分散式光纖電力電纜溫度即時監測及故障預警測距系統

前言

電力系統組成與運作是由電纜、高低壓切換開關、高低壓配電盤、匯流排、高低壓變壓設備、保護電驛設備，利用這些設備組成的輸配電系統輸送所需電能到負載端。其中電纜為正常輸送電力至現場負載用電的重要途徑，匯流排在電力系統中扮演著輸配電功能，因載電流大、空間配置小、負載分配容易等特性，比大電流負載採用電力負載來的實用，由於廠內低壓電纜線、匯流排幅員廣大且分佈各廠區四處，從幾公尺到上百公尺輸送路徑上，每三公尺一直線接頭及轉彎處90∘接頭，數量甚多，由於長距離的輸送電力，在大負載、大電流下，所經過的場所背景不同、環境溫度也不同，再者，施工時接頭是人為施工固定，接頭螺絲是否鎖緊密合，在長時間的使用負荷下，安全是唯一考量，特別為狹窄的夾層、地下電纜或裝機密集區域，其潛在風險與材料老化難以被發現，台積電多個廠區曾發生電力短路事故導致停電、影響生產，針對低壓配電系統溫度即早偵測與故障預警，目前台積電廠區尚未有此應用，故在本期季刊中提供廠務弟兄一個技術新知分享。

文獻探討

電力電纜故障的原因

電力電纜的各種構造總歸起來，主要由五大部分所組成如 圖1所示：導體蕊線、絕緣層、內外半導電層、金屬屏蔽層、金屬或非金屬護套，其中任何一部分出現問題為該電纜有故障。總體來說，目前電力電纜主要可分為三大類故障：導線故障、絕緣故障和護套故障。

電力電纜故障測距方法介紹

根據陳輔賢^[1]的研究表示，對於電力電纜故障測距方法出現很多類型，這些方法主要是用於不同的故障情況，且各方法有其優缺點存在。故障電纜初測法分為迴路電橋平衡法、低壓脈衝反射法、閃測儀法，在電纜故障初測法中，先按故障性質不同，選用合適的電纜故障測試儀，利用電纜線路技術資料測量併計算出故障點離測試點的距離和故障點的路徑位置。初測法主要有迴路電橋平衡法、低壓脈衝反射法和脈衝電流法三種。

電橋法

迴路電橋平衡法，簡稱電橋法，是利用故障電纜的長度與電阻成線性的關係，將直流電橋改接成便於測量電纜一相或兩相低阻抗接地的方法。電橋法的原理示意如 圖2所示。

低壓脈衝反射法

簡稱脈衝法，是利用脈衝信號在電纜線路中傳播時遇到波阻抗不匹配點產生電磁波反射的原理，由示波器上測得脈衝波反射時間和電纜波速，確定電纜故障點的距離。脈衝法的接線示意如 圖3所示。

脈衝電流法

在電纜故障中，單純的斷線開路故障很少，絕大部分都是含有低電阻的、高電阻的或閃絡性的單相接地、多相接地或相間故障，所以在實際測量中脈衝電流法是最常用的測距方法之一。脈衝電流法主要是將故障點用高壓擊穿，如 圖4所示，用儀器採集並記錄下故障點擊穿產生的電流行波信號，通過分析判斷電流行波脈衝信號在測量端與故障點往返一次所需要的時間差Δt，根據公式t=uΔt/2來計算故障距離的測量方法叫脈衝電流法。脈衝電流法採用線性電流耦合器採集電纜中的電流行波信號。依照高壓發生器對故障電纜施加高壓電壓的方式不同， 脈衝電流法分直流高壓閃絡與衝擊高壓閃絡兩種測試方法。

二次脈衝法

低壓脈衝(反射)法測試低阻和短路故障的波形最容易識別和判讀，可惜他不能測試高阻和閃絡性故障，原因在於它發射的低壓脈衝不能擊穿這類故障點。而二次脈衝法正好解決了這個問題，他可以測試高阻和閃絡性故障，而且得到的是和低脈衝法相似的波形，易於識別和判讀，如 圖5所示。並參照 表1各種故障類型建議之定位方法及 表2各種故障測距測試法比較表。

電力電纜溫度檢測技術

對於機器設備異常溫度升高部位，檢測其產生之熱屬於經常性或短暫性，並慎重分析採用的檢測器元件與測試方法，才是高效率的評估診斷關鍵。機電設備如電動機、電力變壓器、電力電容器、高壓斷路器、發電機、電力電纜等發熱原因，其溫度檢測要點如 表3所示^[2]。

根據楊文英^[3]在研究內容中提到以下溫度檢測技術：

點式溫度感應技術

測試現場依據需要設置多個點式傳感器(如熱偶電阻和熱繼電器等)已測得空間特定點的溫度並通過相應的纜線將溫度模擬量或越限信號上傳至主機進行處理的技術。主要採用的是基於溫度傳感器或者熱電偶量測技術，將溫度傳感器或熱電偶置於線路中易發生故障的地方，如電纜終端和中間接頭，或電纜有局部熱源處，來監測這些部位的溫度。這種方法投資少，操作簡單，並且只能獲得線路的局部溫度。

熱像儀的電力電纜即時監測技術

目前的研究主要是利用紅外線技術，如紅外熱像儀。對電纜表面溫度進行測量，對線芯溫度進行計算，實現對電纜線芯溫度非接觸式、實際可見的在線診斷。這種方法雖然能夠彌補電纜局部測溫的不足，需考慮影響紅外線技術如物體反射率或現場環境的遮蔽等因素。

線式溫度傳感技術

主要是在測溫現場依據需要敷設一根或多根由特殊溫度導電性能材料製成的溫度感應電纜，將溫感電纜沿電力電纜平行安放，或將其綁在電纜外護套上以測得一定區段內空間溫度。當電纜溫度超過固定溫度值時，感測電纜被短路，發出警報信號。缺點是破壞性警報、報警溫度固定、故障信號不全，且不能測出電纜的實際溫度值；由於電纜數量多，系統安裝及維護工作不夠方便，設備易損壞；無法進行即早故障偵測，亦不能在線顯示量測值，無溫度趨勢分析。

光纖傳感器技術

光纖傳感器是近年發展起來的一種基於光導纖維的新型傳感器。光纖傳感器作為敏感信息的載體，用光纖作為傳達敏感信息的媒介。因此具有光學量測的特點：電絕緣性能好、抗電磁干擾能力強、高靈敏度、容易實現對被量測信號的遠距離監控。光纖傳感器的原理是把測量的狀態轉變為可測的光信號的裝置。它利用入射光和後相散射光之間的時間差和光纖的光傳播速度，可以計算不同散射點的位置距離入射端的距離，所以可以得到光纖沿路連續的溫度分布。 表4整理各種溫度感應技術之比較分析。

光纖測溫與測距原理^[4]

光纖溫度量測基本原理是利用一根光纖作為溫度訊號傳導介質，向光纖中發射一個光脈衝後，光纖中每一個單獨的點都將後向散射一小部分光，這些後向散射光包含有斯托克斯光(Stokes)和反斯托克斯光(Anti-Stokes)，其中斯托克斯光與溫度無關，而反斯托克斯光的強度隨溫度變化而變化其強度，溫度T為下的公式(1)：

其中h為普朗克常數；K為拉茲曼常數；IS為斯托克斯光強度；ISA為反斯托克斯光強度；f0為伴隨光頻率；∆f為拉曼光頻率增量。

利用入射光和後向散射光之間的時間差∆ti和光纖內的光傳播速度ck，可計算不同散射點距離入射端的距離Xi，因而可求得光纖沿路幾乎連續的溫度分布。Xi可由下公式(2)求得：

利用光纖為混合石英玻璃製成，周邊產生熱能會引發固體內的晶格振盪，當光束落於這個區域時，會發生光散射的現象，一般稱為拉曼散射(Raman Scattering)。而光纖傳感器主要是利用光頻域反射(OFDR)技術，以及拉曼散射(Raman Scattering)的溫度效應來實現的，即是向光纖打出連續頻率不同的雷射，通過發射光的頻率判斷發熱點的資訊和位置，且空間解析度並不會隨測量距離變化而降低，光束源使用壽命長。OFDR連續波運行，散射回的信號將通過一個複雜調製頻率的函數計算得出熱點資訊，如 圖6所示。

系統結構與工作原理

從文獻探討中提到的故障偵測方法較適用於高壓電力系統，如電橋法、脈衝法等，並不試用於本文所探討的低壓系統，因為高壓線路佈線數量僅需一到二組線路，相對於低壓系統來說線路簡單且單純，在低壓配電系統電纜架與電纜線配置複雜且數量多。而溫度對於低壓電纜線或是電力主幹線匯流排(Bus Way)，能夠提前找出異常的有效偵測點並準確的定位，此預警系統需要具備七大功能：即時溫度數據採集、即時溫度數據顯示、過溫警報、升溫速率警報、歷史數據顯示、特性曲線顯示、SCADA遠端監控診斷與維護，對運轉維護上有莫大幫助。因此推論，分布式光纖偵溫系統（Distribution Temperature Sensing, DTS）很適合作為低壓配電系統溫度偵測與預警，如 圖7、8、9所示。目前台積電內部尚未有實績可供驗證，僅以他廠實績作為本次驗證與展示結果。

系統架構

本研究將系統架構分為四層來達到上述之功能，如 圖10所示。

第一層為安裝在被測母線表面的傳感光纜（Optical fiber01~12），傳感光纜內置作為感測器的普通多模50/125 GI光纖。傳感光纖功能是獲取母線的溫度，作為溫度探測器，將代表溫度資訊的背向拉曼散射光傳送回測溫主機進行分析、處理。

第二層為分散式光纖測溫主機（DTS Data Ware - DDW），安裝於控制室內，測溫主機配備4個通道，每通道的最大測量距離為2km，測溫主機利用傳感光纖即時返回的溫度信號計算出母線溫度，並上傳至伺服器。

第三層為監控伺服器（工業計算機 Windows 10 Based），功能是採集測溫主機計算得到的溫度資料，通過在其上面運行的溫度監控軟體對採集到的溫度資料進行存儲、顯示、管理、分析、匯出、列印，在伺服器上安裝Serve程式，將所有資料存儲在中央資料庫內，存儲容量達10Gb，並提供資料的分析功能，包括歷史資料查詢功能，查詢熱點和關注點歷史溫度走勢，2維彩色溫度圖；幫助及早發現線路存在的安全隱患。

第四層為SCADA系統，SCADA系統通過DTS內部的Modbus TCP模組。

安裝注意事項

充分考慮到傳感光纜對母線的全覆蓋，傳感光纜施工應該遵循以下的要求。

• 傳感光纜緊貼著母線表面敷設；
• 傳感光纜需要盡可能採用永久式固定的方式固定在母線上，固定間距為0.5m到1m；
• 傳感光纜應該盡可能以整段的形式鋪設，不要或減少熔接點；
• 對母線接頭等重點部位重點監測，將至少1m長度的傳感光纜繞成直徑不小於20cm的圓緊貼著母線接頭敷設；
• 測量尾端至少留有20m的光纜不做測量使用；
• 允許在控制櫃內預留20m光纜；
• 一個熔接點,因為每次斷纖意味著要求至少 2x3 m 的額外長度；
• 最小彎曲半徑80mm；
• 不要把光纜與鋒利的邊緣接觸，保護光纜不受損傷； 實體安裝如 圖11所示。

  圖11、分散式光纖偵溫系統安裝實體照片

  

結果與分析

上一章節所述，我們需要七大功能用以預測與定位故障正確位置，本節將以他廠實績作為實體結果數據展示。首先針對即時溫度數據採集、即時溫度數據顯示、過溫警報、升溫速率警報、特性曲線顯示，這五項功能作為驗證；如 圖12所示，在監控系統中顯示光纖各區溫度顯示、過溫警報、平均溫度警報和升溫速率警報。

另外兩項功能歷史數據顯示、SCADA遠端監控診斷與維護，如 圖13、14、15所示。每個匯流排或電纜的溫度資料及分區資訊即時顯示，並存儲在SQL資料庫內；歷史資料查詢及重播，2-D資料分析，Excle資料格式匯出，自動報告生成；即時報警管理，管理平臺自動探測過熱點位置，超過設定值上限即發送警報，同時還能夠提供溫度剖面的分析報告功能。所有的資料被存儲在中央資料庫，用於生成報告和資料分析。

結論

本研究結果以某公司實績為呈現結果方式，可精確量測沿線各點的溫度，取樣精密度高，可精確的定位故障點，施工方便；光纖可抗電磁干擾和輻射，因此是一種理想的電力電纜、匯流排過熱監控系統，可廣泛利用於台積廠區內部進行安裝可行性評估，分析電力電纜與導體實際溫度計算。本研究總結下列要點：

• 根據電力電纜溫度在線監測系統達到數據採集與故障測距功能。
• 若採用此系統預期可達到電力電纜溫度在線監測並對故障點實際位置定位快速緊急應變。
• 針對電纜運行狀態即時監測，對預防故障起積極的作用。
• 根據各廠區電力系統架構進行安裝可行性評估，最適合為龍潭廠如 圖16，因大量使用Busway，其次為使用GE Busway數量最多的。 圖17為竹科廠系統架構與實地照片。

  圖16、龍潭先進封測三廠（BP03）分散式光纖偵溫系統可應用區域

  

  圖17、竹科十二廠七期分散式光纖偵溫系統可應用區域

  
• 目前尚未大量導入的主要原因在於初期建置費用高，與使用上的信心度不足，故尚未大規模導入。