电力电缆隧道安全运行中的技术应用

电力电缆隧道应用的挑战

众所周知城市电网是现代城市公共基础设施的重要组成，而目前所面临的主要问题是如何妥善解决呈现的矛盾，即电力负荷高速增长而电源点与电力通道资源日趋紧张以及人们绿色环保的生存空间和城市环境要求之间日趋增长的矛盾。随着我国城市化的快速发展，传统的城市架空线路已经对城市建设造成了局限和困扰，这是因过去城区供电线路的输送容量还相对不大，建筑物布局可调整空间也更为灵活。但如今城市规划对功能性和美观性的重视程度越来越高，架空下路在应用空间和输送容量方面都已经越来越跟不上社会需要。

为解决此矛盾，引出了采用地下电缆的形式来替代架空线路的新形式并已经显现出其必要性。其有效的方案是采用电力电缆隧道形式，它是当今解决城市内大容量电力输送的有效形式，能够为电力电缆提供安全的庇护，使之具有良好的工作环境。

然而伴随电力电缆隧道应用又带来了新的挑战，即如何对电力电缆隧道运行状态及故障的排查。而在电力电缆隧道的建设初期，一般只能依靠人工沿着隧道沿线进行排查，对电缆的运行状态进行常规巡视。但随着电力电缆隧道的快速发展以及智能化建设，隧道内的各类设备数量已经到了靠人工排查无法有效应付的阶段。值得提醒的是电力电缆隧道的智能化建设往往离不开通信技术的应用。那么又如何解决电力电缆隧道的安全运行?这又是一大挑战。

如何应对，于是呈现多种新技术的应用：其一是泄漏电缆通信的应用，它非常这适用可在隧道和地铁、矿井及山区等场合内将各设备运行状态检测后的数据进行方便、快捷、可靠的通信传输至监控中心并实施抢修;其二是应用电力电缆隧道智能监控顶警系统，可对电力电缆隧道的安全作监控，即它是各种监控(如视频监控、环境监测、在线测温、智能控制等)的综合应用，使电力电缆隧道的安全监控具有非常重要的现实意义，也是未来电力电缆隧道的建设、管理中的重要发展方向。其三是光纤光栅传感器的应用，它是电力电缆隧道智能监控预警系统安全运行的有效保证。

为此本文仅将对泄漏电缆通信与智能监控预警系统及光纤光栅传感器等多种技术在电力电缆隧中的安全运行中的应用作研讨，并重点对其构建方案与应用特征作分析说明。

泄漏电缆通信的应用

问题的提出

通常在隧道和地铁、矿井等场合进行通信，无线电波要受到阻碍，尤其是短波和超短波受到的传输衰减更大。测试表明，一台在中等开阔地能通上5千米的无线电台，放到隧道、坑道或井下里只能通20来米长。增大无线电台的发射功率固然可以增大通信距离，但通信效果并不明显。经无数次试验，即使将无线电台的发射功率加大100倍，它的传播距离也不过只能增加1/5罢了。何况，在隧道、坑道、井下或矿井下是不允许随意增大发射功率的，不然容易因电火花引发爆炸事故。为应对此挑战，伴随着电子信息技术的不断发展，则开发通信用的泄漏电缆己在国内外研制成功并广泛应用。直至今日它已成为隧道通信的一枝独秀。

理念与结构特征

泄漏电缆通信是一种特制的高频电缆。高频电磁能量在这种电缆中传输的过程中会有少量能量泄漏到电缆四周围的空间。根据电磁特性可逆原理，这种电缆也能从周围空间接收电磁能量并把这些能量向电缆两头传输。这种电缆在地下隧道等特殊环境中作为无线通讯的中间载体已有大量应用。

它的基本应用原理：首先是由于电磁能量在电缆沿线泄漏沿横向衰减比较快，就好像依附着电缆的一层电磁场可以随着电缆作柔性弯曲。如果利用这种电缆作为一种传感器敷设在地表，就有可能形成一条无形的可以随着地势起伏弯曲的电磁探测带，一旦有大型物件或人穿越必然引起电磁场的扰动，如果能捡测出这个扰动并加以识别，这就可能构成一种比较先进独特的安防设备。图1为泄漏电缆基本应用原理示意图。

图1为泄漏电缆基本应用原理示意图

同轴电缆是一种特制的电缆，由内导体和外导体两部分组成，外导体嵌套在内导体的外边，并与内导体处于同心圆(同轴)状态，见图2为泄漏电缆结构特征示意图。

图2为泄漏电缆结构特征示意图

这种新型的电缆传输衰耗小，抗干扰能力强，在信息传输领域得到广泛应用。泄漏同轴电缆是一种在同轴电缆外导体纵长方向，以一定的间隔和不同形式开槽的特制同轴电缆。开槽的目的是为了使其电信号能量能从电缆槽口辐射出来，以达到向外传播和接收外来无线电波的目的，好比是为无线电波的进出洞开了一扇“大门”。开槽的形式则取决于所使用的无线电波的频段。

隧道、矿井内实现无线电通信的理想选择

泄漏同轴电缆通信的基本设想是以同轴电缆作无线电台的天线，用它进行通信，可在一定范围内产生均匀的信号场强，而不受周围环境的影响，通信可靠性高，也不存在通信盲区，接收电平稳定，不容易受到外来信号干扰。泄漏同轴电缆系统可以提供多信道服务，例如，使用400兆赫频段，频率间隔25千赫时，可以提供24个通信信道，可以用来传输数据或话音(调度电话和公用电话)。

电力电缆隧道智能监控预警系统]建与安全运行的保证

系统]建

系统的新需求

随着智能电网的全面建设发展，对电力电缆隧道智能监控系统也提出了全新的要求。

首先是对隧道内各类监控系统与信息共享能力进行有效整合与协调，形成真正意义上的电力电缆隧道智能监控预警系统;第二、针对电缆火灾故障预测，需采用分布式光缆测温系统;第三、视频监控系统的建设需考虑稳定性、先进性、经济性，同时还需考虑应用环境的适应性;第四、电缆运维人员能够通过分控中心显示器监控该段隧道内的视频;第五、系统需提供对外接口，以便与分布式光缆测温、PLC、SCADA系统实现系统对接。

系统的设计方案

根据上述新需求，电力电缆隧道智能监控预警系统设计思想为：系统应是集硬件、软件、网络于一体的大型联网监控系统，以平台软件为核心，实现联网监控，在监控中心即可对现场环境进行集中监控，在运维中心即可对现场设备进行统一管理，为智能电网保驾护航。

由此设计方案为：应具高清视频功能，应采用720P及以上高清摄像机，提升视频质量和安防水平，满足细节监控需求，硬盘录像机需匹配支持高清录像存储;充分考虑环境，应选用摄像机时，需充分考虑地下隧道潮汛、摄像机易进水、镜头易起雾的情况，还需考虑冬季潮湿环境下易结冰的情况，同时工作井及隧道内的灯光在正常情况下将关闭，需考虑摄像机的夜视功能;使用可视对讲门禁，在工作井大门部署可视对讲门禁，便于持卡人员刷卡进入，未持卡人员和运维中心进行对讲及可视化核实后，由运维中心开户大门;应有可视化运行管理系统，可视化运行管理有助于提高日常管理工作的高效性，视频监控子系统与分布式光缆测温、PLC、SCADA子系统，互相开放接口实现系统对接后，报警信息能够及时联动视频，第一时间掌握现场真实情况;具备移动工作助手，通过手持终端(手机、平板等)进行实时监管，便于运检班成员派工前及时了解现场情况、制定检修方案，也便于领导、专家随时随地对突发事件进行应急指挥。

系统架构

系统拓扑方案见图3所示。

系统组成。电力电缆隧道智能监控预警系统主要由前端系统、网络系统、中心系统三部分组成。

・前端系统。前端系统主要负责采集电力隧道内的电缆运行环境及人员情况，以及采集工作井内的设备运行环境及人员情况。这些视频信息通过光纤环网方式，在工作井分控中心的网络硬盘录像机汇聚存储后，统一上传至中心软件平台，并将在现场显示器呈现，便于隧道运维人员巡检前的环境勘察;

・网络系统。网络系统用于前端与运维中心、运维中心与监控中心之间的通信。前端系统的视频通过视频专网上传至运维中心，再通过电力综合数据网上传至监控中心进入MIS网，分别供运维人员、调控人员及MIS网用户调用查看。考虑到全线隧道距离较长，各工作井间通过光纤级联方式而非光纤环网方式，级联的终点将在运维中心，实现全线隧道视频资源的汇聚、呈现;

・中心系统。中心系统分为运维中心及监控中心。

运维中心主要负责整会视频监控系统的运行维护，并承担部分监控的职能。通过部署服务器，可管理隧道全线及工作井内的所有视频没备，接收由摄像机上传的视频信息并进行分发，满足监控中心大屏呈现、中心值班人员及MIS网用户视频信息查看的需求。同时，通过接入服务器与分布式光缆测温、PLC、SCADA系统进行信息交互，实现环境数据统一呈现、报警视频联动复核等功能。

监控中心主要负责对隧道全线及工作井内环境监控、人员行为的监控，并通过{清解码实现大屏呈现，成为对内管理、对外宣传的窗口。

光纤光栅传感器在电力电缆隧中的安全应用

光纤光栅传感器的应用是电力电缆隧道智能监控预警系统安全这运行的保证。

光纤光栅传感器的原理

短周期光纤光栅属于反射型带通滤波器，长周期光纤光栅属于透射型带阻滤波器。当光通过光纤光栅时，光纤光栅将反射或透射其中以布拉格波XB为中心波长的窄谱分量，图4为光纤光栅传感器应用特征图。对于光纤光栅反射中心波长(短周期光纤光栅)或透射中心波长(对长周期光纤光栅)与介质折射率有关，在温度、应变、压强、磁场等一些参数变化时，中心波长也会随之变化。通过光谱分析仪检测反射或透射中心波长的变化，就可以间接检测外界环境参数的变化。心波长的变化，就可以间接检测外界环境参数的变化。

图4 光纤光栅传感器应用特征图

光纤光栅传感器在电力电缆安全上的应用

随着我国电力系统的不断发展，电力设备安全在线监测越来越受到人们的重视。光纤光栅传感器在电力上的应用，主要包括两种方式：一是通过对温度的测量实现对电力设备的实时安全检测。电力设备的故障主要存在于电力系统要害部位(终端、中间接头等)和易发生故障的部位弯曲敷设部位)，因此对电力电缆系统的重点部位进行实时温度监测，就可以实现电力电缆的安全检测。光纤光栅传感器对这些电力设备进行温度的在线监测，诊断过热的原因，再经过处理分析故障，从而实现真正意义的在线安全监测。图5为光纤光栅传感器在电力电缆隧道内应用示意图。