电缆隧道在线监测系统的研究与设计

电缆隧道在线监测系统的研究与设计

石浩

（国网常州供电公司江苏常州213000）

摘要：随着我国不断加大对电力设施建设的投入，高压电力电缆以占地少、不影响环境、供电可靠性高等优势在各大城市得到了广泛应用，高压电缆及电缆隧道的长度也呈逐年增长趋势。因此，适当采用在线监测技术对电缆隧道内部的运行状态进行监测，及早发现事故隐患并及时予以排除，对电网的可靠运行具有十分重要的意义。

关键词：电缆隧道；在线监测；系统；研究；设计

1、对电缆隧道监测因素的分析

根据最新要求，220千伏及以上电缆原则上需采用隧道型式，不得采用非开挖定向钻（拉管）或直埋敷设。随着电网规模的飞速发展，电缆隧道也将越来越普及。

电缆隧道的应用，满足了城区高负荷密度及其电缆化的供电要求，能有效保障电力通道的输送量，同时也提高通道资源的利用率。电缆隧道一般置于城市中心的地底，主要是由衬砌，洞身，洞门，电缆槽、电缆以及其他附属建筑组成。

电缆隧道的建设目的是为了地下电缆的铺设和电力的安全传输。与普通的架空线路传输系统不同的是，隧道是修建在地底下的密闭环境。因此，隧道中电缆的运行状况由电缆本身的特点和地底密闭环境的各个因素所决定。

电缆隧道监测系统主要组成部分有：视频监控，门禁系统，温湿度监测，有毒气体浓度监测，氧气浓度监测，水位监测，火灾（烟雾）报警等。

视频监控：视频监控可以最直观的了解到电缆隧道内部的实时情况。一般来说，视频监控都设置在电缆中间接头、接地箱及水泵等关键位置。同时运行人员可以随时通过监控系统切换视频画面，对影像资料进行储存和调用。

温度监测：电力电缆一般是由导体、绝缘层和护套构成的。在运行中，介质损耗会随着电流和温度的上升而上升。当电力电缆的温度过高时，还会加速绝缘老化。当温度超过阀值（90C°）后，可能会引起火灾，造成电力中断。

湿度监测：电缆隧道埋建在地下，一般深达十余米，通风性能较差，再加上地下水的渗透等原因，使得隧道中的湿度偏高。湿度会直接影响电力电缆的绝缘水平。另一方面，水汽也会加快金属构件锈蚀。

有毒气体和氧气浓度监测：隧道中往往存在着一氧化碳，硫化氢和甲烷等裂隙瓦斯。裂隙瓦斯是从隧道围层中溢出的有害气体的总称。裂隙瓦斯对人体有极大的害处，甚至能造成人员死亡。另外，当氧气浓度太低时，也会危及隧道中运行人员的人身安全。

水位监测：地表水下渗，渗流、岩溶积水等都容易造成隧道内部水位过高。而水的浸泡，会导致电气设备的锈蚀甚至短路，严重时不仅仅毁坏本隧道内的电气设备，还会影响到其他与电力电缆关联的用电或者供电设备。

火灾（烟雾）监测：烟雾浓度是火灾发生前的一个先兆，监控隧道内部烟雾浓度，即可提前发现火情，将事故扼杀在萌芽状态。同时由于地下隧道只有出入口与外界联通，通风性非常差，容易造成烟雾无法消散。烟雾的残留，也会腐蚀电气设备，加速电气设备老化。

门禁系统：门禁监控可以预防不法分子进入电缆隧道进行盗窃或者破坏，并对每次进出隧道进行影像资料存档。

2、有害气体和氧气浓度监测的具体实施方案

电缆隧道内有时会产生由于内部绝缘材料老化产生的有害气体、不良沉积物变质挥发气体产生或外界有害气体侵入并聚集的现象，空气内含氧量的异常、有害气体(包括一氧化硫、硫化氢、甲烷等有毒有害、易燃易爆气体)在隧道内的聚集不但会直接影响电缆设备的安全，提高隧道火灾的风险程度，更会威胁到进入隧道进行巡视维护工作人员的生命安全。因此电缆隧道内应安装气体探测器以监测隧道内有害气体的含量及空气的品质。同时将风机系统和气体监测系统关联，主动调整隧道内部气体健康程度。

目前应用较为广泛的是光纤多气体检测系统。对比其他种类的传感器，该系统使用光纤传感器，具有以下几点优越性：一、可以敏锐的探测到一氧化硫、硫化氢、甲烷等有毒有害、易燃易爆气体以及氧气浓度的变化；二、探测范围广，气体选择性强，响应速度快；三、无需调校，后期维护成本非常低。依赖光谱对这些气体吸收的原理实现智能测试浓度，快速反应到系统中。

3、隧道水位监测和排水系统的具体实施方案

长期运行的电缆隧道会因结构渗漏、地下水渗透、倒灌和接口封堵不利等多种原因引起隧道内积水，积水的产生不但会增加隧道内空气的湿度，腐蚀隧道内的电气设备和金属构件，降低电力电缆的绝缘水平，从而加快电缆绝缘的老化速度。

水位的监测同样采用光纤光栅传感技术，与传统电学类传感器相比，光纤光传感器在产品寿命、可靠性、工程实施难度、系统布线复杂程度等方面都拥有无可比拟的优势。

光纤光栅是利用光纤材料对自然光光敏特性沿纤芯轴向形成的一种折射率周期性分布的结构。这种特殊的结构周期性分布能改变某一特定波长的光的传输路径，使光的传播方向发生改变，在光纤中形成一定带宽的滤波器或反射镜，其中反射光的波长由纤芯折射率和光栅周期决定若纤芯折射率或光栅周期受外界压力的影响发生改变，就会导致光纤光栅的反射波长变化。

在监测水位的基础上，加装水泵启停控制系统。当水位超过警戒线后自动启动水泵进行排水工作，当雨季时期水位超过临界值，开启备用水泵辅助排水，并可实时监控水泵运行状况，提高自动化水平。

4、隧道视频监控和门禁系统的具体实施方案

隧道视频监控系统包括主站软件系统及前端设备，实现电缆隧道环境、运行状态及电缆安防的状态监测，保障电缆安全运行。

1）系统通过主站供运行人员对各监视点实施监视，同时自动对影像资料进行数字化编辑、存储。

2）通过软件设置的监控模式、来自其他系统的联动信号、或管理员通过控制操作台发出指令，启动视频系统切换，将相应的摄像机摄取的图像切换至详情监视器进行观察并数字化存储所有摄像机的图像均叠加编号、日期与时间等信息，并通过网络视频录像机予以记录存储，以便日后必须的的备案及检索。该软件应尽量简洁直观，便于操作。

3）监控系统应具备报警管理功能，可对报警信息分类（预报警、事故报警）、记录和储存。

4）监控系统应提供系统安全管理功能，保护主机和系统的安全运行，并防止黑客入侵破坏、扫描病毒和漏洞。

5、隧道火灾监测系统的具体实施方案

火灾监测系统同样适用光纤测温系统。在空间分辨率±1米，8公里测量范围条件下，温度精度为±1摄氏度时，单一通道总测量时间不超过30秒。

外置式测温光纤外护套必须适用高性能低烟无卤素阻燃热塑型材料，具有优良的热传导性、机械性能、防水性能以及抗腐蚀性能。

在电缆隧道内部电缆密集部位、多回充油电缆终端、中间接头处等安全要求比较高的场所，还需要加装额外的专用消防设施。目前国内使用较多的有干粉灭火弹。干粉灭火弹的热敏线必须均匀缠绕在电缆中间接头或电缆终端上，并牢固绑扎。

火灾监测系统必须配备报警系统，当隧道内发生火情，能够做到及时反映，向指定的多个手机号码和系统终端发送报警信号。

结束语

随着管理水平的不断提升，对电力设备信息化的要求也越来越高，需要从运行中的电力电缆上检测得到的数据种类也越来越多。电缆护层环流监测系统、电力电缆局部放电监测系统以及电缆故障定位系统也将逐步被整合到电缆隧道在线监测系统中。加快信息化建设、提高各系统的工作效率和现代化管理水平，已经成为提高电缆运行水平的战略抉择，建设电缆隧道多状态在线监控系统已迫在眉睫。

参考文献

[1]杨静，朱晓岭，董翔，卢毅，李宁.基于护层电流的高压电缆故障在线监测和诊断[J].高电压技术，2016，42(11):3616-3625.