缆正在牵引供电系统得到越来越广泛的应用。这类电缆分布在沿线牵引变电所所内以及接触网上网处，受加工工艺、施工质量、运行工况以及运行环境的影响，牵引供电系统的27.5kV电缆及电缆接头故障率较高。而输电电缆的正常工作与否直接关系到铁路客运专线的正常运营。

由于铁路沿线电缆接头众多且分散，不易人工巡视，因此，在线监测高压输电电缆及其接头的工作温度，可及时发现电缆过热现象，避免由于高压输电电缆故障造成的铁路运营事故，具有十分重要的意义。

电缆温度在线监测技术在我国已经有了较为长期的发展，实现手段比较多，而且应用也比较广泛[1] [2]。但由于此类产品没有相关的国家标准或者行业标准，造成产品质量良莠不齐，针对不同的应用环境尚没有成熟、统一的解决方案。为了便于此项技术在我国铁路系统的应用，本文对现有的各种电缆在线测温技术进行了介绍，并针对电气化

铁路实际情况，对各种技术的适用性进行了比较。

2 现有电缆在线测温技术原理及特点

目前，在实际工程应用中，电缆在线测温技术按原理不同主要有光纤光栅测温、分布式光纤测温、红外测温、无线测温等4类产品。

2.1红外测温技术

一切温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围空间发出红外辐射能量。物体的红外辐射能量的大小及其按波长的分布——与它的表面温度有着十分密切的关系。因此，通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定它的表面温度，这就是红外辐射测温所依据的原理基础。

红外测温技术属于非接触式测温方式，不改变柜内原有的接线及结构。该系统在现场一般由红外温度传感器和数据采集器组成。红外温度传感器安装在每个监测对象附近，将温度数据通过信号电缆传入数据采集器。数据采集器一般安装在开关柜柜门上，一般可以接入6只传感器温度信号。

下图红外测温系统方案示意图。

图1：红外测温系统方案示意图

2.2无线测温技术

在工业控制环境下的短距离无线网络技术已成为近年来的研究热点之一，基于Bluetooth(IEEE802.15.1)、Wi-Fi(IEEE802.11)和ZigBee(IEEE802.15.4)等协议的无线网络技术相继问世[3]。其中ZigBee短程无线网技术以其数据传输安全可靠、组网简易灵活、设备成本低、低功耗等优势，在工业控制领域得到了广泛的应用。

基于ZigBee的无线测温技术即通过无线通讯方式将传感器测量的温度数据向外传递。带有ZigBee天线的温度传感模块直接安装在被测试设备上，与数据接收装置之间没有直接的电气联系，所以该技术也认为是非接触温度测量技术的一种。它最大的优点在于传感器本体无须任何接线，并不受安装场合的限制。

该系统主要由无线温度传感器和数据采集器组成。

无线温度传感器一般由控制器、无线通信模块、温度传感器和电池组成，根据现场情况的不同，可通过粘结、尼龙扎带等方式将测温模块固定在被测物体上。传感器采用免申请的2.4G通信频段，并由电池供电，一般可保证工作5年以上。下图为无线测温系统的原理图。

图2：无线测温系统的原理图

数据采集器可以接收、上传、管理、转换其所在范围内的温度传感器，并带有液晶显示温度功能，可安装在开关柜的柜门上。

下图为无线测温系统方案示意图。

图3：无线测温系统方案示意图

2.3光纤光栅测温技术

光纤传感技术是20世纪70年代中期发展起来的一门新技术, 它是伴随着光纤及光通信技术的发展而逐步形成的。

光纤光栅测温系统是一种准分布式温度监测系统，光纤光栅测温系统是利用光纤材料的光敏性在光纤纤芯形成的空间相位光栅来进行测温，光纤光栅传感器的传感过程是通过外界参量对布喇格光栅中心波长的调制来获取信息，是一种波长调制型光纤传感器[4] [7]。

光纤光栅采用均匀周期的光纤布喇格光栅，这种光纤光栅的作用实质上是在纤芯中形成一个窄带反射镜。当宽带光传输到光栅处时，光栅将有选择地反射一窄带光。所反射窄带光的中心波长

(即布喇格波长)由光栅常数决定，光栅常数即光栅的条纹周期

和光栅的有效折射率

它们满足模式耦合理论的一级近似相位匹配条件：

当光纤光栅的温度发生变化时，由于光纤材料的热胀冷缩以及热光效应，光纤光栅选择性反射的布喇格波长会发生变化，变化的大小为：

上式中右边第1项为热膨胀效应：因热膨胀引起的条纹周期变化，

为光纤的热膨胀系数;第2项为热光效应：因温度变化引起的折射率变化，

为光纤的热光系数。实验表明，在常规的温度范围内α和β保持为常数，波长变化与温度变化保持很好的线性关系，因此只要测得光纤光栅的布喇格波长，就可知光纤光栅的温度。

光源发出的光经放大后，由光纤到达传感器热敏材料部分;每一个传感器反射回一个与自身温度相对应的窄谱脉冲光信号;信号处理部分对返回信号列进行滤波采样和分析，从而确定每一个传感器的温度。

光纤光栅在线测温系统一般由光纤光栅测温主机、光缆、光分路器、光纤传感器、系统软件等组成。

光纤光栅温度传感器内部敏感元件为单模石英光纤，传感器外壳为非金属材质，传感器感温底面为绝缘导热陶瓷。光纤传感器直接安装在高压开关柜内的触点、高压电缆终端头等连接部位。下图为传感器结构示意图。

光纤光栅测温主机或者调制解调仪，用来产生光源、温度转换以及通信控制。

光分路盒主要起到分离光束和合成光束的作用，它将来自测温主机的同一束光等比例的分成若干份，分别射入相应的每支光纤光栅传感器中，然后再将传感器反射回来的光合成一束送回到测温主机。

下图为光纤光栅测温系统示意图。

2.4分布式光纤测温技术

分布式光纤测温的机理是依据后向拉曼(Raman) 散射效应。激光脉冲与光纤分子相互作用, 发生散射，散射有多种，如：瑞利(Rayleigh)散射、布里渊(Brillouin)散射和拉曼(Raman)散射等[5]。其中拉曼散射是由于光纤分子的热振动，它会产生一个比光源波长长的光，称斯托克斯(Stokes)光，和一个比光源波长短的光，称为反斯托克斯 (Anti-Stokes)光。光纤受外部温度的调制使光纤中的反斯托克斯(Anti-Stokes)光强发生变化，Anti-Stokes与 Stokes的比值提供了温度的绝对指示，利用这一原理可以实现对沿光纤温度场的分布式测量。

分布式光纤测温技术转为长距离大范围多点温度测量的应用而设计制造的，在使用时只需要一条或几条光纤就可以监测长达数公里的线型和点式设备[8] [9]。

该系统由测温主机或者调制解调仪、绝缘感温光纤及相应附件组成。

分布式光纤传感器既是信号的传输通道，又是温度传感器，其主要由高纯度的绝缘材料石英组成。

测温主机通过将敷设在高压开关柜电缆接头、上网电缆接头处的探测光纤感应的温度信息经光学滤波、光电转换、放大、AD转换等系列程序转变为数字信号，并进行大规模数字处理后，将规定的信息通过通讯总线上传到测温工作站。

下图为光纤光栅测温系统示意图

图6：分布式光纤测温系统方案示意图

3 高压电缆在线测温技术在牵引变电所适用性分析

对于电气化铁路而言，电缆温度在线监测系统应用较少，积累的运行经验也不多，另外牵引供电系统也有自身的独特性，为了便于设计选型，现从以下几个方面对上述在线测温技术进行综合分析比较。

3.1温度测量的准确性

上述4种原理的电缆在线测温技术测量温度的准确性存在较大的差异：

Ø 红外测温：测温准确性受安装质量影响很大，红外线照射角度偏差将导致测温误差加大，一般在±5℃

Ø 无线测温：直接接触被测物体表面，测温准确性直接受所采用的温度传感器决定，一般在±0.5℃

Ø 光纤光栅测温：取决于传感器加工精度以及测温主机的计算准确性，准确性一般低于±0.5℃

Ø 分布式光纤测温：取决于传感器加工精度以及测温主机的计算准确性，准确性一般低于±1℃

3.2绝缘耐压及防污闪性能

由于电缆在线测温设备一般与高压电缆直接接触，所以这些测温设备的绝缘耐压以及防污闪性能显得尤为重要。尽管生产所有厂家在产品设计阶段一般都考虑了设备的绝缘耐压及防污闪性能，但在实际应用中，仍然存在一些由技术原理本身所带来的薄弱之处。

Ø 红外测温：红外温度传感器没有与被测试点直接接触，绝缘耐压性能高。但对安装空间有严格的要求，必须保证足够的安全距离，否则传感器较易损坏

Ø 无线测温：传感器体积小巧，为全密封设计，外壳一般采用全金属材料或者包裹绝缘套管，具有高的绝缘耐压性能。由于传感器信号通过无线方式向外传输，所以一般不存在污闪问题。

Ø 光纤光栅测温及分布式光纤测温：这两类光纤测温系统都是通过将光纤传感器之间与带电的被监测点接触来测量温度的，所以一般不存在绝缘耐压及污闪的问题。

3.3 抗谐波干扰

电气化铁路是一种单相不对称波动负荷，由于铁路运输的特殊性，牵引供电负荷波动频繁、冲击大，并对电力系统产生谐波、负序等不利影响。客运专线交直交动车组采用四象限整流，通过GTO或IGBT控制导通和关断角来控制机车的出力，可分别控制导通和关断机车主变压器的若干个低压绕组的整流，使电流波形逼近正弦波，且电流与电压的相位基本同步[6]。所以，交直交型电力机车的谐波含量很小，但谐波的频谱及幅值与交直车不同，根据整流相数的不同产生了如23、25次的高次谐波。

应用在牵引供电系统的电缆头在线监测系统是否会受到谐波的干扰成为一个需要重视的问题。

光纤光栅测温系统采用无源光纤光栅温度传感器技术，监测现场无需供电,可以有效的避免任何电磁干扰。

无线测温系统目前采用了ZigBee标准，是直序扩频技术(DSSS)，即全频带传送数据，使得原来较高的功率、较窄的频率变成较宽的低功率频率，以有效控制噪声，是一种抗干扰能力强，保密性，可靠性都很高的通信方式。根据工厂试验的结果，目前存在的谐波等各类电磁干扰信号难以对 ZigBee通信系统产生有效的干扰。

但是目前无线测温系统在牵引供电系统内的应用较少，其传感器及数据传输系统的可靠性对于牵引供电系统的电磁环境的适应性还需要现场运行中进一步验证。

3.4工程施工及运行维护

本文提到的4种原理的测温技术在工程施工方面有各自的特点：

Ø 红外测温：传感器的安装具有较高的要求。以监测开关柜触头温度为例，在每个监测点附近安装须一只红外传感器，传感器的安装位置必须在该开关柜电压等级所要求的安全距离之外，否则传感器将极易损坏。如10kV 开关柜的安全距离为125mm，而35kV开关柜的安全距离为300mm。当柜内空间狭小时，则难以保证传感器与触点之间具有足够的安全距离。另外，红外传感器安装完毕后，必须调整红外线射出角度，使得红外线正对被监测对象的表面，否则测量准确度难以得到保证。随着运行时间的增加，往往会出现传感器角度发生变化，或者传感器红外线发射口被灰尘覆盖等现象，严重影响了系统工作稳定性。

Ø 无线测温：传感器安装较为方便，只需将每个传感器与被监测点紧密接触并牢固固定即可。由于采用无线通信技术，开关柜内以及室外电缆接头处均无需布线，大大减少工程施工工作量。但是在运行维护方面，沿线电缆头的测温传感器需定期更换电池，维护工作较为复杂，工作量大。

Ø 光纤光栅测温及分布式光纤测温：两者都需要将光纤安装在被监测点上，安装时应注意要保持光纤在正常的弯曲半径内，而且光纤在安装过程中，需要专业设备进行熔接，熔接的质量直接影响了光的传输效果。因此在敷设和安装过程中对施工工艺要求较高。在运行维护中，由于客运专线光纤埋入地下或电缆沟内，维护工作量较大。

4 结论

随着铁路客运专线的牵引供电系统中越来越多的采用高压输电电缆，电缆及电缆接头故障率较高，采取电缆及电缆接头在线监测的系统可以提前发现故障隐患，及时处理，避免了故障影响范围的的扩大，提高了牵引供电系统的可靠性、稳定性;同时采取在线监测的手段减少了相关设备的检修维护工作量，提高了检修维护的工作效率。因此在牵引供电系统中采用27.5kV电缆及电缆头在线监测系统是完全必要的。

本文对当前存在的红外测温、无线测温、光纤光栅测温以及分布式光纤测温等电缆及其接头温度在线监测技术进行了介绍，并针对牵引供电系统的特点，从测温准确性、绝缘耐压及防污闪性能、抗谐波干扰、工程施工及维护等几个方面对上述技术分别进行了分析比较。在电磁环境复杂的铁路牵引供电系统中，光纤光栅测温系统运行更加稳定可靠，在确保牵引供电系统的可靠性的前提下，该系统更适宜于铁路牵引供电系统的高压电缆及电缆附件的监测。

如果要实现对远距离的电缆头监测(如变电所远端馈线上网)，光纤光栅测温系统则还存在着施工、维护困难等不足之处。个人建议可以将光纤光栅测温系统与无线测温系统取长补短，有机的结合在一起：即对于距离牵引变电所较远的接触网上网处的监测现场，利用光纤光栅的技术进行精确测温，设置现场数据采集器，通过光纤对现场数据采集，利用无线传输技术(如GSM-R、ZigBee、CDMA、GPRS等)实现长距离的数据集中传输，这样可以有效改善单纯的光纤光栅测温系统的不足;而牵引变电所所内因变配电设备集中，电磁环境更为恶劣，仍采用光纤光栅测温，光纤直接上传的方式。既可以保证系统的可靠性、稳定性、适应性，又可以有效的克服长距离敷设光纤造成的弊端。建议的系统方案示意图如下：

图7：光纤光栅测温+无线传输的方案示意图

另外还可以通过使用预制光缆加光纤连接器这样的方法来尽量减少光纤的熔接和光纤现场敷设损伤的概率，这样也可以减少施工难度，提高施工效率，同时提高后期的可维护性。

以上仅为个人的一些建议，请大家给予批评指正。

参考文献：

[1] 徐东晟，许一声.高压开关柜触头温度在线监测的研究【J】.高压电器.2001，37(1)，54-56.

[2] 李泰军.开关柜母线温度的在线监测【J】.高压电器.2001，22(3)：33-37.

[3] 瞿雷，刘盛德等.ZigBee技术及应用，北京航空航天大学出版社，2007

[4] 姜德生，何伟. 光纤光栅传感器的应用概况【J】. 光电子·激光. 2002,13(4):420-430.

[5] 汪建科,何俊发，王红霞等.分布式光纤温度传感器的研究现状与发展趋势【J】.光机电信息，2005，(7)：19—24.

[6] 景德炎，客运专线电气化技术标准探讨【J】.电气化铁道，2006，Z1：323-329

[7] 张爱华，光纤布喇格光栅传感器应用系统【J】,测控技术,2002,21(5):43-45

[8] 张在宣，激光拉曼型分布光纤温度传感器系统【J】, 光电学报，1995，15(11)：1585-1589

[9] 林玉兰,陈永泰,拉曼散射分布式光纤温度传感器的设计【J】,光电子技术与信息,2002,15(2):33-36