分布式光纖測溫技術(shù)在電力電纜運維中的應(yīng)用

周 琦，胡慧萍

(無錫供電公司，江蘇無錫214061)

電力電纜作為電力系統(tǒng)輸電載體，其運行狀態(tài)直接關(guān)系到電網(wǎng)的安全和穩(wěn)定。近年來，隨著電力電纜輸送負荷需求的持續(xù)增加及建設(shè)、改造工期過分緊張，給電力電纜安全運行埋下了隱患，電纜擊穿和火災(zāi)的事件不斷發(fā)生。為了確保電纜運行在最佳和最安全的狀態(tài)，亟需有效的在線監(jiān)測手段。其中在線溫度監(jiān)測就是一種極為有效的方法，可以發(fā)現(xiàn)潛在異常點，實現(xiàn)故障早期預(yù)警，防止和杜絕電力事故發(fā)生。傳統(tǒng)的測溫方法采用點式感溫元件裝在電力電纜的重要部位進行測溫，此方法只能對電纜系統(tǒng)局部位置進行測溫，無法對整條電纜線路實現(xiàn)溫度在線監(jiān)測。而分布式光纖測溫系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多點、在線的分布式測量，其中光纖既作為傳感元件感知溫度信息又作為信息載體傳輸溫度信息，具有抗電磁干擾、抗腐蝕、耐高溫、本征安全、傳輸距離遠、高帶寬、高溫度分辨率、高空間分辨率、定位精準等優(yōu)點，可有效實現(xiàn)電力電纜全線溫度在線監(jiān)測，實時監(jiān)測電纜的溫度信息，及時發(fā)現(xiàn)和定位溫度異常點，并輸出報警信息，提高了電纜的運行安全性和可靠性。

1分布式光纖測溫技術(shù)現(xiàn)狀

目前，分布式光纖測溫技術(shù)主要采用2種基于拉曼散射的溫度傳感技術(shù)，一是基于拉曼光時域反射技術(shù)的分布式光纖傳感技術(shù)；二是基于拉曼光頻域分析技術(shù)的分布式光纖傳感技術(shù)。

國外90年代，英國YORK公司和日本藤倉公司均研制成功了分布式光纖溫度傳感器。其在2 km的光纖上實現(xiàn)了空間分辨率3.5 m，溫度分辨率3℃的傳感測量。

國內(nèi)多家院校從90年代始先后開展了分布光纖溫度傳感器的研究，并取得了可喜的成績。重慶大學和中國計量學院研制成功多模拉曼分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)，該系統(tǒng)在l km的光纖上實現(xiàn)了空間分辨率7 m，溫度分辨率3℃的傳感測量[1]。

分布式光纖測溫系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展主要集中在其性能指標的優(yōu)化，如測量距離、空間分辨率、溫度分辨率等。目前國外同類產(chǎn)品的監(jiān)測最大距離達30 km，空間分辨率達1～3 m，溫度分辨率達0.8℃；而國內(nèi)同類產(chǎn)品的監(jiān)測距離最大為5 km，空間分辨率為2 m，溫度分辨率為1℃，國內(nèi)產(chǎn)品相比國外產(chǎn)品在性能指標上還存在一定的差距。為了縮小與國際同類產(chǎn)品的距離，未來發(fā)展重點在于提高該產(chǎn)品的測量距離、空間分辨率、溫度分辨率以及產(chǎn)品的其他性能指標。

2分布式光纖測溫系統(tǒng)工作原理

分布式光纖溫度傳感器（DTS），是近年來發(fā)展起來的一種用于實時測量空間溫度場分布的傳感系統(tǒng)，是一種分布式的、連續(xù)的、功能型光纖溫度傳感器，其利用光子的拉曼散射溫度效應(yīng)實現(xiàn)溫度檢測。

當激光脈沖在光纖中傳輸過程中與光纖分子相互作用，發(fā)生多種形式的散射，如瑞利散射、布里淵散射和拉曼散射。其中瑞利散射對溫度不敏感；布里淵散射對溫度和應(yīng)力都敏感，容易受外界環(huán)境干擾，影響測量準確度；拉曼散射是由于光纖分子的熱振動和光子相互作用發(fā)生能量交換而產(chǎn)生的，具體地說，如果一部分光能轉(zhuǎn)換成為熱振動，那么將發(fā)出一個比光源波長更長的光，稱為斯托克斯光（Stokes光），如果一部分熱振動轉(zhuǎn)換成為光能，那么將發(fā)出一個比光源波長更短的光，稱為反斯托克斯光（Anti-Stokes光）。其中Stokes光強度受溫度的影響很小，可忽略不計，而Anti-Stokes光的強度隨溫度的變化而變化。根據(jù)拉曼散射理論，在自發(fā)拉曼散射條件下，2束反射光的光強和溫度有關(guān)，其比值 R（T）為：

式中：Is，Ias分別為斯托克斯光強和反斯托克斯光強；h為普拉克常數(shù)；k為波爾茲曼常數(shù)；T為絕對溫度[2]。可見，R（T）僅與溫度T有關(guān)。因此可以借助斯托克斯和反斯托克斯光強之比來實現(xiàn)溫度的測量。

在光纖中，激光傳輸?shù)饺我庖稽c都會在此處產(chǎn)生拉曼散射光，并且產(chǎn)生的拉曼散射光均勻分布在整個空間角內(nèi)，其中一部分被光纖重新捕獲，沿光纖原路返回，稱作背向拉曼散射光，被光探測單元接收并分別濾出Anti-Stokes光和Stokes光，通過獲得兩者的強度之比，就可以得到對應(yīng)光纖中某點的溫度值[3]，采用該技術(shù)實現(xiàn)溫度監(jiān)測稱為分布式光纖測溫。

3分布式光纖測溫技術(shù)在電力電纜運維中的應(yīng)用

3.1無錫配電網(wǎng)分布式光纖測溫系統(tǒng)

2010年國家電網(wǎng)公司在無錫配電網(wǎng)開展電力光纖到戶試點工程，工程中采用光纖復合低電壓電纜（OPLC）承載自動化信息，并同步開展分布式光纖測溫技術(shù)研究，實現(xiàn)運行電力電纜溫度在線監(jiān)測。

分布式光纖測溫系統(tǒng)主要由DTS測溫主機、測溫光纜及電力電纜狀態(tài)監(jiān)測（CSM）主機三部分組成，如圖1所示。

圖1分布式光纖測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1.1 DTS測溫主機

DTS測溫主機由內(nèi)置激光器、波分復用器、光開關(guān)、濾波器、高速數(shù)據(jù)采集單元、高速數(shù)據(jù)處理單元、繼電器、RS485、RJ45、MODBUS、LED 等組成[4]。DTS 測溫主機安裝于變電站的監(jiān)控室內(nèi)，并與測溫光纜相連，實現(xiàn)對電力電纜表面溫度信息的采集、處理，輸出溫度報警信息。目前針對電力探測領(lǐng)域應(yīng)用的分布式光纖測溫主機具有模塊化設(shè)計、結(jié)構(gòu)緊湊、功耗低、價格低、性能高、系統(tǒng)穩(wěn)定和便于維護，系統(tǒng)測量速度快，并可精確的定位事故點；同時系統(tǒng)的報警方式更加靈活，可以多重報警疊加，大大提高報警效率。

3.1.2測溫光纜

測溫光纜沿著電力電纜表面敷設(shè)并固定，既作為溫度傳感器探測電纜表面的溫度信息，又作為通信媒介傳輸信息。

根據(jù)探測光纜的安裝方式，可分為內(nèi)置式光纖測溫系統(tǒng)和外置式光纖測溫系統(tǒng)。內(nèi)置式光纖測溫系統(tǒng)是將探測光纜敷設(shè)于電力電纜內(nèi)部的絕緣屏蔽和金屬護套之間；而外置式光纖測溫系統(tǒng)是將光纜敷設(shè)在電力電纜外護套之外。探測光纜的內(nèi)置式和外置式的優(yōu)缺點如表1所示，用戶可以根據(jù)需求進行選擇。

表1探測光纜內(nèi)置式和外置式特點

綜合考慮以上2種方式的優(yōu)缺點，在實際應(yīng)用中外置光纖的方式更適合電纜測溫。3.1.3 CSM主機

CSM主機安裝于變電站監(jiān)控室或者中央控制室內(nèi)，通過以太網(wǎng)或modbus等通信接口與DTS測溫主機通信，以及與外部網(wǎng)絡(luò)通信。CSM軟件內(nèi)置于CSM主機內(nèi)，主要功能為：實現(xiàn)對DTS測溫主機參數(shù)設(shè)置，如通道選擇、監(jiān)測區(qū)域劃分、報警參數(shù)設(shè)置、通信參數(shù)設(shè)置等；采集和顯示電纜表面的溫度數(shù)據(jù)和溫度曲線；計算電纜導體溫度數(shù)據(jù)，并顯示溫度數(shù)據(jù)和溫度曲線；實現(xiàn)對被測電纜布局的組態(tài)；輸出多級報警等。

3.2實例分析

3.2.1無錫金域藍灣小區(qū)分布式光纖測溫系統(tǒng)

無錫金域藍灣小區(qū)分布式光纖測溫系統(tǒng)是在配電無源光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上采用合波技術(shù)和高速信號采集與DTS技術(shù)，實現(xiàn)電力電纜溫度數(shù)據(jù)的采集、處理、識別以及報警輸出等功能。

該小區(qū)供配所至7號樓10 kV電纜采用了外置式進行在線監(jiān)測。分布式光纖測溫系統(tǒng)現(xiàn)場安裝如圖2所示，CSM主機和DTS測溫主機均安裝于監(jiān)控室的控制柜中，探測光纜沿著電纜表面敷設(shè)，且每隔1 m使用尼龍扎帶或固定夾具進行綁扎，探測光纜安裝如圖3所示。

探測光纜將溫度信息傳輸?shù)紻TS測溫主機進行處理。DTS測溫主機與CSM主機通過TCP/IP協(xié)議進行通信，CSM主機內(nèi)置的軟件可以對DTS測溫主機及監(jiān)測范圍進行配置，DTS測溫主機將溫度信息傳輸給CSM內(nèi)置軟件進行后期處理，輸出實時電纜溫度及報警信息等。

3.2.2分布式光纖測溫系統(tǒng)測試

待工程施工及軟件配置完成后，系統(tǒng)進入正常運行狀態(tài)，通過觀察監(jiān)控界面的實時數(shù)據(jù)，可以時刻掌握被測電纜的運行狀態(tài)。

圖2分布式光纖測溫系統(tǒng)應(yīng)用示意圖

圖3探測光纜安裝示意圖

監(jiān)控界面顯示了項目名稱、工控機CPU的使用率與內(nèi)存的使用率、DTS分布式距離至用戶對象距離的映射圖、各個點的分布式溫度信息，通過觀察這些信息，可隨時掌握電纜的運行溫度、溫度曲線等狀態(tài)信息。一旦電纜發(fā)生局部過熱，將在監(jiān)控界面上顯示出溫度異常信息，彈出報警信息框，并啟動短信模塊，發(fā)出報警信息。

分布式光纖測溫系統(tǒng)對電纜運行狀態(tài)的溫度信息進行實時監(jiān)測，能及時發(fā)現(xiàn)潛在故障，采用多種報警方式提醒用戶，以便盡早采取行動，避免事故發(fā)生。

4結(jié)束語

在電力系統(tǒng)不斷發(fā)展的情況下，電力設(shè)備的溫度監(jiān)測將會受到越來越多的重視。分布式光纖測溫系統(tǒng)能夠?qū)崟r提供待測電纜全程的表面溫度、導芯溫度、接頭溫度等信息，且具有抗干擾、本征安全、測量距離遠、精度高、定位準等優(yōu)勢，是電力電纜在線狀態(tài)監(jiān)測的最佳手段。通過在電纜上安裝分布式光纖測溫系統(tǒng)，能夠為用戶提供電纜實時運行狀態(tài)信息，及時發(fā)現(xiàn)潛在異常點，實現(xiàn)故障早期預(yù)警，防止和杜絕電力事故發(fā)生，保證電纜運行的安全性和可靠性。

[1]劉 媛，張 勇，雷 濤，等.分布式光纖測溫技術(shù)在電纜溫度監(jiān)測中的應(yīng)用[J]，山東科學，2008，21(6)：50-54.

[2]陳 軍，李永麗.應(yīng)用于高壓電纜的光纖分布式溫度傳感技術(shù)[J].電力系統(tǒng)及自動化學報，2005，17(3)：47-49.

[3]何明科，張佩宗，李永麗.分布式光纖測溫技術(shù)在電力設(shè)備過熱監(jiān)測中的應(yīng)用[J].電力設(shè)備，2007，8(10)：30-32.

[4]彭 超，趙建康，苗付貴.分布式光纖監(jiān)測技術(shù)在線監(jiān)測電纜溫度[J]，高電壓技術(shù)，2006，8(32)：43-45.