电气工程学报, 2020, 15(4): 121-127 doi: 10.11985/2020.04.015

电缆分布式光纤测温装置校验及温度补偿方法研究 *

刘佳鑫,, 郎业兴, 韦德福, 唐红

国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院 沈阳 110000

Research on Calibration and Temperature Compensation of Distributed Optical Fiber Temperature Sensing Device for High Voltage Cable

LIU Jiaxin,, LANG Yexing, WEI Defu, TANG Hong

State Grid Liaoning Electric Power Research Institute, Shenyang 110000

收稿日期: 2020-04-9   修回日期: 2020-07-28   网络出版日期: 2020-12-25

基金资助: *国网辽宁省电力有限公司科技资助项目.  2019YF-65
*国网辽宁省电力有限公司科技资助项目.  2020YF-27

Received: 2020-04-9   Revised: 2020-07-28   Online: 2020-12-25

作者简介 About authors

刘佳鑫,男,1985年生,博士,高级工程师。主要从事输变电设备状态检测与评价技术研究。E-mail： liujxldk@163.com

摘要

针对高压电缆分布式光纤测温装置无法系统化开展仪器校验与性能评估的问题,提出了一种电缆分布式光纤测温装置校验方法。基于该方法,研究开发了一套基于自动化温度控制与采集的智能校验平台,利用可编程的循环恒温水浴搭建了分布式光纤测温装置校验环境,同时对系统的温度测量准确度等主要技术指标进行校验。文中采用该校验平台对四台相同配置的电缆分布式光纤测温装置开展测温准确度校验,各台装置测温准确度均小于±1 ℃。通过改变环境温度获得了各台装置的温漂数据,采用三次拟合方法得到了各台装置在5~35 ℃范围内的温度补偿公式。应用温度补偿后,各台DTS装置平均误差下降36%,最大误差下降85%,四台装置测温结果的准确性和一致性明显提高,温漂最大误差对比环境稳定时下降约33%,测温数据稳定性更高。

关键词： 高压电缆 ; 分布式光纤测温 ; 在线监测 ; 温度补偿 ; 仪器校验 ; 性能评估

Abstract

In view of the problem that the distributed optical fiber temperature measuring device of high voltage cable cannot systematically carry out instrument calibration and performance evaluation, a calibration method of distributed optical fiber temperature sensing device is proposed. Based on this method, an intelligent verification platform based on automatic temperature control and acquisition is developed by using a programmable constant temperature water bath for main technical indicator calibration, such as temperature measurement accuracy and so on. The calibration platform is used to test the temperature accuracy of four cable distributed optical fiber temperature sensing devices with the same configuration. The temperature measuring accuracy of each device is less than ±1 ℃. The temperature drift data of each device are obtained by changing the ambient temperature, and the temperature compensation formula of each device in the range of 5-35 ℃ is obtained by using cubic fit. After the application of temperature compensation, the average error of each DTS device decreases 36%, and the maximum error decreases 85%. The accuracy and consistency of the temperature measurement results of each device are significantly improved. The maximum temperature drift error decreases about 33% compared with in stable environment, and the stability of temperature measurement data is higher.

Keywords： High voltage cable ; distributed optical fiber temperature sensing ; online monitoring ; temperature compensation ; instrument calibration ; performance evaluation

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本文引用格式

刘佳鑫, 郎业兴, 韦德福, 唐红. 电缆分布式光纤测温装置校验及温度补偿方法研究 *. 电气工程学报[J], 2020, 15(4): 121-127 doi:10.11985/2020.04.015

LIU Jiaxin, LANG Yexing, WEI Defu, TANG Hong. Research on Calibration and Temperature Compensation of Distributed Optical Fiber Temperature Sensing Device for High Voltage Cable. Journal of Electrical Engineering[J], 2020, 15(4): 121-127 doi:10.11985/2020.04.015

1 引言

高压电力电缆,特别是交联聚乙烯绝缘高压电缆,具有优良的绝缘性能和长期运行可靠性,是城市电网中重要的一次电力传输设备。高压电缆投运前可能会因设计、工艺、运输、安装各环节遗留的微小缺陷而导致绝缘性能下降,从而无法满足运行条件,但在高压电缆故障潜伏期或投运初期可能难以有效发现其内部绝缘缺陷[1,2]。研究表明,电缆运行温度可以较为直观地反映出电缆本体及附件的健康状况,能提早发现并有效避免由于材料老化所引发的绝缘失效等问题,保证电力系统安全稳定运行[3,4,5,6]。

目前,高压电缆运行维护中已应用多种在线监测技术手段[7,8]。实践证明,通过应用电力电缆分布式光纤测温(Distributed temperature sensing,DTS)来提前发现电缆的某些潜在故障是有效的。DTS装置多采用光时域或频域反射技术原理对线型测温光缆中不同点的温度进行计算[9],从而反映出电缆的实时运行温度,由测温光缆、测温主机及监测后台等部分组成。由于反射光对于温度变化较为敏感,测温光缆感知温度的同时能将沿着测温光缆反射回的光信号传递回测温主机,经过光电转换、放大、滤波、去噪等处理后,即可利用光时域反射原理计算出温度点位置和温度值,最终得出测温光缆覆盖范围内的实时温度场。对于电力工业而言,近年来随着检测技术的不断进步,各类DTS在线监测系统已广泛兴起,然而对于这些新兴装置和系统的校准评估,尚缺乏系统化的手段和相应的设备[10,11,12,13]。

本文针对分布式光纤测温系统性能评估方法开展研究,建立一套高压电缆DTS在线监测系统性能评估系统,采用恒温水浴装置对DTS装置开展校验和性能评估,并对校验数据和结果进行统计分析。本系统研制后,应用于对辽宁地区高压电缆分布式光纤测温系统的自动化性能检测与评估,有效提高了仪器校验的工作效率和智能化程度,对于保证分布式光纤测温系统在高压电缆运维工作中的有效应用具有重要意义。

2 DTS测温原理

DTS系统多是基于光纤拉曼散射和光时域反射原理来进行温度测量的[14]。拉曼散射光谱包含拉曼斯托克斯和反斯托克斯信号两种频率,与入射波有一定的波长偏移。背向散射斯托克斯信号的波长略长于入射波长,其功率与温度相关性较小,而反斯托克斯信号波长比入射波短,其功率与光纤周围温度密切相关[15]。应用光时域反射原理,利用斯托克斯和反斯托克斯信号的比值可以解析出光纤上不同截面位置的温度分布。背向拉曼散射光波强度微弱,通常需要应用高频信号采集和微信号处理技术,经光学滤波、光电转换、放大、模数转换等处理单元后,由信号处理器解调出光纤各测温点的温度值,并将采集的温度数据传送到计算机系统进行数据处理,展示出各测温点的温度值和变化状态。DTS原理示意图如图1所示。

图1

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图1   DTS测温原理示意图


3 智能校验平台

3.1 校验标准依据

现行电力行业标准《电力电缆分布式光纤测温系统技术规范》(DL/T 1573—2016)中规定了电力电缆分布式光纤测温系统的技术指标要求、试验检测项目及试验方法等[16],主要适用于安装在单芯电力电缆上的光纤测温系统。其中对于主要技术指标的相关要求如表1所示。

表1   DTS测温主机技术指标

序号技术参数技术指标要求值
1温度测量准确度/℃≤±1
2空间分辨率/m≤2
3温度分辨率/℃≤0.5
4定位准确度/m≤±1

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3.2 基本原理

为解决目前DTS校验效率低且智能化水平不足的问题,本文研究开发了一套基于自动化温度控制与采集的智能化校验平台,主要由智能校验控制系统、可编程循环恒温水浴箱、智能温度巡检仪和被校验DTS测温主机等几部分组成,如图2所示。由于测温光纤属于线型感温元件,因此检测系统需要预设不同的恒温环境对测温光纤的测温准确性进行校验,且给定长度的测温光纤需要盘绕后完全浸入恒温环境中。水浴具有温度稳定性好、受环境影响小等优点,且温度范围为0~100 ℃,相比于空气浴和油浴等恒温控制方法,更贴近于高压电缆测温光纤的现场实际运行工况。因此对于温度的控制,本文的研究工作中采用了一种基于可编程循环恒温水浴箱的水浴环境温度动态控制系统,由处理器自动控制可编程循环恒温水浴箱按预设温度和温升速率进行水浴加热/冷却,用于DTS测温主机的校验。依靠智能温度巡检仪实时监测水浴环境温度,当达到预设恒定温度后,自动与DTS测温主机监测结果进行比对,实现仪器校验流程化、自动化、无纸化。

图2

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图2   DTS测温系统智能校验平台结构示意图


3.3 校验方法

高压电缆DTS装置的主要指标包含温度测量准确度、定位准确度、温度分辨率、空间分辨率等方面。各项指标的校验主要依据《电力电缆分布式光纤测温系统技术规范》(DL/T 1573—2016)中所要求的试验方法,结合定义及计算公式,分析出被校验DTS装置的具体指标参数。

3.3.1 温度测量准确度

温度测量准确度是DTS装置的一项最重要指标,是指在一定温度范围内光纤测温装置所测得的温度值与标准温度计的测量值之间的最大偏差值。此项指标与系统的信噪比有关,除了这个因素外还与仪器的稳定化标定方法和一些客观环境有关。温度测量准确度校验的原理是将测温光缆放入恒温装置,待温度稳定后,读取放入恒温装置中的光缆各个测量点的温度及温度偏差值,其中,恒温装置的温度从0 ℃到100 ℃每间隔5~10 ℃选取一点,0 ℃宜采用冰水混合物形式实现恒温参考,所选取的测量点数量应不少于10个且间隔应均匀。其具体校验流程为

(1) 在测温光缆的远端位置任取连续不少于50 m,盘绕成直径30 cm的圆圈后放置于恒温水浴环境中,其余测温光缆均放置于水浴环境 之外。

(2) 智能校验控制系统设定恒温水浴箱目标温度,并启动水浴箱恒温控制和智能温度巡检监测。

(3) 水浴环境温度达到设定值后,连续5 min内单通道温度巡检监测结果变化不超过±0.1 ℃且各通道间温度差值不超过0.1 ℃时,可判断水浴环境温度恒定,此时智能校验控制系统开始测温准确性校验,并将各通道温度平均值作为水浴环境温度标准值。

(4) 智能校验控制系统读取DTS装置在水浴环境范围内测温光纤上各测量点的温度,并计算与水浴环境温度标准值的差值,分布式光纤测温系统温度测量值与对应水浴环境温度标准值的差值平均值应小于±1 ℃;

(5) 改变恒温水浴箱目标温度,重复步骤(2)~(4)。

3.3.2 定位准确度

定位准确度是指对测温光缆上的某温度变化段(或点)与测量原点的距离,光纤测温装置的测量长度值与标准尺测量值之间的最大偏差值。选择光纤远端位置任取一定长度的测温光缆,对该位置进行加热。用测温装置测量该点的位置,读取光纤测温装置测量距离值记为L1,用该值作为参考标准。在此测量点的基础上用标准尺沿光纤向后测量10 m位置进行再次加热,读取光纤测温装置测量距离值记为L2。定位误差值=L2-(L1+10 m),其测量结果应小于1 m。测量不少于3组数据,取差值大者为定位误差值。

4 校验结果分析

4.1 测温准确度测试

本文结合四台相同配置的高压电力电缆DTS装置的实验室校验工作,重点对涉及温度测量性能的各项测试数据进行了对比和分析,校验过程中实验室环境温度保持在21~23 ℃。测试中,四台DTS装置的测温光纤被放置到同一恒温水浴环境中,并以智能温度巡检仪测得的水浴温度作为比对温度,保证各台DTS比对温度的一致性。按式(1)计算被校验仪器的测量误差

${{\Delta }_{\varepsilon }}={{T}_{\text{meas}}}-{{T}_{\text{set}}}$

式中,${{\Delta }_{\varepsilon }}$为被校验仪器的测量误差;${{T}_{\text{meas}}}$为被校验仪器温度测量值;${{T}_{\text{set}}}$为水浴温度值。

各台DTS装置的温度测量准确度结果如图3所示,由各台DTS装置在10~100 ℃范围内的误差可以看出总体上各装置的温度测量准确度均不超过±1 ℃,满足标准规范要求。各台DTS在水浴温度低温段(10~30 ℃)内的平均测温误差和最大偏差均较小,其中在水浴温度20 ℃时测温结果最为准确,且各测点测温数据最为集中。随着水浴温度升高,平均误差和最大偏差均呈逐渐放大趋势。

图3

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图3   DTS装置温度测量准确度对比


4.2 温漂分析

对各台DTS的校验结果进行横向对比,结果表明各台装置的校验数据虽满足规范要求,但不同仪器之间数据一致性较差。DTS成套装置温度测量误差会受到系统标准温度、光纤传播衰减、光电转换噪声以及A/D转换精度等多方面因素的影响[17]。由于温度解调过程中整条光纤上的温度分布状况是依靠参考温度T0来确定的,因此参考光纤的选取和参考温度的精度均会对温度标定效果产生影响,进而影响到DTS测温精度。通常DTS内部会预留不少于50 m尾纤作为参考光纤,并采用实时环境温度作为参考温度T0,T0的微小误差会使温度解调产生较大波动,使系统产生温漂,影响DTS测温准确性[18]。在实验室校验中,环境温度较为恒定,系统温漂较小;现场应用中,为了减小环境温度变化造成的误差,可对DTS进行温度补偿,以降低其对环境温度的敏感度。

为了研究环境温度变化对DTS装置产生的温漂影响,将DTS主机置于高低温试验箱中,在环境温度5~35 ℃范围内以2.5 ℃为步长调节设置环境温度,依次对20 ℃、40 ℃、60 ℃三种恒温水浴开展测量,系统参数设置以及试验步骤与室温下的测温准确度测试保持一致,得到DTS实测温度与环境温度的关系如图4~6所示。

图4

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图4   DTS测量温度随环境温度变化曲线(水浴温度20 ℃)


图5

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图5   DTS测量温度随环境温度变化曲线(水浴温度40 ℃)


图6

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图6   DTS测量温度随环境温度变化曲线(水浴温度60 ℃)


4.3 DTS温度补偿方法

由图4~6可知,DTS测量温度与环境温度并不满足线性关系,但总体趋势上可分辨出15~25 ℃范围内温漂较小(约±0.2 ℃),而5~15 ℃和25~35 ℃范围内温漂则较大。由于直线与二次曲线对图4~6的拟合都不足以反映曲线的总体趋势,为在系统实际校验时能通过较少的测温点数据得到较好的曲线拟合效果,利用基于最小二乘法的三次曲线拟合,获得在5~35 ℃范围内DTS测温值随环境温度的曲线变化规律。三次曲线的基本形式可表示为

${{y}_{k,{{T}_{i}}}}={{a}_{0}}+{{a}_{1}}x+{{a}_{2}}{{x}^{2}}+{{a}_{3}}{{x}^{3}}$

式中,y为拟合温度;k为DTS装置编号,取值k=1, 2, 3, 4;Ti为水浴温度,取值i=1, 2, 3;x为环境温度值。图6中,在水浴温度60 ℃条件下,各台DTS测温实测数据的温度补偿拟合效果如图7所示。各条曲线的具体拟合参数如表2所示。

图7

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图7   DTS温度补偿拟合曲线(水浴温度60 ℃)


表2   DTS温度补偿拟合公式

DTS编号水浴温度/℃拟合参数
a0a1a2a3拟合度
1#2017.775 420.149 12-0.002 490.000 030.970 69
4037.339 740.252 21-0.008 390.000 130.980 88
6057.329 710.257 50-0.009 300.000 160.982 59
2#2017.854 010.164 35-0.004 080.000 070.974 24
4037.555 490.208 76-0.005 860.000 090.972 53
6057.964 110.153 04-0.003 630.000 060.978 46
3#2018.130 440.152 09-0.003 380.000 060.974 71
4037.607 300.239 30-0.007 720.000 120.983 51
6058.018 590.160 44-0.004 050.000 070.973 30
4#2017.452 060.215 23-0.006 690.000 110.983 64
4037.886 400.140 44-0.002 770.000 050.974 53
6057.359 580.228 74-0.007 050.000 110.980 91

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DTS实测温度与环境温度的差值即为温漂值,可表示为

$\Delta {{T}_{k,{{T}_{i}}}}={{y}_{k,{{T}_{i}}}}-{{T}_{i}}$

式中,ΔT为DTS装置的温度补偿值。

对同一台DTS装置在不同水浴温度下获得的温漂函数进行平均,可得到该装置的最终温度补偿公式,可表示为

${{y}_{k}}=\frac{1}{3}\sum\limits_{i=1}^{3}{{{y}_{k,{{T}_{i}}}}}$

对四台DTS装置分别应用三次拟合的温度补偿校正后,重新开展温度准确性测试,系统参数设置以及试验步骤与室温下的测温准确度测试保持一致。经过温度补偿的四台DTS装置在不同环境温度下对60 ℃水浴环境的测温结果如图8所示。经过温度补偿的四台DTS装置其平均误差为0.168 ℃,最大误差为0.247 ℃,对比补偿前对应的0.263 ℃和1.706 ℃均得到明显改善。四台DTS装置平均误差下降36%,最大误差下降85%。其中,1#和2# DTS误差仍然保持较低水平,3#和4# DTS误差下降较为明显。

图8

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图8   DTS装置温度补偿后试验结果(水浴温度60 ℃)


利用补偿后的四台DTS重新开展室温环境下的测温准确度测试,各台所得测温结果的平均误差和标准差如图9所示。补偿前,各台DTS平均误差的最大值为0.076 ℃,总体平均误差0.016 ℃,补偿后平均误差的最大值为0.051 ℃,总体平均误差0.048 ℃,标准差约为0.11。补偿后温漂最大误差对比补偿前下降约33%,而测温数据稳定性更高。通过对比室温环境下的测温结果,说明DTS装置能够实现对于环境温度变化的补偿,能够保证良好的测温准确性。因此,温度补偿明显提高了各台DTS测温结果的准确性和一致性,但总体平均误差与温度补偿公式拟合度不高有关。

图9

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图9   DTS装置补偿前后平均结果比较


4.4 DTS现场校准方式

上述温漂试验的环境温度范围为5~35 ℃,能够覆盖通常情况下电缆隧道的环境温度变化范围。因此投运前进行的DTS装置校验对现场实际应用具有指导意义。而对于分布式光纤温度传感器,由于厂家、型号、批次等参数差异造成的影响,建议定期进行现场校准和标定,以确定其温度响应系数。常用的温度标定方法是通过提升硬件条件或改进算法[19,20],利用恒温装置设定一定范围内的离散温度点,记录分布式光纤温度传感器与标准温度计等的对比关系,对各点标准温度和光纤测温数据进行数据拟合处理,获得温度响应系数,以此来提高DTS测温精度。由于电缆正常运行时导体允许的长期最高温度为90 ℃[21],运行中电缆导体产生的热量经热路模型传递后,实际电缆外护套温度会较电缆导体温度更低[22],因此现场DTS装置在安装时应考虑设置余缆,利用恒温水浴(60~70 ℃为宜)进行校准和标定,提高DTS装置现场校准的可操作性。

5 结论

利用恒温水浴和智能校验平台设计了自动化校验装置,提出了一种电缆分布式光纤测温装置校验及温度补偿方法。

(1) 室温下校验结果表明,DTS装置测温准确度均满足规范中要求,不超过±1 ℃。

(2) 在环境温度5~35 ℃范围内研究了各DTS的温漂变化规律,对比发现15~25 ℃范围内温漂较小,均不超过±0.2 ℃。

(3) 通过三次曲线拟合得到了温度补偿曲线,使得各台DTS装置在60 ℃恒温水浴中平均误差下降36%,最大误差下降85%。补偿后四台DTS温漂最大误差比补偿前下降约33%。

试验结果表明,基于恒温水浴的DTS温度补偿方法能够有效提高测温结果准确性和一致性。下一步将针对DTS装置现场校验方法开展研究。

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电力电缆线路运行温度在线检测技术为当前及时发现电力电缆线路的局部过热点位置、检测运行线路的绝缘状态、计算导体载流量的首选技术措施,为此基于光频域反射OFDR测温法和TCP/IP通讯协议,提出分布式光纤连续在线检测长距离电力电缆线路表面温度方法和技术,有效地克服了基于光时域反射OTDR测温法的光纤测温技术中存在的不足,提高了检测温度的速度.研究结果表明,基于OFDR测温技术的分布式光纤电力电缆运行温度在线检测装置基本满足≥110 kV电压的电力电缆线路运行温度在线连续检测的技术要求.

LUO Junhua, ZHOU Zuochun, LI Huachun, et al.

Application of operation temperature detection technique for on-line power cable lines

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分布式光纤拉曼测温系统空间分辨率即稳定性研究

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分布式光纤喇曼温度传感器的循环解调法

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为了抑制温漂噪声积累,瑞利背向散射光窜扰反斯托克斯背向散射光,考虑了最近测量瑞利背散射光曲线解调反斯托克斯背向散射光温度曲线方法,即循环解调方法;该方法提高了系统的测温精度、稳定性,降低了系统的成本.实验结果与理论分析一致,系统的测温精度达±0.05℃.

ZHANG Lixun, OU Zhonghua, LIU Yongzhi, et al.

A circulated demodulated method of distributed fiber Raman temperature sensor

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吕安强, 李永倩, 李静, 等.

分布式传感光纤应变和温度同时标定方法

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刘刚, 王鹏宇, 周凡, 等.

电力电缆暂态热路模型中绝缘层的优化

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LIU Gang, WANG Pengyu, ZHOU Fan, et al.

Optimization on the insulating layer of transient thermal circuit model of power cable

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