基于分布式光纖測溫的電纜溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

郝學(xué)磊，陳 鵬，王鯤鵬，呂 琨

（1．聊城供電公司，山東 聊城252003；2．威海北洋電氣集團股份有限公司，山東 威海264209）

0 引 言

電纜整體和電纜接頭的溫度，一直以來是監(jiān)測電纜運行狀態(tài)的重要參數(shù)。電纜中間接頭是整條電纜結(jié)構(gòu)最為薄弱，事故率最高的環(huán)節(jié)。隧道內(nèi)電纜密集、交叉疊放，一旦失火會發(fā)生立體式的關(guān)聯(lián)燃燒。雖然隧道內(nèi)環(huán)境封閉，但由于電纜豎井的存在，使得隧道內(nèi)形成抽風(fēng)，火勢迅速擴大，產(chǎn)生濃烈的煙霧和有害氣體。隧道內(nèi)地方狹小，大量的煙霧氣體無法排除，同時給消防人員迅速撲滅火源，進(jìn)行電力搶修帶來極大的困難。電纜損壞危害極大，造成的影響難以估量，有必要進(jìn)行全方位在線監(jiān)測，避免此類事故的發(fā)生。常規(guī)的火災(zāi)報警系統(tǒng)無法全面監(jiān)控如此長度的對象。而分布式光纖測溫技術(shù)的出現(xiàn)，解決了這一問題。該技術(shù)使用一根光纖即可完成對長達(dá)數(shù)公里電纜的監(jiān)測。因此，光纖測溫技術(shù)在電力電纜中被廣泛應(yīng)用。

1 分布式光纖測溫技術(shù)原理

光纖測溫的基本流程為：使用光纖作為溫度的測量和傳輸載體，向光纖中發(fā)射光脈沖，光纖中的介質(zhì)將后向傳遞一小部分散射光。這部分散射光中，選取拉曼散射光作為監(jiān)測對象進(jìn)行分析。拉曼散射光包含Stockes和AntiStockes兩種光波，其中斯托克斯光與溫度無關(guān)，而反斯托克斯光隨溫度變化而變化，使用兩種光波之比和溫度的定量關(guān)系，可求得溫度：

式中，T為絕對溫度，單位K；h為普朗克常數(shù)；K為玻爾茲曼常數(shù)；IS、IAS為斯托克斯和反斯托克斯光強度，單位S－1／sr；f0、Δf 為伴隨光頻率及頻率增量，單位S－1。

通過對散射光的快速采集，使用光時域反射原理（OTDR）計算出對應(yīng)的位置，得到光纖上每個點的溫度信息，即可完成對象溫度監(jiān)測。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件圍繞如何獲取Stockes和AntiStockes光強度進(jìn)行設(shè)計，主要由高壓電源、脈沖調(diào)制信號電路和半導(dǎo)體激光器LD組成的發(fā)射組件，分光模塊和光電檢測器APD組成的光接收組件，以及放大電路和采集卡組成的采集組件三部分構(gòu)成。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

分光模塊將背向散射回波分成Stockes和AntiStockes光；光電檢測器使用高靈敏度的雪崩二級管。采集卡使用累加器和濾波模塊，將采集到的信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字量進(jìn)行輸出，上位計算機根據(jù)采集卡數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，最終得到溫度信息。

其中，半導(dǎo)體激光器（LD）電路設(shè)計見圖2。

圖2 半導(dǎo)體激光器高速驅(qū)動電路

半導(dǎo)體激光器組件中，有一個施密特觸發(fā)器位于場效應(yīng)管左邊，觸發(fā)脈沖以上升沿觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)施密特觸發(fā)器。半導(dǎo)體激光器在高頻脈沖的驅(qū)動狀態(tài)下工作時的熱功耗較小，足以保證系統(tǒng)長時間安全穩(wěn)定的工作。

3 系統(tǒng)軟件技術(shù)

除了使用分布式光纖測溫技術(shù)獲取溫度之外，系統(tǒng)針對電纜監(jiān)測的特點，定制了專門用于電纜溫度在線監(jiān)測的軟件架構(gòu)和軟件功能。

軟件分別運行在分布式光纖測溫儀以及遠(yuǎn)端的工控主機上，用于數(shù)據(jù)獲取、計算以及報警顯示。系統(tǒng)軟件運行流程如圖3。

（1）檢測電纜的沿線溫度變化情況。

（2）按照電力行業(yè)經(jīng)驗，對溫度設(shè)置報警。報警數(shù)據(jù)可在軟件中設(shè)置，每個測溫點或區(qū)域應(yīng)能獨立設(shè)置預(yù)警及報警參數(shù)，各測溫點及區(qū)域應(yīng)能獨立報警，不同報警方式可以交叉設(shè)置。

圖3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程圖

（3）建立溫度監(jiān)控數(shù)據(jù)庫。溫度數(shù)據(jù)自動存儲，可查詢某測溫點在某段時間內(nèi)溫度曲線數(shù)據(jù)，并可以用Excel表格形式導(dǎo)出。對各測溫點溫度進(jìn)行實時統(tǒng)計，形成日、月統(tǒng)計數(shù)據(jù)報表。

（4）通過與上層監(jiān)控平臺進(jìn)行軟硬件對接，可將溫度實時數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)庫上傳到上層監(jiān)控平臺，便于監(jiān)控平臺的統(tǒng)一讀取和調(diào)用。

（5）基于軟測量技術(shù)的電纜導(dǎo)體溫度計算功能。

4 系統(tǒng)工程應(yīng)用

聊城110 kV鳳凰臺變電站的高壓電纜，因負(fù)荷較高，為避免電纜尤其是接頭處的絕緣老化，造成短路等事故，目前采用對電纜及電纜接頭安裝敷設(shè)探測光纜的方式，使用電纜在線監(jiān)測系統(tǒng)對電纜進(jìn)行監(jiān)測，對電纜夾層室到電纜隧道中長約800 m的區(qū)域進(jìn)行分布式在線監(jiān)測。同時聯(lián)動消防滅火系統(tǒng)，監(jiān)測到溫度上升到危險狀態(tài)時，會對超級干粉滅火器進(jìn)行聯(lián)動，保證事故被控制在一定的范圍之內(nèi)。通過檢驗，系統(tǒng)在完全滿足溫度精度±1℃的前提下，保證測量精度1 m的設(shè)計指標(biāo)。

5 結(jié)束語

該系統(tǒng)通過精確測量兩側(cè)電纜表皮溫度，發(fā)現(xiàn)故障及潛在故障位置，減小了電纜運維成本，儀器本身施工和維護的成本也較為低廉，極大地解決了電纜狀態(tài)監(jiān)測的難題，可廣泛應(yīng)用于變電站和電力隧道的電纜溫度監(jiān)控，為電網(wǎng)安全運行提供保障。

［1］ 黃民雙，陳偉民，黃尚廉．光纖中光散射及在分布式傳感技術(shù)中的應(yīng)用［J］．傳感器技術(shù)，1995，（2）：49－51．

［2］ 畢衛(wèi)紅，張燕君，齊躍峰，等．光纖通信與傳感技術(shù)［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2008．

［3］ 鄒 建．分布式光纖溫度測量系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究［J］．重慶大學(xué)光電工程學(xué)院，2005，（3）：3－4．