地下综合管廊电力电缆接头温度监测技术

≥可在www.sciencedirect.com上在线获取ScienceDirectICTExpress 8（2022）626www.elsevier.com/locate/icte基于光纤光栅的地下综合管廊电力电缆接头温度监测技术HyunjinKim，Misuk Lee，Woo-Sug Jung，Seung-Hee Oh大韩民国大田电子和电信研究所接收日期：2022年4月28日;接收日期：2022年7月4日;接受日期：2022年7月17日2022年7月23日在线提供摘要地下公用事业隧道（UUT）是电力、天然气和电信等公用事业的集中设施，是帮助人类日常生活的重要基础设施。因此，保护UUT免受灾害是至关重要的。UUT内部设施中的电力电缆事故大多发生在电力电缆的接头处。本文提出了一种温度传感器模块用于检测可能发生在配电网中使用的电缆的“电缆接头”处的火灾（可能发生在UUT中的灾难）。由于所提出的温度传感器模块基于光纤传感器，因此可以在没有电磁波干扰的情况下进行长距离传输。因此，它适用于窄而长的UUT。当来自宽带光源的光被发送时，光纤布拉格光栅（FBG）反射根据温度具有不同波长的信号。光学滤波模块将反射信号分成四个波长并同时滤波。通过自参考解调的信号具有几乎线性的特性。 调整后的R平方值表示线性度，0.99744，温度分辨率 分析模块的温度为1℃。我们将所提出的FBG放置在配电网的通电电缆接头上并测量温度。在这里，我们提出的传感器模块的配置和测量结果。© 2022作者由爱思唯尔公司出版代表韩国通信和信息科学研究所这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：电力电缆监测;光纤光栅;光学温度传感器;地下综合管廊1. 介绍电力、电信、水和天然气等基本服务是在人口密集地区（如城市）使用地下公用隧道（UUT）运输和供应的。UUT是一个重要的基础设施，因为维持生命所必需的各种公用事业和服务都在其中安装和管理2018年，韩国首尔一条电信电缆隧道的附属设施而非管道发生火灾。有线和无线电话无法使用，安全和医疗设施以及信用卡和自动取款机（ATM）等电子商务服务也被封锁。原长度为150 m的光缆的丢失部分这一事件造成了数百万美元的损失，而未计算的损失估计更大。*通讯作者。电子邮件地址：hjkim80@etri.re.kr（H. Kim），lms@etri.re.kr（M. Lee），wsjung@etri.re.kr（W.-S. Jung），seunghee5@etri.re.kr（S.H.哦）。同行审议由韩国通信研究所负责教育与信息科学（KICS）。https://doi.org/10.1016/j.icte.2022.07.006此外，UUT通常安装在工业设施聚集的区域。在这种情况下，由于灾害或事故造成的损失成本将呈指数级增长。通常，两种或更多种不同类型的电缆或管道容纳在一个UUT中。因此，当其中一个国家发生灾难（事故）时，它可以蔓延到附近的其他国家例如，如果电力电缆和电信电缆彼此靠近并且在电力电缆中发生爆炸或火灾，则在电信电缆中也很可能发生事故。韩国政府认识到UUT管理系统升级的必要性，于2020年，四个部委启动了几个传感器用于监测UUT中的配套设施的状态。例如，光学和声学传感器用于监测气体和水管[2，3]，而局部放电和温度传感器用于监测电力电缆[4韩国消防安全标准文件KFS 1252（UUT的消防安全标准）介绍了自2008年以来韩国发生的UUT火灾2405-9595/© 2022作者。 由Elsevier B.V.代表韩国通信和信息科学研究所出版。这是一CC BY-NC-ND许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。H. 金，M。李，W.-S. Jung等人ICT Express 8（2022）6266271993.根据这份文件，对于电信部门来说，附属设施发生火灾的可能性高于电信电缆本身。对于水管，可以通过巡查管道中产生的特定振动或声音来识别是否存在异常。然而，在电力电缆的情况下，通过巡逻来检查是否存在异常是困难的。在此，我们提出了一种用于诊断电力电缆异常的传感器。电力电缆通常为几公里或更长，因此很难对其进行全面监控。Nakamura [5]报告说，电缆接头是不同电力电缆的连接点，是电力电缆发生事故最多的地方。此外，我们需要在不中断电源的情况下监控电缆接头。在这种情况下，可用的诊断方法是局部放电或温度测量。电磁波会影响和扭曲热电偶的信号，热电偶通常用作温度传感器。UUT可能又窄又长，需要在与发射强电磁波的电力电缆光纤传感器可以在没有电磁干扰的情况下进行远距离测量[7]。光纤光栅是一种准分布式光纤传感器，它可以在光纤上的所需位置写入布拉格光栅。这在根据电缆接头的不规则位置制造传感器时是有利的。然而，FBG传感器需要解调和昂贵的仪器。例如，光谱分析仪（OSA）的购买成本超过10，000美元，而Ibsen的FBG测量仪的价格为3500欧元。然而，电力公司的专家建议我们不需要高精度;因此，我们专注于降低生产成本。一个用过的过滤器要25美元。此外，它是一种无源器件，其故障比有源器件少。这对于光学传感器的现场应用是有利的。在这里，我们提出了一种传感器模块，同时通过组合光学滤波器的四个不同的FBG的波长。此外，我们提出的温度变化的测量结果的电缆接头的人孔，这是一个类似的UUT的结构，使用建议的传感器模块。2. 系统设置和规格2.1. 光学部件FBG是一种在光纤内部周期性地施加折射率变化的组件，例如光栅[8]。根据光栅的间距，特定波长的信号被反射，而其他信号被透射。反射波长基于施加到FBG的温度或应变而移位。为了解调FBG，已经研究了各种技术;这些技术包括使用波长分析设备，如OSA，根据波长具有不同透射率的滤波器，如LTF，可调谐滤波器或激光器，干涉仪或光电检测器阵列[8LTF用于调节Fig. 1. 拟议模块的示意图。WDM是波分复用。通过波长反射FBG信号。可调谐滤波器或激光器将波长转换到时域。例如，如果在1550-1560 nm的范围内以相同的速度进行扫描10 s，则在1550-1560 nm处确认的波长值为5s将是1555 nm。所提出的模块测量由温度或应变改变的光量。然而，光量也可以通过施加到光纤的外部刺激来改变。为了克服这一点，应用了FBG信号除以参考信号的结构[14]。图 1示出了所提出的模块的示意图。用于评估电力电缆的诊断方法之一是检查电缆的每相之间是否存在>10Ω这因国家而异，是韩国使用的标准因此有需要为每个相安装温度传感器并比较每个相的温度。为了解调多个传感器，我们组合了三种类型的WDM滤波器，每种滤波器对应于不同的波长带。不同波长带的滤波器通径为1540过滤器C）。滤波器通道是钢管形式的无源元件，由三个端口组成：com、pass和reflection。所有波长特性如图2所示。光信号通过组合式WDM滤波器被分成四个波段随后，以8：2的比例将其分为传感器信号和参考信号。传感器信号通过线性发射器滤波器（LTF）。通过分析温度的变化，光通过LTF的时间。LTF的光学特性在1541-1548、1551-1558、1561-1568和1571-1578 nm范围内呈线性透射。这些ltf被附着到成角度物理接触（APC）的端部，H. 金，M。李，W.-S. Jung等人ICT Express 8（2022）626628- -表1WDM滤波器的规格。参数WDM滤波器A WDM滤波器B WDM滤波器C通过通道波长范围1550±.75 1570±.75 1545 ±.2反射通道波长范围1260&1562.5-16201260&1582.5-1620插入损耗（dB）隔离（dB）PDL（dB）回波损耗（dB）51 49 55光纤类型SMF-28 e，带900 um松套管SMF-28 e，带900um松套管SMF-28 e，带900um松套管图二. 由WDM滤波器组合滤波的波长。第1章：WDMA（通过）WDM C（反射），通道2：WDM A（通过）WDM C（通过），通道3：WDM A（反射）WDM B（通过）WDM C（通过），通道4：WDM A（反射）WDM B（通过），WDM C（反射）。套圈，并与光电探测器（PD）组装。表1列出了WDM滤波器的规格。图2显示了滤光器的波长。我们使用OSA测量波长。通过WDM滤波器A的波长带为1540-1560 nm。波长带分为1540-1550和1550-1560通过将WDM滤波器C应用于初级滤波信号。图2所示的通道1和通道2的输出显示了结果。在类似的过程中，分离1560-1570和1570-1580 nm的波长带图三. 光谱的波长由WDM滤波器和LTF划分。LTF：线性透射滤光片输出; Ref：参考输出。表2线性回归分析参数海峡1 Ch. 2 Ch. 3 Ch. 4斜率0.46228 0.34812 0.38648截距789.31986 720.10967 545.67669 609.507360.99864 0.99955 0.99862 0.99756Adj. 0.99857 0.99953 0.99855 0.99744图3中给出了一个曲线图，以确认当从FBG反射的光信号通过组合滤光器时的最终特性。由于激光器的光谱与FBG的反射波长相似，因此以0.1nm为单位改变激光器的波长以确认输出特性。使用了可调谐激光源、电流源仪表和与通用接口总线（GPIB）电缆相关的笔记本电脑。将可调谐激光源连接到循环器的端 口 2 ， 并 以 0.1 nm 的 间 隔 和 50 µW 的 范 围 进 行 扫 描1540 - 1580 nm。激光信号类似于FBG反射。我们使用LabVIEW程序控制激光器并测量输出。在光模块制造过程中，由于拼接、弯曲损耗和滤波器粘合，输出中会出现一些失真。（见表2）通过通道0.4050.450.42反射通道0.3370.2580.21通信道363449反射通道202019通信道0.040.040.04反射通道0.050.040.06H. 金，M。李，W.-S. Jung等人ICT Express 8（2022）626629××图五. 制造模块。a.模块框图; b.光学部件和电路;以及c.微控制器图四、四 个 通 道 的 最终输出和线性拟合。根据Y. Sano [15]提出，阵列波导光栅（AWG）的一部分线性输出可用作LTF。类似地，在每个通道处，10 nm中的约2-3 nm是线性的。图4，仅使用2 nm。图4示出了将LTF信号除以线性范围内的参考信号的输出，其与图4中呈现的数据相同。3 .第三章。对于每个通道，我们对最终输出应用线性回归分析。根据第4章的线性回归分析，R平方和调整R平方分别为0.99756和0.99744。R平方是它与线性的接近程度的指标。使用调整后的R平方，因为R平方随着变量数量的增加而不断增加。R平方的最差值为0.99744，几乎呈线性。这意味着光学滤波器模块的输出对四个通道的FBG呈线性响应。光 源 为 pOA ， 它 是 一 种 小 型 商 用 掺 铒 光 纤 放 大 器（EDFA），输出功率为5dBm，波长范围为1523-1563nm。通道3和4超出了光源的波长范围，但规格基于3 dB带宽。光功率对于实际使用是足够光纤光栅传感器的中心波长为1544、1554、1564和1574 nm，反射率和3 dB带宽分别为90%和± 0.25 nm2.2. 模块壳体光学组件的最终输出是PD的电流。在这个过程中，光信号被转换成电信号。有必要将其转换为温度值，以便用户使用。转换过程使用电路和微处理器执行。图5显示了制造的模块。滤光器模块位于底部，并且电子电路用于图六、 室温下的输出。PD，光源，和14个光开关在其上方。的14光开关的情况下，有许多测量点。在这个实验中，只使用了一个通道。开关的存在或不存在没有影响。如果需要多次测量，我们可以使用多达16个FBG。Raspberry Pi被放置在光学元件和电路上。光信号通过电路转换成电信号，电路由几个电阻器、电容器和集成电路（IC）芯片组成。PD使用16位模数转换器（ADC）。Raspberry Pi用于传感器数据采集、光学滤波器模块输出的温度转换和通信。 温度分辨率可以更精细，但根据用户的要求，它被设置为1°C图 6说明了测量通道1在室温下的结果。测量是在室内进行的，没有任何明显的温度变化。将FBG连接到热板上，并用塑料盖覆盖，以使外部温度干扰最小化。没有温度变化，但输出波动。传感器输出的失真是由于光源功率的波动和光纤中的干扰。H. 金，M。李，W.-S. Jung等人ICT Express 8（2022）626630图7.第一次会议。 PD输出随温度变化。通过将LTF信号除以参考信号，补偿了光源和光纤引起的失真。在图6中，基于通道1的输出，与PD 1和PD 2的图7示出了温度变化的测量结果。该试验在室温（约24℃）下进行。在前2分钟内没有温度变化。热板温度设定为80℃持续约9分钟，其中需要约4分钟才能达到 80摄氏度第四频道比其他频道更吵，从光来源低。在热板的温度达到80° C之后，观察到温度变化的形式为一个人，不允许这个人成为通过控制热板温度使其变平。温度室用于系统温度校准。在UUT中，几乎电力电缆由三根电缆组成， 相位差为120Ω，表明足以测量所有具有Ch 1、2和3的电缆的温度。相对嘈杂的通道4可用作备用通道。制造出来的装置是防水的，所以内部的热量很难散发到外面。由于封闭系统的条件，预计内部温度将逐渐升高系统放置在温度室中并加热至90° C，以确认高温下的操作模拟执行文件复制过程以应用负载到微处理器。在80° C时没有观察到问题，但在90° C时有时会重新启动。除非有火灾，否则内部温度很少会上升到80摄氏度。因此，预期该装置操作没有任何问题，即使在炎热的夏季。见图8。现场设备安装。a.现场检修孔，b。电源模块和感测装置，以及c.电力电缆接头上的FBG2.3. 现场温度监测为了确认设备的可靠性，在比UUT更差的地下配电网的人孔上进行了现场测试。图8示出了所提出的系统在实际人孔中的安装。图图8说明了拟议系统的安装在一个真正的下水道孔里由于存在各种电气部件，检修孔经常充满水;因此，防水是必不可少的。目标沙井在入口附近充满了水，如图所示。早上8 图图8b中，左右外壳分别包含开关模式电源（SMPS）和建议的模块。因此，检修孔内没有供电。当电流流过电力电缆时，产生磁场，并且使用电力电流Transformer（CT）供电，电力电流变压器是将电磁波转换成电力的装置。将测量数据传输到电力线通信。如果在UUT中使用，则申报模块可以在设施室或控制室中;因此，不需要通过SMPS或电力线通信（PLC）供电。在这项研究中，安装位置是根据环境的恶劣程度选择的。因此，需要电源或通信网络。因此，我们采用了SMPS和PLC。我们在电力电缆表面安装了一个光纤光栅，如图所示。8c.然而，大多数现场工作人员并不熟悉FBG传感器。因此，光纤具有以防止由于用户疏忽而损坏光纤传感器。还使用了“铠装电缆”对FBG进行额外保护。在电缆内部，金属弹簧结构围绕光纤。 人孔的形状根据电缆布置和环境而变化，安装系统的人孔具有L形。由于检修孔内没有电源终端，因此在实验中安装了一个自发电装置。图9示出了从0：00到23：00的电缆表面的测量温度。功率的电阻分量H. 金，M。李，W.-S. Jung等人ICT Express 8（2022）626631−图9.第九条。 现场电力电缆的温度。电缆是恒定的，除非发生事故。因此，产生的热量与电流量成正比。测量于2019年8月11日进行。室外的最高和最低温度人孔的温度分别为33.9 ℃和26.4℃。然而，检修孔位于大约2-3 m的深度处地下;因此，温度在夏天相当低。安装该系统的沙井位于住宅区，而不是公司或工厂区。在测试之前，我们检查了本地电缆是否正常运行。因此，电缆的温度与使用的功率成正比。根据测量结果，从上午12点到早上6点，用电量持续下降，然后全天都有明显上升。19：00 h后，耗电量再次逐渐下降。这与公民的生活方式相似测得的温度变化范围不大，但拟议系统的可测量温度范围为10摄氏度至100摄氏度，足以检测电缆内部的事故或爆炸3. 结论电力电缆的温度是UUT管理中的关键监控因素。它提供的信息，以确定是否增加是由于目前的负载或事故。本研究提出一种可利用光纤感测器监测电力电缆接头温度的感测模组。使用光纤传感器的优点是它们不受电磁干扰的影响。我们建立了一个传感器模块，包括一个FBG传感器，WDM滤波器，电子电路，和一个微处理器。我们可以通过使用WDM滤波器将FBG传感器信号转换为温度来降低成本。所提出的传感器模块为现场应用提供了足够的线性度，并且可以在不需要额外的网络配置或电源的情况下将光信号传输得很远。因此，预期所提出的传感器将有效地用于配电网的温度监测，特别是在狭长的基础设施中，如UUT。对于未来的工作，我们计划将其应用于UUT，其中有许多电缆接头，并通过增加所提出的模块的传感通道的数量来测试它。CRediT作者贡献声明Hyunjin Kim：实验，数据分析，写作编辑. MisukLee：研究设计，数据分析，写作编辑。Woo-Sug Jung：研究设计，实验，数据分析，写作编辑。吴承熙：研究设计，数据分析，写作编辑。竞合利益作者声明，他们没有已知的可能影响本文所报告工作致谢这项工作得到了韩国政府（MSIT，MOIS，MOLIT，MOTIE）资助的信息通信技术规划评估研究所（IITP）赠款的支持（编号2020-0-00061，基于数字孪生的地下公用事业隧道引用[1] 韩国政府，KOREAN NEW DEAL 2.0，2020，https：//www. 我知道了。去吧。kr/img/img_k或一个新的deal_e。pdf.（2022年1月28日查阅）。[2] R.F. Wright，P. Lu，J. Devkota，F.卢，M. Ziomek-Moroz，P.R.小奥霍德尼基，用于结构健康监测的腐蚀传感器石油和天然气基础 设 施 ： 综 述 ， 传 感 器 19 （ 2019 ） 3964 ，http://dx.doi.org/10.3390/s19183964。[3] H. Lu，T. Iseley，S.贝赫巴哈尼湖傅，石油天然气管道泄漏检测技术 ： 最 新 技 术 ， Tunn 。 未 成 年 人 Space Technol.98 （ 2020 ）103249，http://dx.doi.org/10.1016/j.tust.2019.103249。[4] A.A.汗北马利克，A. Al-Arainy，S. Alghuwainem，地下电力电缆状态监测综述，2012年IEEE状态监测与诊断国际会议，2012年，第0909http://dx.doi.org/10.1109/CMD.2012.6416300[5] S. Nakamura，S.莫鲁卡湾李明，电力电缆接头温度监测系统，电力 工 程 学 报 ， 2001 。 7 （ 1992 ） 1688 http://dx.doi 。org/10.1109/61.156967。[6] R.吴角，加-地张，局部放电作为地下电缆接头在线监测系统的使用，IEEETrans.PowerDeliv。26（2011）1585http://dx.doi.org/10.1109/TPWRD.2011.2124474[7] H. Kim，S.帕克角，澳-地Yeo，H.康，H. 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