文/吳康 艾倫安控創(chuàng)新研究中心

　　電力電纜隧道應(yīng)用的挑戰(zhàn)

　　眾所周知城市電網(wǎng)是現(xiàn)代城市公共基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成，而目前所面臨的主要問(wèn)題是如何妥善解決呈現(xiàn)的矛盾，即電力負(fù)荷高速增長(zhǎng)而電源點(diǎn)與電力通道資源日趨緊張以及人們綠色環(huán)保的生存空間和城市環(huán)境要求之間日趨增長(zhǎng)的矛盾。隨著我國(guó)城市化的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的城市架空線路已經(jīng)對(duì)城市建設(shè)造成了局限和困擾，這是因過(guò)去城區(qū)供電線路的輸送容量還相對(duì)不大，建筑物布局可調(diào)整空間也更為靈活。但如今城市規(guī)劃對(duì)功能性和美觀性的重視程度越來(lái)越高，架空下路在應(yīng)用空間和輸送容量方面都已經(jīng)越來(lái)越跟不上社會(huì)需要。

　　為解決此矛盾，引出了采用地下電纜的形式來(lái)替代架空線路的新形式并已經(jīng)顯現(xiàn)出其必要性。其有效的方案是采用電力電纜隧道形式，它是當(dāng)今解決城市內(nèi)大容量電力輸送的有效形式，能夠?yàn)殡娏﹄娎|提供安全的庇護(hù)，使之具有良好的工作環(huán)境。

　　然而伴隨電力電纜隧道應(yīng)用又帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)，即如何對(duì)電力電纜隧道運(yùn)行狀態(tài)及故障的排查。而在電力電纜隧道的建設(shè)初期，一般只能依靠人工沿著隧道沿線進(jìn)行排查，對(duì)電纜的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行常規(guī)巡視。但隨著電力電纜隧道的快速發(fā)展以及智能化建設(shè)，隧道內(nèi)的各類(lèi)設(shè)備數(shù)量已經(jīng)到了靠人工排查無(wú)法有效應(yīng)付的階段。值得提醒的是電力電纜隧道的智能化建設(shè)往往離不開(kāi)通信技術(shù)的應(yīng)用。那么又如何解決電力電纜隧道的安全運(yùn)行?這又是一大挑戰(zhàn)。

　　如何應(yīng)對(duì)，于是呈現(xiàn)多種新技術(shù)的應(yīng)用：其一是泄漏電纜通信的應(yīng)用，它非常這適用可在隧道和地鐵、礦井及山區(qū)等場(chǎng)合內(nèi)將各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行方便、快捷、可靠的通信傳輸至監(jiān)控中心并實(shí)施搶修;其二是應(yīng)用電力電纜隧道智能監(jiān)控頂警系統(tǒng)，可對(duì)電力電纜隧道的安全作監(jiān)控，即它是各種監(jiān)控(如視頻監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測(cè)、在線測(cè)溫、智能控制等)的綜合應(yīng)用，使電力電纜隧道的安全監(jiān)控具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義，也是未來(lái)電力電纜隧道的建設(shè)、管理中的重要發(fā)展方向。其三是光纖光柵傳感器的應(yīng)用，它是電力電纜隧道智能監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)安全運(yùn)行的有效保證。

　　為此本文僅將對(duì)泄漏電纜通信與智能監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)及光纖光柵傳感器等多種技術(shù)在電力電纜隧中的安全運(yùn)行中的應(yīng)用作研討，并重點(diǎn)對(duì)其構(gòu)建方案與應(yīng)用特征作分析說(shuō)明。

　　泄漏電纜通信的應(yīng)用

　　問(wèn)題的提出

　　通常在隧道和地鐵、礦井等場(chǎng)合進(jìn)行通信，無(wú)線電波要受到阻礙，尤其是短波和超短波受到的傳輸衰減更大。測(cè)試表明，一臺(tái)在中等開(kāi)闊地能通上5千米的無(wú)線電臺(tái)，放到隧道、坑道或井下里只能通20來(lái)米長(zhǎng)。增大無(wú)線電臺(tái)的發(fā)射功率固然可以增大通信距離，但通信效果并不明顯。經(jīng)無(wú)數(shù)次試驗(yàn)，即使將無(wú)線電臺(tái)的發(fā)射功率加大100倍，它的傳播距離也不過(guò)只能增加1/5罷了。何況，在隧道、坑道、井下或礦井下是不允許隨意增大發(fā)射功率的，不然容易因電火花引發(fā)爆炸事故。為應(yīng)對(duì)此挑戰(zhàn)，伴隨著電子信息技術(shù)的不斷發(fā)展，則開(kāi)發(fā)通信用的泄漏電纜己在國(guó)內(nèi)外研制成功并廣泛應(yīng)用。直至今日它已成為隧道通信的一枝獨(dú)秀。

　　理念與結(jié)構(gòu)特征

　　泄漏電纜通信是一種特制的高頻電纜。高頻電磁能量在這種電纜中傳輸?shù)倪^(guò)程中會(huì)有少量能量泄漏到電纜四周?chē)目臻g。根據(jù)電磁特性可逆原理，這種電纜也能從周?chē)臻g接收電磁能量并把這些能量向電纜兩頭傳輸。這種電纜在地下隧道等特殊環(huán)境中作為無(wú)線通訊的中間載體已有大量應(yīng)用。

　　它的基本應(yīng)用原理：首先是由于電磁能量在電纜沿線泄漏沿橫向衰減比較快，就好像依附著電纜的一層電磁場(chǎng)可以隨著電纜作柔性彎曲。如果利用這種電纜作為一種傳感器敷設(shè)在地表，就有可能形成一條無(wú)形的可以隨著地勢(shì)起伏彎曲的電磁探測(cè)帶，一旦有大型物件或人穿越必然引起電磁場(chǎng)的擾動(dòng)，如果能撿測(cè)出這個(gè)擾動(dòng)并加以識(shí)別，這就可能構(gòu)成一種比較先進(jìn)獨(dú)特的安防設(shè)備。圖1為泄漏電纜基本應(yīng)用原理示意圖。

圖1為泄漏電纜基本應(yīng)用原理示意圖

　　同軸電纜是一種特制的電纜，由內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體兩部分組成，外導(dǎo)體嵌套在內(nèi)導(dǎo)體的外邊，并與內(nèi)導(dǎo)體處于同心圓(同軸)狀態(tài)，見(jiàn)圖2為泄漏電纜結(jié)構(gòu)特征示意圖。

圖2為泄漏電纜結(jié)構(gòu)特征示意圖

　　這種新型的電纜傳輸衰耗小，抗干擾能力強(qiáng)，在信息傳輸領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。泄漏同軸電纜是一種在同軸電纜外導(dǎo)體縱長(zhǎng)方向，以一定的間隔和不同形式開(kāi)槽的特制同軸電纜。開(kāi)槽的目的是為了使其電信號(hào)能量能從電纜槽口輻射出來(lái)，以達(dá)到向外傳播和接收外來(lái)無(wú)線電波的目的，好比是為無(wú)線電波的進(jìn)出洞開(kāi)了一扇“大門(mén)”。開(kāi)槽的形式則取決于所使用的無(wú)線電波的頻段。

　　隧道、礦井內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)線電通信的理想選擇

　　泄漏同軸電纜通信的基本設(shè)想是以同軸電纜作無(wú)線電臺(tái)的天線，用它進(jìn)行通信，可在一定范圍內(nèi)產(chǎn)生均勻的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)，而不受周?chē)h(huán)境的影響，通信可靠性高，也不存在通信盲區(qū)，接收電平穩(wěn)定，不容易受到外來(lái)信號(hào)干擾。泄漏同軸電纜系統(tǒng)可以提供多信道服務(wù)，例如，使用400兆赫頻段，頻率間隔25千赫時(shí)，可以提供24個(gè)通信信道，可以用來(lái)傳輸數(shù)據(jù)或話音(調(diào)度電話和公用電話)。

　　電力電纜隧道智能監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)抅建與安全運(yùn)行的保證

　　系統(tǒng)抅建

　　系統(tǒng)的新需求

　　隨著智能電網(wǎng)的全面建設(shè)發(fā)展，對(duì)電力電纜隧道智能監(jiān)控系統(tǒng)也提出了全新的要求。

　　首先是對(duì)隧道內(nèi)各類(lèi)監(jiān)控系統(tǒng)與信息共享能力進(jìn)行有效整合與協(xié)調(diào)，形成真正意義上的電力電纜隧道智能監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng);第二、針對(duì)電纜火災(zāi)故障預(yù)測(cè)，需采用分布式光纜測(cè)溫系統(tǒng);第三、視頻監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)需考慮穩(wěn)定性、先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)還需考慮應(yīng)用環(huán)境的適應(yīng)性;第四、電纜運(yùn)維人員能夠通過(guò)分控中心顯示器監(jiān)控該段隧道內(nèi)的視頻;第五、系統(tǒng)需提供對(duì)外接口，以便與分布式光纜測(cè)溫、PLC、SCADA系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)接。

　　系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

　　根據(jù)上述新需求，電力電纜隧道智能監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想為：系統(tǒng)應(yīng)是集硬件、軟件、網(wǎng)絡(luò)于一體的大型聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，以平臺(tái)軟件為核心，實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控，在監(jiān)控中心即可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行集中監(jiān)控，在運(yùn)維中心即可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管理，為智能電網(wǎng)保駕護(hù)航。

　　由此設(shè)計(jì)方案為：應(yīng)具高清視頻功能，應(yīng)采用720P及以上高清攝像機(jī)，提升視頻質(zhì)量和安防水平，滿足細(xì)節(jié)監(jiān)控需求，硬盤(pán)錄像機(jī)需匹配支持高清錄像存儲(chǔ);充分考慮環(huán)境，應(yīng)選用攝像機(jī)時(shí)，需充分考慮地下隧道潮汛、攝像機(jī)易進(jìn)水、鏡頭易起霧的情況，還需考慮冬季潮濕環(huán)境下易結(jié)冰的情況，同時(shí)工作井及隧道內(nèi)的燈光在正常情況下將關(guān)閉，需考慮攝像機(jī)的夜視功能;使用可視對(duì)講門(mén)禁，在工作井大門(mén)部署可視對(duì)講門(mén)禁，便于持卡人員刷卡進(jìn)入，未持卡人員和運(yùn)維中心進(jìn)行對(duì)講及可視化核實(shí)后，由運(yùn)維中心開(kāi)戶大門(mén);應(yīng)有可視化運(yùn)行管理系統(tǒng)，可視化運(yùn)行管理有助于提高日常管理工作的高效性，視頻監(jiān)控子系統(tǒng)與分布式光纜測(cè)溫、PLC、SCADA子系統(tǒng)，互相開(kāi)放接口實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)接后，報(bào)警信息能夠及時(shí)聯(lián)動(dòng)視頻，第一時(shí)間掌握現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)情況;具備移動(dòng)工作助手，通過(guò)手持終端(手機(jī)、平板等)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)管，便于運(yùn)檢班成員派工前及時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)情況、制定檢修方案，也便于領(lǐng)導(dǎo)、專(zhuān)家隨時(shí)隨地對(duì)突發(fā)事件進(jìn)行應(yīng)急指揮。

　　系統(tǒng)架構(gòu)

　　系統(tǒng)拓?fù)浞桨敢?jiàn)圖3所示。

　　系統(tǒng)組成。電力電纜隧道智能監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)主要由前端系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、中心系統(tǒng)三部分組成。

　　·前端系統(tǒng)。前端系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)采集電力隧道內(nèi)的電纜運(yùn)行環(huán)境及人員情況，以及采集工作井內(nèi)的設(shè)備運(yùn)行環(huán)境及人員情況。這些視頻信息通過(guò)光纖環(huán)網(wǎng)方式，在工作井分控中心的網(wǎng)絡(luò)硬盤(pán)錄像機(jī)匯聚存儲(chǔ)后，統(tǒng)一上傳至中心軟件平臺(tái)，并將在現(xiàn)場(chǎng)顯示器呈現(xiàn)，便于隧道運(yùn)維人員巡檢前的環(huán)境勘察;

　　·網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)用于前端與運(yùn)維中心、運(yùn)維中心與監(jiān)控中心之間的通信。前端系統(tǒng)的視頻通過(guò)視頻專(zhuān)網(wǎng)上傳至運(yùn)維中心，再通過(guò)電力綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)上傳至監(jiān)控中心進(jìn)入MIS網(wǎng)，分別供運(yùn)維人員、調(diào)控人員及MIS網(wǎng)用戶調(diào)用查看?？紤]到全線隧道距離較長(zhǎng)，各工作井間通過(guò)光纖級(jí)聯(lián)方式而非光纖環(huán)網(wǎng)方式，級(jí)聯(lián)的終點(diǎn)將在運(yùn)維中心，實(shí)現(xiàn)全線隧道視頻資源的匯聚、呈現(xiàn);

　　·中心系統(tǒng)。中心系統(tǒng)分為運(yùn)維中心及監(jiān)控中心。

　　運(yùn)維中心主要負(fù)責(zé)整會(huì)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)，并承擔(dān)部分監(jiān)控的職能。通過(guò)部署服務(wù)器，可管理隧道全線及工作井內(nèi)的所有視頻沒(méi)備，接收由攝像機(jī)上傳的視頻信息并進(jìn)行分發(fā)，滿足監(jiān)控中心大屏呈現(xiàn)、中心值班人員及MIS網(wǎng)用戶視頻信息查看的需求。同時(shí)，通過(guò)接入服務(wù)器與分布式光纜測(cè)溫、PLC、SCADA系統(tǒng)進(jìn)行信息交互，實(shí)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)統(tǒng)一呈現(xiàn)、報(bào)警視頻聯(lián)動(dòng)復(fù)核等功能。

　　監(jiān)控中心主要負(fù)責(zé)對(duì)隧道全線及工作井內(nèi)環(huán)境監(jiān)控、人員行為的監(jiān)控，并通過(guò)髙清解碼實(shí)現(xiàn)大屏呈現(xiàn)，成為對(duì)內(nèi)管理、對(duì)外宣傳的窗口。

　　光纖光柵傳感器在電力電纜隧中的安全應(yīng)用

　　光纖光柵傳感器的應(yīng)用是電力電纜隧道智能監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)安全這運(yùn)行的保證。

　　光纖光柵傳感器的原理

　　短周期光纖光柵屬于反射型帶通濾波器，長(zhǎng)周期光纖光柵屬于透射型帶阻濾波器。當(dāng)光通過(guò)光纖光柵時(shí)，光纖光柵將反射或透射其中以布拉格波XB為中心波長(zhǎng)的窄譜分量，圖4為光纖光柵傳感器應(yīng)用特征圖。對(duì)于光纖光柵反射中心波長(zhǎng)(短周期光纖光柵)或透射中心波長(zhǎng)(對(duì)長(zhǎng)周期光纖光柵)與介質(zhì)折射率有關(guān)，在溫度、應(yīng)變、壓強(qiáng)、磁場(chǎng)等一些參數(shù)變化時(shí)，中心波長(zhǎng)也會(huì)隨之變化。通過(guò)光譜分析儀檢測(cè)反射或透射中心波長(zhǎng)的變化，就可以間接檢測(cè)外界環(huán)境參數(shù)的變化。心波長(zhǎng)的變化，就可以間接檢測(cè)外界環(huán)境參數(shù)的變化。

　　光纖光柵傳感器在電力電纜安全上的應(yīng)用

　　隨著我國(guó)電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，電力設(shè)備安全在線監(jiān)測(cè)越來(lái)越受到人們的重視。光纖光柵傳感器在電力上的應(yīng)用，主要包括兩種方式：一是通過(guò)對(duì)溫度的測(cè)量實(shí)現(xiàn)對(duì)電力設(shè)備的實(shí)時(shí)安全檢測(cè)。電力設(shè)備的故障主要存在于電力系統(tǒng)要害部位(終端、中間接頭等)和易發(fā)生故障的部位彎曲敷設(shè)部位)，因此對(duì)電力電纜系統(tǒng)的重點(diǎn)部位進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)，就可以實(shí)現(xiàn)電力電纜的安全檢測(cè)。光纖光柵傳感器對(duì)這些電力設(shè)備進(jìn)行溫度的在線監(jiān)測(cè)，診斷過(guò)熱的原因，再經(jīng)過(guò)處理分析故障，從而實(shí)現(xiàn)真正意義的在線安全監(jiān)測(cè)。圖5為光纖光柵傳感器在電力電纜隧道內(nèi)應(yīng)用示意圖。